Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.
 

История развития тепловидения

Статья является частью публикации «Всё о тепловидении»

Сначала уточним: Тепловидение представляет собой средства дистанционного измерения температуры и средства получения изображения по этим измерениям.

Первые тепловизоры являются почти ровесниками обычных телевизоров. Имеются данные об использовании тепловизоров в ходе Второй мировой войны. Но вряд ли можно назвать тепловизоры той эпохи полноценными устройствами в своем роде, равно как сами телевизоры тех времен. С помощью «доисторических» тепловизионных систем можно было получить разве что статические изображения. Показательный пример – первые случаи аэрофотосъемки в ИК-лучах.

В принципе, первые устройства представляли собой некие импровизации в стиле обыкновенных пленочных фотокамер. Отличие заключалось в чувствительной к ИК-лучам пленке и объективе, который способен не только пропускать инфракрасные лучи но и преломлять их для фокусировки. Со временем изобрели соответствующие материалы, к примеру, металлический германий и селенид цинка. Поскольку изначально разработки велись для военной промышленности, то на расходы никто особо внимания не обращал.

А до применения тепловизионных систем в коммерческих целях было еще очень далеко. Но применение аэрофотосъемки не позволяло получать информацию немедленно, потому что технические характеристики первых таких систем были очень скромными.

Обеспечение постоянной температуры

Главная сложность была в другом. Обеспечение постоянной температуры конструктивных составляющих и самой фотопленки было серьезной проблемой. В итоге фотопленка была «вытеснена» сканирующими линейными. Последовательность оптико-электронных чувствительных элементов, передвигаясь папаллельно сканируемого объекта, формируют его изображение в ИК-диапазоне примерно таким же методом, как и современные сканеры. В дальнейшем произошла маленькая революция в сфере тепловидения – появились системы фронтального обзора (forward looking intra-red, сокращенно - FLIR). Первые тепловизионные системы, сделанные по секретному заказу ВМФ США, сыграли значительную роль в укреплении военного могущества страны: американские корабли смогли обнаруживать вражеские цели в густом тумане без освещения, при сильном дожде и снегопаде.

Но первые разработанные системы применяли тот же принцип сканирования наподобие построчной телевизионной развертки. Значительным прогрессом в разработке систем фронтального обзора стало изобретение матричных тепловизоров, эффективность которых была испытана во время войны во Вьетнаме. Базовым элементом как линейных, так и сканирующих устройств являются фотоэлектрические детекторы, которые реагируют на средние и длинные волны ИК-диапазона. В ходе дальнейшей эволюции до нашего времени «дожили» 2 типа этих детекторов: охлаждаемые и неохлаждаемые микроболометры на полупроводниках.

С точки зрения физики фотоэффект выглядит так: кванты излучения попадают на полупроводник, высвобождая в нем электрические заряды, находившиеся ранее в связанном состоянии. Количество высвобождаемых зарядом прямо пропорционально интенсивности падающего на поверхность сенсора излучения. Потребность в охлаждении датчиков вызвана тем, что под действием ИК-излучения в кристаллической решетке проводника возникают колебания, которые вызывают дополнительное высвобождение электрических зарядов. При этом интенсивность колебаний кристаллической решетки такова, что отличить заряды, выбитые фотонами, от зарядов, выбитых колебаниями, не удается.

Важный момент: допустимы к применению лишь те полупроводниковые материалы, в которых фотоэффект наблюдается только на узком участке длин волн, иначе на конечный результат будут влиять также фотоны видимого спектра и «ближнего» инфракрасного излучения. Подобные материалы носят название «узкозонные полупроводники». А в тепловидении получили применение теллурид ртути и кадмия – HgCdTe и антимонид индия – InSb. В техническом плане последний материал хорошо подходит для изготовления матриц, но диапазон его чувствительности да дает возможности качественно реагировать на «длинные» ИК-лучи. А высокие требования к химической чистоте и редкие компоненты приводят к весьма значительной стоимости устройств на основе InSb.

Детекторы, которые обычно запаяны в вакуумные емкости охлаждаются с помощью жидкого гелия до температуры 80° по Кельвину. Для этой цели применяются охладители, функционирующие по принципу тепловой машины Стирлинга. Можно представить, какие трудности в эксплуатации данных поджидают техников: размеры оборудования, потребность в организации теплоотвода и т.д. Характерным недостатком систем с криогенным охлаждением является «время бездействия» в период установления рабочей температуры при включении, которое составляет несколько минут. Хотя качество распознавания деталей в таких системах очень высокое.

Работая при температуре окружающей среды или при небольшой температурной коррекции, реализуемой аппаратным путем, неохлаждаемые матрицы проигрывают своим криогенным братьям в чувствительности. При этом применяется следующий принцип, при котором происходит фиксация электрических свойств материала в зависимости от падающей на его поверхность тепловой энергии. А возникающие относительно текущего волнового шума изменения регистрируются. Следовательно, в охлаждаемых приборах уровень паразитных шумов намного ниже. На чувствительность и уровень шума неохлаждаемых датчиков в значительной мере влияют удельная теплопроводимость и теплоемкость материала.

Теплоемкость представляет собой некий камень преткновения. Для обеспечения достаточной скорости реакции сенсора она должна иметь низкий уровень. Но в то же время при снижении удельной теплоемкости элемент становится чувствительным к малейшим изменениям температуры – сильно увеличивается уровень шума. А кроме технических нюансов есть еще и рыночные. При теперешнем уровне цен продажи охлаждаемых систем можно считать разовыми. Неохлаждаемые системы широко применяются в различных областях, их производство приносит постоянную прибыль, в частности, с того времени, когда появились портативные телевизионные приборы. А на сегодняшний день размеры этих приборов сопоставимы с размерами бытовых видеокамер наблюдения.

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.