Системы построения изображений в ИК-диапазоне

Принципы электронного сканирования пространственных распределений температуры по одной или двум координатам. Упрощенные схемы тепловизоров, реализующих оптико-механическое и электронное сканирование. Приемники оптического излучения, оптика тепловизоров.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство Образования и Науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО: «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра физики

Реферат:

«Системы построения изображений в ИК-диапазоне»

Проверил: Бахматов Ю.Ф.

профессор каф. физики

Выполнил: Щербаков Е.В.

ст. гр. ТС-03-2 Антипова Е.Ю.

Магнитогорск

2007

Содержание

1. СИСТЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК-ДИАПАЗОНЕ (ТЕПЛОВИЗОРЫ)

2. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

3. ОПТИКА ТЕПЛОВИЗОРОВ

4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. СИСТЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК-ДИАПАЗОНЕ (ТЕПЛОВИЗОРЫ)

тепловизор оптика электронный сканирование

Исследование пространственных распределений температуры по одной или двум координатам требует сканирования поверхности объекта, которое осуществляют либо механически (оптико-механически), либо электронным способом.

В течение второй половины ХХ-го века использование принципа оптико-механического сканирования было одной из основных черт, разделявших системы визуализации в видимом (ближнем ИК) и средневолновом ИК-диапазоне. В оптико-механических устройствах отклонение угла зрения про изводят с помощью колеблющихся или вращающихся оптических элементов (призм и зеркал), что требует их прецизионной механической обработки и сборки. В 1970-90-х годах в коммерческих тепловизорах применяли, в основном, две системы оптико-механического сканирования. Первая система, воплощенная в приборах фирм АОЕМА Infrared Systems (Швеция), использовала вращающиеся во взаимно-перпендикулярных направлениях кремниевые призмы, через которые проходил регистрируемый поток ИК-излучения (кремний обладает высоким коэффициентом преломления в ИК-диапазоне и обеспечивает необходимые углы отклонения оптического луча). Вторая система, в которой сканирование осуществлял ось колеблющимися зеркалами, была запатентована и реализована фирмой Inframetrics (США).

Принцип электронного сканирования был реализован в разработанных в конце ХХ-го века матричных фотодетекторах нового поколения. В англоязычной литературе этот тип фотоприемников называют матрицами, размещаемыми в фокальной плоскости объектива (Foca1 Р1апе Array-FPA). Основными преимуществами матричных систем тепловидения являются отсутствие движущихся механических частей и одновременное визирование сцены всеми чувствительными площадками одновременно. Последнее преимущество, которое, реализовано только в устройствах мгновенного визирования (snapshot), позволяет увеличить время экспозиции каждой чувствительной площадки, Т.е. уменьшить шумы, и обеспечить одновременное наблюдение быстроменяющихся тепловых событий (например, при ТК коррозии тонких алюминиевых листов).

Упрощенные схемы тепловизоров, реализующих оптико-механическое и электронное сканирование приведены на рис. 1. Оптико-механические системы содержат большое количество движущихся деталей, тогда как матричные тепловизоры фактически являются передающими телевизионными системами ИК-диапазона.

Современные матрицы используют как фотонные, так и тепловые ИК-приемники. Наиболее доступны по цене показывающие и измерительные тепловизоры, работающие на неохлаждаемых болометрических (ферроэлектрических) матричных детекторах. Для специальных применений, где требуется высокая частота смены термоизображений, повышенное температурное разрешение или спектральная селективность, разработаны тепловизоры на охлаждаемых матрицах. Наиболее распространены матрицы на основе силицида платины (PtSi), антимонида индия (InSb), тройных соединений (HgCdTe) и так называемых квип-материалов (QWIP), в частности арсенида галлия GaAs.

Тепловизоры являются оптико- электронными приборами, состоящими из:

- ИК-приемника (детектора излучения);

- объектива;

- сканера (кроме матричных тепловизоров);

- устройства охлаждения ИК-приемника (отсутствует в ряде моделей);

- встроенного эталона температуры;

- электронного блока;

- монитора;

- программного продукта. Коммерческие тепловизионные системы также включают:

- систему записи и твердого копирования термограмм;

- систему транспортировки прибора;

- блок питания и/или аккумулятора.

Тепловизоры разного применения обладают различными техническими характеристиками и стоимостью, однако в основе их работы лежат общие физические принципы, рассмотренные ниже.

2. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Приемники, или детекторы излучения, принимающие и преобразующие энергию оптического излучения в энергию других видов, подразделяют на биологические и физические. Среди биологических приемников излучения (ПИ) следует выделить человеческий глаз, который регистрирует видимый свет в диапазоне длин волн от 0,38 до 0,78 мкм и диапазоне яркостей, перекрывающем 11 порядков. После адаптации к темноте глаз воспринимает тепловое изучение объектов, начиная с температуры 450 єС. Таким образом, при соответствующих условиях, человек может «термографировать» перегретые электрические контакты, горячий металл и другие объекты с температурой выше упомянутого порога.

Физические ПИ генерируют электрический сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения, поглощенного их чувствительными площадками. Приёмники ИК-излучения включают:

- чувствительный элемент (элементы);

- входное окно, отделяющее внешнюю среду от замкнутого объёма вокруг чувствительного элемента;

- апертуру, ограничивающую поле зрения (возможно охлаждение и/или термостабилизация апертуры);

- сосуд Дьюара с хладоагентом (возможна система охлаждения на базе термоэлектрических холодильников или микрокомпрессора Стирлинга; некоторые детекторы работают при температуре окружающей среды).

ПИ разделяют на два основных класса: тепловые и фотонные (фотоэлектрические).

Принцип действия тепловых детекторов основан на одном из четырёх явлений:

1) болотометрическом эффекте (изменение электрического сопротивления чувствительного элемента при нагреве поглощенным ИК излучением); 2) термовольтаическом эффекте (выходное напряжение генерируется нагретым спаем разнородным металлов); 3) термопневматическом эффекте (изменение температуры детектора вызывает расширение газового объема); 4) пироэлектрическом эффекте (изменение температуры вызывает модуляцию дипольного момента кристаллического чувствительного элемента).

В фотонных детекторах поглощенные кванты излучения (фотоны) увеличивают число свободных носителей электрического заряда, изменяя электрическое состояние чувствительного элемента. При использовании эффекта фотопроводuмости поглощенное ИК-излучение изменяет электропроводность чувствительного элемента. В рамках фотовольтаuческого эффекта, поглощенное излучение создает электронно-дырочные пары вблизи р-n перехода, генерируя электрический ток. В меньшей степени в детекторах ИКизлучения используют фотоэлектромагнuтный эффект.

Тепловые приемники. Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительного элемента поглощенным тепловым излучением. Исторически болометры были одними из первых видов ИК детекторов, однако их применение в тепловизорах в течение длительного времени сдерживалось их значительной инерционностью. В конце ХХ-го века появились малоинерционные микроболометрические (ферроэлектрические) матрицы, на основе которых были созданы неохлаждаемые матричные тепловизоры, получившие в настоящее время большое распространение.

Пироэлектрические приемники излучения производят из материалов, называемых сегнетоэлектриками, например титаната бария. Эти материалы обладают постоянной электрической поляризацией, являющейся сильной функцией температуры. В течение длительного времени разрабатывали недорогие ИК-тепловизоры на базе пироэлектрических видиконов (пировидиконов), однако в настоящее время они практически полностью вытеснены тепловизорами с матричными детекторами.

Инфракрасные термометры (пирометры) часто используют тепловые приемники на основе термоэлементов, работающих на принципе термоэффекта Зеебека. В качестве материалов для металлических термоэлементов используют сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур, константан, хромель и различные сплавы этих веществ. В полупроводниковых термоэлементах применяют сурьму, кремний, теллур, селен.

Тепловые детекторы имеют плоский характер спектрального хода обнаружительной способности D * Т.е. они являются неселективными и не требуют охлаждения, но сама величина D * при этом значительно хуже, чем у фотонных прием ников (рис. 2).

Фотоэмиссионные детекторы. В этих устройствах поток электронов, создающий электрический ток в первичной цепи, образуется за счет внешнего фотоэффекта, который имеет место на фотокатоде, подверженном воздействию оптического излучения. Максимальная длина волны регистрируемого излучения определяется работой выхода электрона из фотокатода; в частности, для кислородно-серебряно-цезиевого фотокатода она с...