Новые неохлаждаемые тепловизионные системы

Новые неохлаждаемые тепловизионные системы

В последние пять лет наблюдается быстрый прогресс в области тепловизионной техники. Фактически в эти годы произошел переход от сканируемых приборов с одним чувствительным элементом и линейным блоком к крупноформатным несканирующим двухмерным плоским решеткам фокальной плоскости. Этот процесс позволил резко поднять рабочие характеристики тепловизионных камер. Однако часть проблем так и осталась нерешенной. Это прежде всего большие габариты и сравнительно высокая стоимость камер, а также необходимость криогенного охлаждения чувствительных элементов. Из-за этого для тепловизоров оставался практически закрытым такой перспективный рынок сбыта, как средства контроля окружающей среды.

Похоже, что приемлемое решение проблем сегодня удалось найти специалистам фирмы Amber, входящей в компанию Raytheon, которые разработали неохлаждаемую ИК решетку фокальной плоскости на основе микроболометров. Камера Sentinel с такой решеткой обладает более высокой по сравнению со многими существующими охлаждаемыми камерами чувствительностью и улучшенным качеством изображения. При массе чуть больше 1800 г, внешне похожая на обычную видеокамеру камера Sentinel оснащена решеткой микроболометров в фокальной плоскости размерами 320х240 пикселов, обладающих чувствительностью к излучению с длиной волны 8-12 мкм.

Существенный толчок развитию тепловизионной техники дала разработка фирмой Amber заказной КМОП интегральной схемы считывания с элементами внутренней обработки сигнала, в том числе внутрикристальной коррекцией смещения пикселов и усилением напряжения. Считываемый сигнал подается на обычный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Чувствительность камеры превышает 100 мК.

Как полагают разработчики, новая камера найдет широкое применение в гражданском и военном секторах: приборы контроля условий производства и загрязнений окружающей среды, боевые тепловизионные прицелы, приборы разведки, недорогие системы наведения ракет, системы усиления изображения для транспортных средств и т. п.

Еще на рубеже 70-х — 80-х годов ученые и разработчики компаний Texas Instruments и Honey well поняли, что новая технология ин тегральных схем может стать основой для создания неохлаждаемых тепловизионных приборов. Как следствие этого, возникло большое количество различных объединений и групп, по большей части финансировавшихся министерством обороны США, пытавшихся создать производство леохлаждаемых тепловизоров. Первая серийная неохлаждаемая тепповизионная система была основана на пироэлектрической или ферроэлектрической решетке в фокальной плоскости разработки компании Texas Instruments.

Для стабилизации изображения в ферроэлектрических камерах обычно применяется механический прерыватель. Этот узел в конечном счете определяет тепловую чувствительность камеры. Однако чувствительность, а следовательно, и качество изображения деохлаждаемых камер на микроболометрах обычно получаются вьцйе, чем у ферроэлектрических неохлаждаемых камер. В результате эквивалентная шумовая температурная разность камеры Sentinel составляет 0,07'С. В ближайшие год — полтора специалисты фирмы планируют повысить чувствительность решетки болометров до двух раз.

Важно отметить, что Sentinel чувствует малейшие колебания температуры наблюдаемой сцены, в отличие от изменений освещенности в обычном телевидении. Этим она кардинально отличается от приборов ночного видения с усилителями изображения, для работы которых требуется хотя бы самый слабый источник освещения. Усилители изображения легко ослепляются световыми источниками. Для тепловизионной камеры источники света никакой опасности не представляют. Поэтому она дает четкое изображение как в ясный солнечный день, так и в полной темноте.

"Оком" камеры Sentinel является решетка болометров в фокальной плоскости размерами менее 6,45 см". Чувствительным микроэлементом такой решетки является терморезистивный элемент микромостика. Микромостик представляет собой подвесную конструкцию, удерживающую теплочувствительный элемент над подложкой. Такая конструкция обеспечивает Хорошую теплоизоляцию и механическую прочность подвешенного микромостика.

Каждый пиксел имеет размеры 0,05х0,05 мм, а коэффициент злполнения чувствительной площади — 48%. Терморезистивный элемент представляет собой полупроводниковую пленку оксида ванадия толщиной 50 нм, коэффициент температурного сопротивления которой составляет 2% на 1°С. При поглощении тепла пикселом микромостик нагревается, повышение температуры регистрируется терморезистивным элементом. По данным измерений изготовленных приборов, тепловая проводимость микромостика составляет 2х10 Вт на 1°С.

Для формирования тонкопленочных элементов отдельных пикселов применяется обычная фотолитографическая технология. Чувствительность пиксела составляет 70000 В/Вт на источник излучения абсолют^ но черное тело при температуре 300 К. На оптической системе с апертурой f/0,1 это соответствует эквивалентной шумовой температурной разности менее 0,1 ° С. Болометры формируются непосредственно на кремниевой подложке считывания сигнала, исключая необходимость

пайки электроники к микромостику. Ожидается, что по мере того, как технология станет более отработанной, повысится выход годных и снизится стоимость изготовления приборов.

Известно, что большинство тепловизионных систем высшего класса не могут работать без криогенного охлаждения датчика. Для достижения нужной температуры датчика (около 200"С) после включения аппарата требуется около 10 мин. Аппарат Sentinel готов к работе спустя всего 1 мин после включения питания.

Менее 5 мин требуется для "разогрева" неохлаждаемого тепловизнойного прицела LION (Lightweight Infrared Observation Night) производства голландских фирм Signaal USFA и Delft Sensor Systems. Первый образец прибора должен был появиться в середине 1996 г. Королевская армия Нидерландов остановилась на этой модели в ноябре 1995 г. после тщательного изучения его перспектив. Приняв решение по прибору, министерство обороны оплатило разработку и планирует закупить 300 серийных образцов начиная с 1997 г. Кроме того, обе фирмы рассчитывают и на экспорт аппарата за рубеж.

Тепловизионный прицел LION ан на решетке из свинцово-скандиевого танталата (PST) с 256х128 пикселами производства компании GEC-Marconi Sensors. Рабочая длина волны — 8-13 мкм, увеличение оптической системы — хЗ, поле зрения —10х5 град. Дальность обнаружения автотранспортных средств — 2 км, распознавания — 700 м, идентификации — 350 м. Изображение формируется на электроннолучевой трубке в окуляре прицела. Масса прицела — 2 цг, габариты 10х20х24 см, энергопотребление— 7 Вт. Питание — от шести литиевых батарей в течение 10 ч или от стандартных щелочных в течение 2 ч. Шум работающего прибора не слышен на расстоянии 2 м от него.

Развитие неохлаждаемых тепловизионных камер с решеткой в фокальной плоскости несомненно приведет к расширению рыночных возможностей. Вместе с тем, следует отметить, что охлаждаемые тепловизоры продолжают оставаться наиболее эффективными в ряде военных и гражданских приложений, поскольку неохлаждаемые приборы при решении ряда задач не могут обеспечить нужной чувствительности, разрешающей способности и времени отклика.

Например, при проведении обзорной разведки и в бортовых авиационных системах обзора передней полусферы обычно применяется длиннофокусная оптика, которая сегодня не стыкуется с неохлаждаемыми тепловизионными системами. Охлаждаемые камеры на InSb и HgCdTe способны работать с оптическими системами с апертурами f/4. При этом используются более дешевые оптические системы меньших размеров по сравнению с теми, которые необходимы для работы неохлаждаемых камер.

В настоящее время проводятся работы по повышению тактико-технических характеристик неохлаждаемых систем, и в ближайшие годы различия в рабочих параметрах систем обоих классов сократятся. Появление неохлаждаемой техники представляет большой шаг вперед в направлении сокращения стоимости и сложности тепловизионных систем, однако сегодняшняя цена оптических узлов, в особенности вы полненных из германия, будет продолжать оставаться основным препятствием на пути сокращения стоимости как охлаждаемых, так и неохлаждаемых тепловизионных приборов наблюдения. Таким образом, сколь-нибудь серьезное уменьшение стоимости тепловизионной техники будет связано прежде всего с разработками новых оптических систем.