Приборы ночного видения новых поколений.ВОЛКОВ Виктор
Генрихович, ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ Приборы ночного видения (ПНВ) предназначены для наблюдения и прицеливания в темное время суток – в сумерки и ночью. ПНВ появились в конце второй мировой войны и с тех пор прошли сложный путь развития. Они нашли широкое применение как в военной, так и в гражданской технике. Их развитие можно разбить на ряд этапов, с которыми связано появление определенных поколений ПНВ. Каждое последующее поколение отличалось от предыдущего большей дальностью видения, лучшим качеством изображения, снижением массы и габаритов, увеличением времени работы, повышением стойкости к воздействию световых помех и целым рядом других преимуществ. К настоящему времени известны три поколения ПНВ [1]. Главным признаком, по которому различаются поколения ПНВ, является их основной элемент – электронно-оптический преобразователь (ЭОП), предназначенный для преобразования невидимого для человеческого глаза изображения в видимое и усиления его по яркости. Схема наиболее совершенного ЭОП III поколения представлена на рис. 1, где 1 фотокатод с отрицательным электронным сродством (на основе GaAs), нанесенный на стеклянное входное окно; 2, 3 – микроканальная пластина; 4 – экран, нанесенный на выходное стеклянное окно 5 (рис.1а) или на волоконно-оптическую пластину 6 (рис.1б) без оборачивания изображения для стыковки с матрицей ПЗС телевизионной (ТВ) камеры, либо на волоконно-оптическую пластину 7 (рис.1в) с оборачиванием изображения на 1800.
За последнее десятилетие разработка ЭОП (и соответственно ПНВ) новых поколений интенсивно велась в США по программе OMNIBUS [2, 3]. Эти работы проводятся фирмами ITT Defense и Litton Systems с целью увеличения интегральной чувствительности фотокатода, отношения сигнал/шум и разрешающей способности ЭОП III поколения (см. таблицу 1). Работы по программам ОMNIBUS III, IV позволили сократить технологический цикл создания ЭОП III поколения и разработать новые их образцы серии OMNI. Лучшие образцы этих ЭОП достигли разрешающей способности до 84 штр/мм, отношения сигнал/шум свыше 23, интегральной чувствительности фотокатода более 2000 мкА/лм. Соответственно этому дальность видения в ПНВ возросла в 1,5 раза по сравнению с традиционными ПНВ III поколения. Новые ЭОП получили название высокоинформативные ЭОП III поколения”. Несмотря на их высокую стоимость (до $10 тыс. за штуку) с 1999 г. в США производится замена всех ЭОП III поколения на высокоинформативные ЭОП. В некоторых литературных источниках эти ЭОП даже относят к IV поколению. Однако фактически к ЭОП IV поколения относятся изделия, параметры которых приведены в таблице, а также последние образцы ЭОП фирмы Litton: их отношение сигнал/шум превосходит 33, а интегральная чувствительность фотокатода – 2200 мкА/лм. Таблица 1.
Физически эти достижения связаны с устранением в ЭОП IV поколения ионно-барьерной пленки, которая наносилась на микроканальную пластину (МКП) с целью защиты фотокатода ЭОП от воздействия ионов, возникающих в этой пластине. Однако эта же пленка приводила к отражению потока электронов, перемещающихся от фотокатода ЭОП к микроканальной пластине. Это вызывало рассеяние электронов, снижало отношение сигнал/шум, ухудшало разрешающую способность ЭОП и ограничивало динамический диапазон его работы (т.е. сокращало пределы рабочей освещенности фотокатода). Кроме того, в ЭОП IV поколения используются тонкопленочные МКП с резко уменьшенным диаметром микроканала 6 мкм вместо традиционных 12 мкм. Это привело к возрастанию разрешающей способности до 64 – 84 штр/мм. Отличительной особенностью ЭОП IV поколения является также наличие в нем стробируемого высоковольтного источника питания, автоматически изменяющего скважность работы в импульсном режиме соответственно внешней освещенности [2]. Импульсный режим не только расширяет динамический диапазон работы ЭОП и соответственно ПНВ в широком диапазоне изменения внешней освещенности, но и подавляет шумы. Степень их ослабления пропорциональна скважности работы в импульсном режиме высоковольтного источника питания. Благодаря этому отношение сигнал/шум может достигать 100 и более. Конкретным примером ПНВ IV поколения являются очки ночного видения AN/AVS-9 фирмы ITT (США) (фото 1) [4]. В ПНВ установлен ЭОП IV поколения. Фирма ITT заключила контракт с ВМФ США на сумму $43 млн. на поставку ПНВ IV поколения. Основные параметры прибора AN/AVS-9: угол поля зрения 400, масса без наголовного крепления 540 г, с креплением – 780 г, напряжение питания 3 В, диапазон рабочих температур -32 – +52 0С [5]. Очки предназначены для пилотирования вертолетов.
В Объединенном институте физики полупроводников СО РАН также разработана технология ЭОП IV поколения [6]. В нем вместо традиционной микроканальной пластины используется полупроводниковый динод, работающий “на прострел” пучком электронов с фотокатода ЭОП. По мнению разработчиков, это позволяет получить высокое отношение сигнал/шум и значительную защищенность от воздействия световых помех при долговечности ЭОП до 50000 часов. Таким образом, в настоящее время отсутствует однозначное понимание того, что же следует считать ЭОП и соответственно ПНВ IV поколения. В связи с этим необходим выбор наиболее важного критерия, позволяющего классифицировать ПНВ новых типов с точки зрения возможности их отнесения к IV поколению. Думается, что таким критерием является сдвиг чувствительности фотокатода в инфракрасную (ИК) область спектра. В настоящее время традиционные фотокатоды на основе GaAs, установленные в ЭОП III поколения, работают в области спектра 0,4 – 0,9 мкм (рис. 2, кривая 1). Однако за последние годы созданы фотокатоды с отрицательным электронным сродством на основе структуры InGaAs – InGaAsP, работающие в области спектра 0,4 – 1,1 мкм. В частности, фирма Varian Associates (США) разработала фотокатоды трех типов: с прямым эмиттером на основе InGaAsP p-типа с квантовым выходом 2,7%, что в 10 20 раз лучше, чем у кислородно-цезиевого фотокатода S-1, на основе гибридного гетероперехода InP/InGaAsP p-типа с квантовым выходом до 10%, на основе гетероперехода InGaP/InGaAs p-типа с квантовым выходом 20 – 30%. Наибольших успехов достигла фирма Litton, создавшая ЭОП с фотокатодом также на основе InGaAs, но с высоким уровнем легирования индия – до 55% [7]. На рис. 3 приведены кривые спектральной чувствительности фотокатодов ЭОП фирмы Litton. Из рис. 3 видно, что при легировании индием до 55% область спектральной чувствительности фотокатода ЭОП смещается в область спектра свыше 1,6 мкм. Такой сдвиг чувствительности в ближнюю ИК-область спектра позволяет наблюдать в ПНВ излучение наиболее распространенных в настоящее время лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1,06 мкм. Но главное преимущество заключается в том, что в ближней области спектра существенно выше уровень естественной ночной освещенности, спектральное распределение которой представлено кривой 1 рис. 2. Здесь же показаны кривая 2 чувствительности фотокатода ЭОП III поколения и кривая 3 чувствительности ЭОП с фотокатодом на основе InGaAs. Преимущество такого ЭОП очевидно. Ему присвоено наименование поколение III+” (Near IR Gen III). Эти ЭОП установлены в очках ночного видения AN/AVS-6 (ANVIS) и AN/PVS-7B фирмы Litton [8, 9], предназначенных для ночного пилотирования вертолетов, а также в ночном прицеле для автомата AN/PVS-13 той же фирмы (фото 2) [8]. Но в ночном прицеле AN/PVS-14 (фото 3) для индивидуального оружия фирмы ITT установлен уже ЭОП IV поколения [10]. Прицел имеет увеличение 6Х, угол поля зрения 5,630, дальность действия 700 м, массу 1,9 кг, габаритные размеры 317х107х107 мм, напряжение питания 3 В, диапазон рабочих температур -51 – +52 0С [8].
Поскольку ЭОП III+ поколения полностью взаимозаменяемы с ЭОП III и II (II+) поколений, то масса и габариты ПНВ новых поколений не отличаются от ПНВ III поколения. Однако наиболее актуальной проблемой является создание поколения ПНВ с рабочей областью спектра, смещенной в диапазон 1,4 1,8 мкм. Создание ЭОП для таких ПНВ предусмотрено программой OMNIBUS VI [2]. Рассмотрим, какие преимущества для ПНВ открывает эта область спектра. Для этого воспользуемся результатами работы [11]. Средняя величина естественной ночной освещенности в безлунную ночь для области спектра 0,4 – 0,9 мкм (фотокатод ЭОП II, II+, III поколений) достигает (1,5 – 3)х10-9 Вт/см2мкм, а в области спектра 1,4 – 1,8 мкм – (1,5 – 2)х10-7 Вт/см2мкм, т.е. на два порядка выше. Кроме того, улучшается прозрачность атмосферы: при метеорологической дальности видимости 10 км пропускание толщи атмосферы 1 км на длине волны 600 нм составляет 0,72, а в центре области спектра 1,4 1,8 мкм – 0,93. При этом яркость атмосферной дымки снижается больше чем на порядок в области спектра 1,4 – 1,8 мкм по сравнению с видимой областью спектра. Величина контраста объекта наблюдения с фоном в этой области спектра более стабильна и выше в 1,4 – 1,5 раза, чем в области спектра 0,4 – 0,9 мкм. Кроме того, если в этой области спектра освещенность ночью меняется от 10-5 до 2,5х10-9 Вт/см2, то в области 1,4 – 1,8 мкм от 1,6х10-4 до (3 – 4)х10-7 Вт/см2 при тех же условиях освещенности, т.е. почти на два порядка. Процент обеспеченности освещенностью в течение всего года для естественной ночной освещенности в пределах 5х10-3 – 5х10-4 лк для области спектра 1,4 – 1,8 мкм также почти в 2 раза выше, чем для 0,4 – 0,9 мкм [11]. В области спектра 1,4 – 1,8 мкм можно работать до определенной степени в некоторых дымах и в пыли, а также визуализировать излучение современных лазерных целеуказателей-дальномеров, работающих на длине волны 1,55 мкм и 1,7 мкм. Весьма результативно использование ПНВ, работающих в области спектра 1,4 – 2,0 мкм для демаскировки объектов. На рис. 4 даны кривые отражательной способности формы солдата бывшего СССР (кривая 1), формы солдата США (кривая 2) и натуральной растительности (кривая 3) [12]. Из рис. 4 видно, что в области спектра 1,4 – 2,0 мкм разница в отражательной способности обмундирования позволяет не только обнаружить солдата на фоне зелени, но и отличить своего от чужого.
Известно, что камуфляж позволяет замаскировать различные объекты на фоне окружающего пространства. Однако камуфляж, разработанный для видимой области спектра, может быть неэффективен для области спектра 1,4 – 1,8 мкм. Для нее узор камуфляжа исчезает, и обнаруживается силуэт замаскированного объекта [12]. В области спектра 1,4 – 1,8 мкм можно видеть в тумане, обнаруживать следы льда на крышах самолетов в аэропортах. Это похоже на черный” лед на дорогах. Его нельзя заметить в видимой области спектра, но можно увидеть в области спектра 1,4 – 1,8 мкм. В этой области можно обнаружить на картинах более раннюю живопись, скрытую под слоем масляных красок. Достигается это благодаря тому, что многие пигменты масляных красок, окрашивающие свет в видимой области спектра, прозрачны в области 1 – 2 мкм [12]. Рассмотрим теперь пути практической реализации ПНВ нового поколения, работающих в области спектра 1,4 – 1,8 мкм. Одним из путей, как уже говорилось, является создание ЭОП с фотокатодом на основе InGaAs с высоким уровнем легирования индия (см. рис. 3). Другой путь состоит в создании ЭОП с фотокатодом на основе барьеров Шоттки так называемого ТЕР-фотокатода (ТЕР – Transferred Electron Photocathode) [11]. На рис. 5 представлена кривая спектральной чувствительности ТЕP-фотокатода (кривая 1) в сравнении с кривой чувствительности обычного фотокатода ЭОП III поколения [13]. Принимая во внимание меньшую чувствительность ТЕР-фотокатода, представляется целесообразным использовать его в ТВ-камере на базе ПЗС с электронной бомбардировкой [13]. На рис. 6 представлена схема построения такой ТВ-камеры, где 1 – ТЕР-фотокатод; 2 – поток электронов; 3 вакуумированный объем; 4 – матрица ПЗС; 5 видеоусилитель; 6 – жидкокристаллический (ЖК) ТВ-монитор. Разработана ТВ-камера с форматом 2/3 дюйма, числом пикселей 768х244, при частоте кадров 60 Гц. Предельная разрешающая способность ТВ-камеры составляет 45 штр/мм. При работе ТВ-камеры в течение 12000 часов чувствительность фотокатода падает на 50%. ТВ-камера допускает режим стробирования. Это позволяет использовать ее совместно с импульсным лазерным осветителем, генерирующим на длине волны 1,54 мкм, в качестве активно-импульсной ТВ-системы. При этом время фронта и среза импульса строба не превышает 50 нс. При напряжении 2 кВ коэффициент усиления камеры свыше 150. В ТВ-камере отсутствуют обычные для ЭОП III поколения микроканальная пластина и волоконно-оптические детали, снижающие качество изображения. Габариты ТВ-камеры не превышают Ж50х15 мм. Видеосигнал с выхода матрицы ПЗС (4) усиливается в видеоусилителе (5) и поступает в ЖК ТВ-монитор (6), на экране которого создается ТВ-изображение.
Следующим вариантом ТВ-системы, работающей в области спектра 1 – 1,8 мкм, является ТВ-камера на базе ИК-видикона. В частности, фирма Hamamatsu (Япония) разработала малогабаритную ТВ-камеру R5509 [14]. Ее спектральная чувствительность представлена на рис. 7 (кривая 1). Здесь же представлена кривая 2 спектральной чувствительности аналогичной ТВ-камеры (модель 7869) НПО “Электрон” [15]. ТВ-камера выполнена на базе ИК-видикона с мишенью на основе PbO/PbS (или Pb-O-S) с разрешением 600 ТВ-линий при размере рабочей площадки мишени 9,5х12,7 мм. В США фирма Optical Systems Inc. разработала ТВ-камеру (модель Find-R-Scope 85400/95345) (фото 4), работающую в области спектра до 2,2 мкм [16]. ТВ-камера имеет массу 1,587 кг, габариты 305х89х114 мм, разрешение 550 ТВ-линий, потребление по току 1,3 А при напряжении питания =24 В [14]. ТВ-камера, кроме эффективного наблюдения при пониженной прозрачности атмосферы, допускает визуализацию излучения лазерных дальномеров на длинах волн 1,06, 1,55, 1,7 и 2,1 мкм. Это не обеспечивается другими указанными выше средствами. Кривые 3, 4 спектральной чувствительности ТВ-камеры даны на рис. 7. Однако все эти ТВ-камеры обеспечивают работу только в лунную ночь и в сумерках. Их общим недостатком является наличие вакуумированного объема.
В связи с этим наибольший интерес представляет ТВ-камера с использованием матричного фотоприемника на базе InGaAs c числом элементов 640х480 [17]. Фирма Emerging IR Technology (США) создала такую ТВ-камеру (модель SU320-1,7RT) с энергопотреблением менее 0,1 Вт. ТВ-камера работает в области спектра 0,9 – 1,7 или 0,9 – 2,0 мкм [12]. Габариты камеры не превышают 158х103х103 мм. Ее обнаружительная способность составляет свыше 1012 Вт-1Гц1/2см. Однако для обеспечения преимущества ТВ-камеры по сравнению с ЭОП III поколения ее чувствительность должна быть свыше 1014 Вт-1Гц1/2см. Для реализации такой чувствительности необходимо термоэлектрическое охлаждение до температуры порядка 230 – 250 К. Однако в настоящее время активно продолжаются работы по снижению уровня темнового тока и повышению чувствительности ТВ-камеры. Динамика этих работ позволяет рассчитывать на достижения в ближайшее время указанной чувствительности без необходимости применения охлаждения. Кривая спектральной чувствительности ТВ-камеры дана на рис. 8, а ее внешний вид – на фото 5. Поскольку размер пикселя матричного фотоприемника составляет 25х25 мкм, а в промышленных ТВ-камерах на матрицах ПЗС этот размер достигает 7х7 мкм [17], то в США ведутся работы по созданию гиперспектральных ТВ-детекторов. При этом в одном чипе предполагается совмещение ИК-матрицы и матрицы видимого диапазона [17]. Такие системы работают в различных спектральных диапазонах, варьируя которыми, можно выделять по спектру разнообразные объекты.
Как известно, тепловизионные приборы можно охарактеризовать с помощью такого параметра, как NETD. Современные тепловизионные приборы на основе фокальных матриц HgCdTe и InSb имеют значения NETD порядка 0,01 0С [12]. Однако имеется целый ряд применений, где требуется значительно меньшая чувствительность, но важнее малые масса, габариты и меньшая стоимость. К таким применениям относится наблюдение нагретых объектов, как на поле боя, так и в промышленных условиях. Для камер на основе InGaAs в области спектра 0,9 – 1,7 мкм имеем NETD порядка 1 0С [10]. Этого достаточно для наблюдения многих теплоизлучающих объектов. Примером такой камеры может служить модель Merlin-NEAR (фото 6) фирмы Indigo Systems (США), работающей в области спектра 0,9 – 1,68 мкм. Она имеет размер элемента 30х30 мкм, поле обзора 22х160 или 11х80, массу 1,6 кг, габариты 102х114х203 мм. Камера может обеспечивать измерение температур в диапазоне от 250 до 2000 0С [12]. Стоимость камер на основе InGaAs не превышает $10 – 15 тыс., и ожидается снижение их цены до уровня $5 тыс. Вместе с тем эксплуатация таких камер не сложнее, чем бытовой видеокамеры.
В таких камерах используется ТВ-монитор того же типа, что и электронный визир в бытовых видеокамерах. Однако за последние годы достигнуты значительные успехи в области создания жидкокристаллических ТВ-мониторов. Поэтому идеология таких камер допускает создание полностью твердотельного преобразователя изображения (рис. 9), содержащего фотоприемную матрицу (1), блок электронной обработки (2) и ЖК-индикатор (3). В качестве последнего может быть использована модель миниатюрного ЖК-индикатора ProCam 1 фирмыRockwell Science Center (США) с числом пикселей 1936х1088, имеющая энергопотребление не более 0,18 Вт при питании от =1,5 В и динамический диапазон свыше 63 дБ [18]. Аналогичные параметры имеют и жидкокрисаллические ТВ-индикаторы военного назначения [19]. Блок электронный обработки обеспечивает синхронное управление матрицами фотоприемников и ЖК-индикатора, а также обработку изображения в реальном масштабе времени.
Таким образом, перспективы создания новых поколений ПНВ связаны с использованием полностью твердотельных преобразователей изображения, работающих в области спектра 0,9 – 2 мкм, обеспечивающих наблюдение в широком диапазоне внешних условий и новые функции, отсутствующие у ПНВ на базе ЭОП. Литература
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
