Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПИРОВИДИКОНЫ (ПИРИКОНЫ)

Передающую телевизионную трубку с пироэлектрической мишенью в качестве чув­ствительного слоя называют пировидиконом или пириконом. Принцип действия и конст­рукция пировидикона аналогичны принципу действия и конструкции видикона. Здесь фоточувствительный катод заменен пироэлектрической мишенью в виде тонкой пласти­ны пироэлектрического кристалла, не требующей охлаждения. Входное окно, к которому прикрепляется мишень, обычно выполняется из германия. На сторону мишени, приле­гающую к входному окну, наносится тонкослойный электрод, прозрачный для ИК - излучения. На другую сторону ее наносится пленка, защищающая пироэлектрический кристалл от разрушения ионами, генерируемыми электронным пучком, считывающим зарядный рельеф мишени. В качестве материала мишени целесообразно выбирать пиро­электрики с наименьшей диэлектрической проницаемостью и малой тепловой диффузи­ей, например триглицинсульфат (ТГС) и дейтерированный триглицинфторбериллат (ДТГФБ). Пироэлектрические материалы чувствительны лишь к изменению температу­ры. Поэтому ИК-излучение, которое строит изображение на пироэлектрической мишени, должно быть переменным, для чего в систему с пировидиконом устанавливается специ­альный модулятор (обтюратор) либо в отдельных случаях такая система работает в пано­рамирующем режиме, при котором она медленно перемещается относительно просмат­риваемого пространства. Для сохранения чувствительности пировидикона постоянной при изменениях окружающей температуры в конструкцию прибора в непосредственной близости от диафрагмы, ограничивающей сечение считывающего пучка электронов, вво­дится нагревательный элемент, который обеспечивает постоянство температуры мишени.

Для снижения тепловой диффузии пироэлектрическую мишень разбивают на от­дельные малоразмерные элементы, помещая их на подложку с низкой теплопроводно­стью (сетчатая мишень). Пировидикон отличается от обычного видикона тем, что вы­сокочувствительные ферроэлектрики (сегнетоэлектрики), используемые в качестве пи­роэлектрических мишеней и являющиеся хорошими изоляторами, не пропускают по­стоянный ток. Постоянная составляющая электронного луча, считывающего мишень, заряжает ее. Если луч не заземлять, мишень, которая представляет собой емкость, мо­жет полностью зарядиться, и работа пировидикона прекратится. Во избежании этого постоянный ток не должен протекать по цепи видеосигнала, а положительный заряд, равный отрицательному, перенесенному считывающим электронным лучом, должен периодически возобновляться. Для этого используют различные методы создания по­ложительного (базового) заряда, или пьедестала. Наибольшими преимуществами обла­дает метод, основанный на вторичной электронной эмиссии свободной поверхности пироэлектрической мишени, сканируемой пучком медленных электронов, при котором положительный заряд образуется во время обратного хода электронного луча, т. е. вне времени считывания ИК-изображения [35].

В пировидиконах превалируют шумы Джонсона на мишени, базового тока и преду­силителя видеосигнала. Последние заметно превышают внутренний шум пироэлектри­ческого материала, обусловленный в основном шумом Джонсона, возникающим из-за диэлектрических потерь.

В ИКС с пировидиконами в соответствии с отмеченными особенностями использу­ются устройства синхронизации прерывания входного сигнала и сканирования мишени и схемы вычитания базового тока из полного видеосигнала. Сигнал, появляющийся при каждом открывании обтюратора, инвертируется, а затем считывается непосредственно с экрана системы отображения или же видеосигнал сначала подается в сумматор изо­бражений (отдельных кадров), а потом воспроизводится в системе отображения.

Специальный процессор в составе электронного модуля пирикона, работающий в реальном масштабе времени, позволяет путем попарного сравнения разнополярных сигналов в полукадрах (положительных при нагреваемой открытой мишени и отрица­тельных при остывающей закрытой) повысить геометрическое разрешение мишени с

120.. . 130 до 160... 180 телевизионных линий (ТВЛ) и улучшить АТР системы, которая в режиме модуляции (обтюрации) может при этом составить 350 мК (при 50 ТВЛ на ми­шень), а в режиме панорамирования - 150 мК (по крупным деталям изображения).

Из-за переменной полярности сигнала, снимаемого с выхода пироэлектрического приемника при открывании и закрывании модулятором его чувствительной площадки, может возникнуть мерцание изображения. Это мерцание устраняют, используя в элек­тронном тракте пирикона схемы (накопители), в которых видеосигнал суммируется по нескольким кадрам, а затем передается на систему отображения. При этом отношение сигнал-шум улучшается на 25...30%. После выключения питания или перегрева пиро­электрической мишени чувствительная мишень поляризуется с помощью схемы, обес­печивающей требуемую последовательность подачи питающих напряжений.

Области применения пириконов весьма разнообразны: в системах охранной и по­жарной сигнализации, при дистанционных измерениях температуры, космических ис­следованиях, в лазерной измерительной аппаратуре, военной технике, в медицине и др. Эти сравнительно недорогие приемники, работающие в широком диапазоне час­тот и температур, имеют низкое энергопотребление и удельную обнаружительную способность около 109 Вт_1-смТц1/2. Низкая теплопроводность пироэлектрических кристаллов позволяет создавать многоэлементные структуры с низкими перекрест­ными тепловыми помехами между отдельными элементами чувствительного слоя. Пироэлектрические приемники самой различной формы и размеров технологичны и сравнительно недороги.

Несмотря на то, что удельная обнаружительная способность В пироэлектрических одноплощадочных приемников почти на два порядка хуже, чем одноплощадочных ох­лаждаемых фотонных (квантовых) приемников из ГпБЬ и НдСсГГе, режим накопления и осреднения, в котором работают их отдельные элементы (при частоте кадров 25 Гц время полукадра примерно 20 мс, а число элементов пироэлектрической мишени пири - кона эквивалентно нескольким десяткам тысяч единичных приемников), позволяет по­лучить большое отношение сигнал-шум, пропорциональное корню квадратному из числа накапливаемых сигналов, и тем самым достичь АГр близких к АТР охлаждаемых квантовых приемников, работающих в диапазоне 8... 14 мкм. Рабочий спектральный диапазон ИКС на базе пироэлектрических МПИ практически неселективен и ограничи­вается пропусканием материалов оптической системы и прозрачностью среды распро­странения сигнала (атмосферы).

В то же время в силу ряда причин (большие габариты, сложность технологии изго­товления и конструкции, недостаточно высокие чувствительность и геометрооптиче­ское разрешение и др.) системы с пировидиконами до сих пор используются недоста­точно широко. Тем не менее приведем несколько примеров ИКС на базе пировидико - нов. Отечественная промышленность серийно выпускает пировидиконы со сплошной мишенью диаметром около 16 мм, изготовленной из триглицинсульфата и имеющей чувствительность порядка 5...13 мкА/Вт. Они обеспечивают ДТп = 0,1...0,5 К (напри­мер, тепловизор ТЭМП-1, созданный НПП «Гамма» совместно с НИИ «Платан» и СКБ филиала Института радиоэлектроники РАН).

Пировидиконы ЛИ492 и ЛИ492С с сетчатой мишенью, работающие в спектральном диапазоне 8... 14 мкм и имеющие трубку диаметром около 27 мм и длиной 164 (у ЛИ492) и 132 мм (у ЛИ492С), обеспечивают разрешение до 300 телевизионных линий.

В последние годы изучается возможность создания пировидиконов со структуриро­ванной мишенью, обеспечивающей лучшее геометрическое и температурное разреше­ние. При вводе в электронно-оптический тракт пировидикона управляющего электрода удалось поднять токово-энергетическую чувствительность до 100 мкА/Вт.

В ЦНИИ «Электрон» в настоящее время разработаны пировидиконы (например, ЛИ513), имеющие формат 300х300 элементов с чувствительностью 50...70 мкА/Вт и даже 400х400 с чувствительностью 5...8 мкА/Вт. Применение этих пировидиконов по­зволяет при сохранении достаточно хорошей для ряда применений ДГР в несколько раз сократить светосилу объектива, т. е. увеличить диафрагменное число К, что существен­но снижает габариты, массу и стоимость оптической системы.

Прибор ТР-4604П, созданный МРПО «Спектр» (Москва), служит для контроля утечки тепла из зданий и сооружений, определения мест перегрева и других приме­нений. Его геометрооптическое разрешение составляет 150 ТВ Л, температурное — 0,4°С в рабочем диапазоне температур от -30 до +300°С. Габариты (без объектива) - 285х 150х 130 мм; масса — не более 2,9 кг; питание от сети ~ 220 В, 50/60 Гц или авто­номное: 12 В постоянного тока 1,3 А; время непрерывной работы -2 ч.

МРПО «Спектр» предложило модификацию этого прибора - ТН4604МП на пиро­электрической матрице формата 320х240 с температурным разрешением 150 мК, а так­же малогабаритную камеру на микроболометрической матрице формата 160х 120 с ДГп = 100 мК, габаритами 130х210х140 мм и массой 1,5 кг.

То же объединение выпускает также многофункциональную тепловизионную аппа­ратуру ТН-3 на пировидиконе со следующими параметрами:

• минимальная разрешаемая разность температур ДТр = 0,15°С в режиме панорами­рования (по крупным объектам) и 0,5°С в режиме модуляции (обтюрации) с кадровой частотой 25 Гц;

• габаритные размеры 132x550x170 мм;

• масса 6 кг.

Хорошо известен и распространен на практике пирикон ТН 9851 фирмы «Томсон ЦСФ» (Франция), имеющий следующие основные параметры:

• спектральный рабочий диапазон 8... 14 мкм;

• чувствительность 4,5 мкА/Вт;

• габариты пирикона 165x29x26,7 м;

• масса 60 г;

• рабочие напряжения (токи) на мишени 125 В, на электродах 250, 200 и 180 В;

• напряжение накала 6,3 В;

• формат кадра 18x24 мм;

• минимальный полезный диаметр мишени 17 мм;

• разрешающая способность 250 TBJT;

• рабочая температура (оптимальная) 30...35°С.

Среди других известных зарубежных разработок можно отметить пироэлектрическую камеру «PYRO-2000» Uncooled Thermal Imager фирмы «GEC-Marconi» (Великобритания) с форматом матрицы 100x100, ДГП= 0,3 К, габаритными размерами 80x140x180 мм, мас­сой 1,8 кг, потребляемой мощностью 5 Вт.

Одной из лучших разработок является пировидиконный тепловизор Р4438 ARGUS фирмы «English Electric Valve», имеющий следующие основные параметры:

• габаритные размеры 330х310х160 мм;

• масса с объективом/'= 18 мм 2,7 кг;

• потребляемая мощность 4,5 Вт;

• время непрерывной работы (при питании от аккумулятора) 1 час.

Фирма «Insight Vision Systems» (Великобритания) предложила пировидиконную ка­меру с Д7,р= 0,2°С и разрешающей способностью 150 TBJI по всей мишени.

Фирма «AGUSTA» (Италия) изготавливает тепловизионный прибор CIRTEVS на пировидиконе с геометрооптическим разрешением до 150 TBJI и температурным раз­решением до 0,3°С. Угловое поле прибора равно составляет 18°, масса - 5 кг, энергопо­требление - 18 Вт при напряжении питания 12 ± 1,5 В.