ТЕПЛОВИЗОРЫ НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМОЙ БОЛОМЕТРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ
УДК 681.7.015.2 ТЕПЛОВИЗОРЫ НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМОЙ БОЛОМЕТРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ
© 2009 г. А. С. Хитрик; М. П. Быков; Б. И. Утенков, доктор техн. наук ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург Е-mail: bmp86@mail.ru
Описана гамма тепловизионных приборов на основе неохлаждаемой микроболометрической матрицы (λ = 8–14 мкм). Приведены результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: тепловизор, болометрическая матрица.
Коды OCIS: 220.4830, 110.6820.
Поступила в редакцию 15.06.2009.
Достижения в области создания неохлаждаемых микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в инфракрасном диапазоне спектра (8–14 мкм) позволили создать новый класс тепловизоров с улучшенными характеристиками.
Создание оптических систем с использованием болометрических приемников потребовало применения новых объективов, удовлетворяющих таким требованиям, как
– повышенное качество изображения, соответствующее качеству используемой матрицы;
– предельно возможное относительное отверстие,
– минимальная фоновая засветка матрицы. Проблемы создания светосильных объективов для тепловизионных приборов и рекомендации по их проектированию рассмотрены в [1]. Одним из основных критериев качества объектива является функция передачи модуляции. Размер пятна рассеивания объектива, в котором заключен определенный процент полной энергии излучения, необходимо сопоставить с размерами чувствительной площадки матрицы. При проектировании объектива необходимо учитывать фоновые засветки. Для избежания фоновых засветок на механические детали наносят покрытие, обладающее наибольшим поглощением в области спектра 8–14 мкм. В процессе эксплуатации систем в температурном режиме от минус 40 °С до плюс 55 °С внутри замкнутого объема, где находится болометрический блок, при резком изменении температуры на матрице могут образовываться криоосадки, что резко снижает чувствительность приемника.
Чтобы избежать данного эффекта, весь внутренний объем системы, а также объем между линзами заполнены сухим азотом. Для этого во внутреннем корпусе объектива сделаны отверстия, а на внутренних линзах – фаски.
Особенностью микроканальных систем, работающих в области спектра 8–14 мкм, являются высокие перепады яркости одновременно наблюдаемых фрагментов изображения. Например, радиационный контраст кучевого облака на фоне чистого неба как днем, так и ночью может достигать 100 К. Аналогичная ситуация возникает при визировании цели вблизи линии горизонта, когда в угловом поле системы наблюдаются часть небесной полусферы и наземный ландшафт, который обычно “теплее” небесного.
При чувствительности приемника меньше 0,1 К и наличии ограничения в выходном сигнале (уровнем белого) в электронном узле болометрического блока осуществляется компрессия сигналов с матрицы. Это в свою очередь приводит к уменьшению сигнала на экране монитора. Для обеспечения устойчивого наблюдения изображения цели в этих условиях на мониторе введена оперативная регулировка яркости и контраста изображения наблюдаемого сюжета.
По разработанной методике на “ЛОМО” создана целая гамма тепловизионных приборов различного назначения, в том числе [2–4]
– прицел для обнаружения воздушных целей (рис. 1),
– переносные приборы для обнаружения и распознавания различных целей “Маугли-3” (рис. 2), “Маугли-4” (рис. 3).
Характеристики приборов представлены в таблице.
34 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
Натурные испытания приборов проводились в осенний период 2008 года в следующих условиях:
– температура воздуха 6–11 °С, – метеорологическая дальность видимости – 10 км, – влажность воздуха 80–95%. Качество тепловизионного изображения иллюстрируется на рис. 4. Дальность обнаружения неподвижной ростовой фигуры составила 2,5 км, малоразмерной цели (катер с размерами 3,5×2,5×1 м) – 7 км.
Рис. 3. “Маугли-4”.
Рис. 1. Прицел для обнаружения воздушных целей.
Рис. 2. “Маугли-3”.
Рис. 4. Качество тепловизионного изображения.
Характеристики приборов Характеристика
Угловое поле, град Увеличение, крат Формат матрицы, пиксел Размер пиксела, мкм
Пороговая чувствительность
Система наблюдения Масса прибора, кг Диапазон рабочих температур, °С
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
12×8 1,5
Маугли-4 8×6 2
320×240
4×3 4,5
25 4,5×10–10 Вт/см2
0,05 °С
псевдобинокуляр
1,8 1,8
2,3
– 30…+ 55
Маугли-3 12×9 1,5
30×240 25
4,5×10–10 Вт/см2 0,05 °С
монокуляр 1,5
– 20…+ 40
35
ЛИТЕРАТУРА
1. Лапо Л.М., Совз И.Е., Сокольский М.Н. Светосильные объективы для тепловизионных приборов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 5–10.
2. Совз И.Е., Сокольский М.Н., Хитрик А.С., Чупраков А.М. Тепловизионный прицел на основе матричного болометрического приемника // Сборник статей ЦНИИ “Циклон”. “Оптико-
электронные системы визуализации и обработки оптических изображений”. 2007. С. 60–71.
3. Чупраков А.М., Хитрик А.С., Стырикович Т.В., Борисов В.М., Шустов Н.Ю., Трукшин А.К. Тепловизионный прицел // Патент РФ № 62761. 2006.
4. Хитрик А.С., Стырикович Т.В., Калашникова Н.А., Азаркевич М.С., Быстров В.А., Цирш Е.В. Тепловизионный прицел // Патент РФ № 56752. 2006.
36 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
© 2009 г. А. С. Хитрик; М. П. Быков; Б. И. Утенков, доктор техн. наук ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург Е-mail: bmp86@mail.ru
Описана гамма тепловизионных приборов на основе неохлаждаемой микроболометрической матрицы (λ = 8–14 мкм). Приведены результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: тепловизор, болометрическая матрица.
Коды OCIS: 220.4830, 110.6820.
Поступила в редакцию 15.06.2009.
Достижения в области создания неохлаждаемых микроболометрических матричных фотоприемников, чувствительных в инфракрасном диапазоне спектра (8–14 мкм) позволили создать новый класс тепловизоров с улучшенными характеристиками.
Создание оптических систем с использованием болометрических приемников потребовало применения новых объективов, удовлетворяющих таким требованиям, как
– повышенное качество изображения, соответствующее качеству используемой матрицы;
– предельно возможное относительное отверстие,
– минимальная фоновая засветка матрицы. Проблемы создания светосильных объективов для тепловизионных приборов и рекомендации по их проектированию рассмотрены в [1]. Одним из основных критериев качества объектива является функция передачи модуляции. Размер пятна рассеивания объектива, в котором заключен определенный процент полной энергии излучения, необходимо сопоставить с размерами чувствительной площадки матрицы. При проектировании объектива необходимо учитывать фоновые засветки. Для избежания фоновых засветок на механические детали наносят покрытие, обладающее наибольшим поглощением в области спектра 8–14 мкм. В процессе эксплуатации систем в температурном режиме от минус 40 °С до плюс 55 °С внутри замкнутого объема, где находится болометрический блок, при резком изменении температуры на матрице могут образовываться криоосадки, что резко снижает чувствительность приемника.
Чтобы избежать данного эффекта, весь внутренний объем системы, а также объем между линзами заполнены сухим азотом. Для этого во внутреннем корпусе объектива сделаны отверстия, а на внутренних линзах – фаски.
Особенностью микроканальных систем, работающих в области спектра 8–14 мкм, являются высокие перепады яркости одновременно наблюдаемых фрагментов изображения. Например, радиационный контраст кучевого облака на фоне чистого неба как днем, так и ночью может достигать 100 К. Аналогичная ситуация возникает при визировании цели вблизи линии горизонта, когда в угловом поле системы наблюдаются часть небесной полусферы и наземный ландшафт, который обычно “теплее” небесного.
При чувствительности приемника меньше 0,1 К и наличии ограничения в выходном сигнале (уровнем белого) в электронном узле болометрического блока осуществляется компрессия сигналов с матрицы. Это в свою очередь приводит к уменьшению сигнала на экране монитора. Для обеспечения устойчивого наблюдения изображения цели в этих условиях на мониторе введена оперативная регулировка яркости и контраста изображения наблюдаемого сюжета.
По разработанной методике на “ЛОМО” создана целая гамма тепловизионных приборов различного назначения, в том числе [2–4]
– прицел для обнаружения воздушных целей (рис. 1),
– переносные приборы для обнаружения и распознавания различных целей “Маугли-3” (рис. 2), “Маугли-4” (рис. 3).
Характеристики приборов представлены в таблице.
34 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
Натурные испытания приборов проводились в осенний период 2008 года в следующих условиях:
– температура воздуха 6–11 °С, – метеорологическая дальность видимости – 10 км, – влажность воздуха 80–95%. Качество тепловизионного изображения иллюстрируется на рис. 4. Дальность обнаружения неподвижной ростовой фигуры составила 2,5 км, малоразмерной цели (катер с размерами 3,5×2,5×1 м) – 7 км.
Рис. 3. “Маугли-4”.
Рис. 1. Прицел для обнаружения воздушных целей.
Рис. 2. “Маугли-3”.
Рис. 4. Качество тепловизионного изображения.
Характеристики приборов Характеристика
Угловое поле, град Увеличение, крат Формат матрицы, пиксел Размер пиксела, мкм
Пороговая чувствительность
Система наблюдения Масса прибора, кг Диапазон рабочих температур, °С
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
12×8 1,5
Маугли-4 8×6 2
320×240
4×3 4,5
25 4,5×10–10 Вт/см2
0,05 °С
псевдобинокуляр
1,8 1,8
2,3
– 30…+ 55
Маугли-3 12×9 1,5
30×240 25
4,5×10–10 Вт/см2 0,05 °С
монокуляр 1,5
– 20…+ 40
35
ЛИТЕРАТУРА
1. Лапо Л.М., Совз И.Е., Сокольский М.Н. Светосильные объективы для тепловизионных приборов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 10. С. 5–10.
2. Совз И.Е., Сокольский М.Н., Хитрик А.С., Чупраков А.М. Тепловизионный прицел на основе матричного болометрического приемника // Сборник статей ЦНИИ “Циклон”. “Оптико-
электронные системы визуализации и обработки оптических изображений”. 2007. С. 60–71.
3. Чупраков А.М., Хитрик А.С., Стырикович Т.В., Борисов В.М., Шустов Н.Ю., Трукшин А.К. Тепловизионный прицел // Патент РФ № 62761. 2006.
4. Хитрик А.С., Стырикович Т.В., Калашникова Н.А., Азаркевич М.С., Быстров В.А., Цирш Е.В. Тепловизионный прицел // Патент РФ № 56752. 2006.
36 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009