/
Автор: Криксунов Л.З.
Теги: электротехника инженерия приборостроение военная техника приборы ночного видения
Год: 1975
Текст
•. i
i
<
ПРИБОРЫ
Л. 3. КРИКСУНОВ НОЧНОГО
ВИДЕНИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ТЕХН1КА»
КИЕВ —
1975
Приборы ночного видения. К р и к с у н о в Л. 3.,
«Техшка», 1975, стр. 216
Изложены основы устройства приборов ночного видения,
предназначенных для обзора местности и наблюдения за
различными объектами в ночное время, а также в условиях,
когда визуальная видимость ограничена недостаточной
освещенностью. Рассмотрены принципы устройства и ра-
боты электроннооптических преобразователей, радиомет-
ров, теплопеленгаторов, тепловизоров, получающих все
большее применение в астрономии, научных исследова-
ниях, навигационных устройствах, аппаратуре медицин-
ской и технической диагностики. Приведены методы расче-
та основных параметров приборов ночного видения. Прак-
тическое использование этих методов проиллюстрировано
численными примерами. Рассчитана на инженеров, зани-
мающихся разработкой диагностической аппаратуры и
приборов для наблюдения низкотемпературных или слабо
освещенных объектов, а также может быть полезной
студентам вузов приборостроительной специальности.
Табл. 9, илл. 117, библ. 138.
Рецензент А. И. Вишневский, канд. техн, наук
Редакция литературы по энергетике, электронике, кибер-
нетике и связи
Заведующий редакцией инж. 3. В. Божко
Криксунов Леонид Зиновьевич, докт. техн, наук
приборы ночного ВИДЕНИЯ
Редактор издательства инж. Л. И. Носова
Переплет художника Ю. Н. Филоненко
Художественный редактор В. С. Шапошников
Технический редактор Н. А. Бондарчук
Корректор А. Н. Бондарева .
30407-010
М202(04)-75
© Издательство «Техн1ка», 1975 г.
ВВЕДЕНИЕ
Приборы ночного видения (ПНВ) являются элементами
информационных систем и предназначены для получения
данных о различных объектах в ночное время, или когда
визуальная видимость ограничена недостаточной освещен-
ностью. Действие этих приборов основано на собственном
или отраженном излучении наблюдаемых объектов, в за-
висимости от чего ПНВ делятся на приборы пассивного
и активного типов. По принципу же действия ПНВ клас-
сифицируются на три основные группы: электронноопти-
ческие, термографические и радиотехнические.
В электроннооптических ПНВ невидимое для челове-
ческого глаза изображение местности или объекта на входе
прибора преобразуется в видимое изображение, рассматри-
ваемое на экране. Основу этих приборов составляют элек-
троннооптические преобразователи изображения (ЭОП),
фотокатоды которых имеют максимум спектральной чувст-
вительности в диапазоне 0,7—0,8 мкм, а длинноволновую
границу — около 1,2 мкм. Электроннооптические ПНВ от-
носятся к классу фотоэмиссионных устройств, реагирующих
непосредственно на фотоны излучения. Эти приборы при-
меняются в основном для обнаружения объектов, отражаю-
щих излучение источников подсвета. Последними могут
быть естественные излучатели (Солнце, Луна, звезды)
либо специальные источники оптического излучения, кото-
рые увеличивают естественную освещенность в некоторой
спектральной области, выбираемой в соответствии со спек-
тральной чувствительностью приемника излучения. Изо-
бражение объекта получается за счет различий в отража-
тельной способности элементов объекта и окружающего
его фона, а также вследствие теневых эффектов.
Долгое время электроннооптические ПНВ применялись
только в военной технике — для прицеливания при стрельбе
3
и для вождения транспортных средств в ночных условиях.
После второй мировой войны область применения этих
приборов значительно расширилась. Еще в 1948 г. совет-
ские ученые А. А. Калиняк, В. И. Красовский и В. Б. Ни-
конов впервые применили в астрономии простейший ЭОП и
получили снимки области галактического центра в ин-
фракрасных лучах. В. Т. Лукашеня и В. И. Красовский
разработали ЭОП с контактным фотографированием изо-
бражения и исследовали с его помощью инфракрасный спектр
излучения ночного неба.
Созданные в 1953 г. каскадные электроннооптические
преобразователи имели настолько высокую чувствитель-
ность, что позволяли регистрировать отдельные кванты
света (М. М. Бутслов, Е. К. Завойский, Г. Е. Смолкин).
Каскадные ЭОП с предельным усилением яркости изобра-
жения впервые были применены в астрономии в 1957 г.
Крымской астрофизической обсерваторией. При фотогра-
фировании звездных полей и внегалактических туманнос-
тей было показано, что применение каскадного ЭОП по-
зволяет сократить экспозиции в 10а—103 раз. Результаты
этих работ получили широкий международный резонанс
и послужили толчком к разработке каскадных электрон-
нооптических преобразователей за рубежом и к оснащению
ими во второй половине 60-х годов более 35 астрофизиче-
ских обсерваторий мира.
На основе ЭОП построены различные приборы: для
регистрации быстропротекающих процессов, для исследо-
вания поведения животных (особенно тех, которые активны
в ночное время), а также для спектрометрического исследо-
вания плазмы и общебиологических исследований. Появи-
лась возможность наблюдения в инфракрасных лучах жи-
вых клеток, которые погибали бы под действием видимого
или ультрафиолетового излучения. Таким образом, ЭОП,
долгое время рассматривавшийся лишь как элемент воен-
ной техники, превратился в универсальный инструмент
исследований в различных областях науки и техники.
К электроннооптическим ПНВ простейшего типа от-
носят метаскопы — приборы для обнаружения источников
инфракрасного излучения. Основным элементом метаскопа
является люминофор, чувствительность которого к излу-
чению в инфракрасной области спектра обеспечивается пред-
варительной обработкой ультрафиолетовыми или альфа-
лучами. Излучение объекта концентрируется при помощи
4
оптической системы на люминофоре, который осуществля-
ет преобразование энергии теплового излучения в энергию
видимого света. Объекты, попавшие в поле зрения метаско-
па, фиксируются на его экране в виде светящихся точек,
размеры и яркость которых зависят от интенсивности излу-
чения объектов и их удаленности.
Термографические ПНВ состоят из оптической систе-
мы, приемника излучения, сканирующего устройства, осу-
ществляющего поэлементный просмотр пространства, и
регистрирующей аппаратуры для записи интенсивности
излучения каждого просматриваемого элемента. Собствен-
ное или отраженное излучение элементов объекта или мест-
ности преобразуется в электрические сигналы, пропорцио-
нальные интенсивности излучения, которые в дальнейшем
используются для обнаружения, пеленгации или наблю-
дения заданного объекта.
Простейшим термографическим прибором является ра-
диометр, позволяющий дистанционно измерять интенсив-
ность теплового излучения предметов или фонов. Более
сложные функции выполняет теплопеленгатор, который
служит для обнаружения и пеленгации объектов по их
собственному тепловому излучению. Также, как и радио-
метр, теплопеленгатор не предназначен для визуализации
изображений рассматриваемых предметов, а выполняет
лишь функции обзорной системы. Наиболее сложный тер-
мографический прибор — тепловизор, позволяющий на-
блюдать на экране кинескопа изображения объектов, тем-
пература которых отличается от температуры окружающего
фона.
Развитию термографических ПНВ предшествовало по-
явление приемников излучения, чувствительных в инфра-
красной области электромагнитного спектра. Впервые
теплопеленгация была применена в мировой войне 1914—
1918 гг. Немецкие наблюдательные установки в Остенде
позволяли обнаруживать британские миноносцы на рассто-
янии до 10 км в ночных условиях. Пеленгация кораблей
облегчалась тем, что на полном ходу их трубы раскалялись
докрасна.
В период между первой и второй мировыми войнами
усилились изыскания новых типов приемников излуче-
ния. В 1920 г. был создан фотоэлемент на основе сернис-
того таллия, обработанного кислородом. Длинноволно-
вая граница чувствительности этого фотоэлемента огра-
5
Ничивалась ближней инфракрасной областью спектра, в
связи с чем он применялся только в системах оптической
связи. К концу 30-х годов была отработана технология
производства приемников излучения из сульфида свинца
и обнаружено значительное увеличение их чувствитель-
ности при охлаждении. Это свойство было использовано
при создании фотосопротивлений, охлаждаемых твердой
углекислотой, с длинноволновой границей около 4 мкм.
Сернистосвинцовые фотосопротивления сыграли боль-
шую роль в разработке многочисленных инфракрасных
приборов и в частности теплопеленгаторов, дальность
действия которых была доведена до 25—30 км.
Современные теплопеленгаторы с новейшими типами
приемников излучения (In Sb, Ge : Au, Ge : Hg и др.) вы-
полняют задачи как военного, так и мирного характера.
Их используют для предупреждения столкновений ко-
раблей и самолетов, для наблюдения за движением ко-
раблей при входе в гавани, для обнаружения ночью
посадочных полос на аэродромах, для навигации само-
летов, кораблей и космических летательных аппаратов.
Тепловизоры получили широкое развитие только в по-
следнее десятилетие. Они имеют оптико-механическую
или фотоэлектронную систему сканирования. В теплови-
зорах с оптико-механической системой сканирования
развертка наблюдаемого объекта на элементы произво-
дится оптическими деталями, перемещающимися по
определенному закону. Фотоэлектронная система скани-
рования предусматривает применение телевизионных пе-
редающих трубок, чувствительных к излучению в инфра-
красной области спектра.
Первые образцы телевизионных трубок для теплови-
зоров допускали наблюдение только высокотемператур-
ных объектов (Т>373 К), энергия излучения которых
имеет максимум в коротковолновой области спектра.
Эти трубки в зависимости от материала и конструкции
мишени получили название инфраконов, плумбиконов,
кремнеконов и т. п. В конце шестидесятых годов появи-
лись телевизионные передающие трубки, предназначен-
ные для наблюдения слабоконтрастных объектов, темпе-
ратура которых близка к 273 К, а максимум энергии из-
лучения соответствует окну прозрачности атмосферы 8—
14 мкм. Мишени этих трубок имеют трехслойную струк-
туру. Слой, воспринимающий тепловое излучение наблю-
6
даемого объекта, выполнен из материала с высоким'
коэффициентом поглощения (чернь); второй слой слу-
жит для передачи тепла и обладает высоким коэффици-
ентом теплопроводности (серебро); третий слой пред-
ставляет пироэлектрик — сегнетоэлектрический материал,
на поверхности которого возникает потенциальный рель-
еф, соответствующий невидимому оптическому изображе-
нию объекта на первом слое.
Наряду со сканирующими тепловизорами разработа-
ны несканирующие преобразователи изображения.
К ним относятся эвапорограф, предложенный М. Черни
еще в 1929 г., эджеограф, а также разнообразные твер-
дотельные электролюминесцентные преобразователи, длин-
новолновая граница чувствительности которых простирае-
тся до 4,5 мкм. По разрешающей способности и порого-
вой чувствительности несканирующие преобразователи
изображения уступают тепловизорам с оптико-механи-
ческими и фотоэлектронными системами сканирования.
Тепловизоры успешно применяют в космической техни-
ке для снятия тепловых карт местности, в медицине для об-
наружения злокачественных опухолей на ранних стадиях,
в промышленности для технической диагностики электрон-
ных схем и оборудования, а также в авиации и мореплава-
нии для целей навигаций в ночных условиях и обнаружения
встречно движущихся объектов.
По конструктивным признакам к группе тепловизоров
могут быть отнесены телевизоры, работающие при низком
уровне освещенности. В американской технической литера-
туре они обозначаются буквами LLLTV (Low-Light Level
Television). В этих приборах используются специальные
телевизионные передающие трубки, чувствительные к ин-
фракрасным лучам. Первые образцы таких трубок были соз-
даны во время второй мировой войны и представляли сочле-
нение ЭОП и суперортикона. В 1964 г. появились видико-
ны с вторичной электронной проводимостью, сочлененные
с электроннооптическим преобразователем. Чувствитель-
ность их при низких уровнях освещенности эквивалентна
чувствительности суперортикона.
В докладах А. Н. Абраменко и В. А. Прокофьевой на
Общесоюзном семинаре при ВНИИОФИ в 1970 г. сообща-
лось о применении тепловизоров для фотографирования
астрономических объектов. В качестве передающей труб-
ки использовались высокочувствительные суперортиконы
7
ЛИ-211 и ЛИ-214, сочлененные с каскадным ЭОП, а также
трубка, представляющая сочленение суперортикона и ЭОП
в одной вакуумной колбе.
Радиотехнические ПНВ, находящиеся еще в стадии раз-
работки, основаны на использовании отраженного от объек-
та излучения в диапазоне миллиметровых и субмилли-
метровых волн. Отличительная особенность этих ПНВ —
возможность их работы при любых метеорологических
условиях. Экспериментальные исследования американских
специалистов показали возможность создания всепогодной
аппаратуры для наблюдения в ночных условиях различных
предметов с удовлетворительной степенью разрешения.
ПНВ могут быть также классифицированы по методу
поступления и считывания информации. Различают сле-
дующие методы поступления информации:
одновременный ввод информации от всех элементов поля
обзора с одновременным или последовательным считыва-
нием информации. Например, в электроннооптических ПНВ
считывание информации производится одновременно, а в
тепловизорах, работающих при низких уровнях освещен-
ности,— последовательно;
последовательный ввод информации от различных эле-
ментов поля обзора. Такой метод поступления информации
характерен для термографических ПНВ с единичным при-
емником излучения, размер которого соответствует разре-
шающей способности прибора. Для просмотра всего поля
зрения в этом случае требуется перемещение оси оптиче-
ской системы по двум координатам; считывание информа-
ции также последовательное;
смешанный ввод информации, заключающийся в одно-
временном получении информации от заранее выбранной
группы элементов поля обзора, а затем от последующих
других групп элементов. В этом случае используется груп-
па приемников, расположенных в ряд, длина которого
соответствует размеру одной из сторон поля обзора. Для
просмотра всего поля необходимо перемещение оси опти-
ческой системы лишь по одной координате; считывание
информации также смешанное.
Разработке ПНВ уделяется в настоящее время большое
внимание, так как они расширяют возможности человече-
ского глаза, делая для него доступной область спектра от
рентгеновских лучей до радиоволн миллиметрового диапа-
зона.
Глава 1
ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Электроннооптическими преобразователями (ЭОП) на-
зывают электровакуумные приборы, преобразующие изо-
бражение, создаваемое на фотокатоде рентгеновскими,
ультрафиолетовыми, видимыми или инфракрасными луча-
ми, в электронное видимое изображение на флюоресци-
рующем экране. Целью такого преобразования является
усиление яркости изображения, перенос изображения из
одной спектральной области в другую, либо из одной пло-
скости в другую.
Схема простейшего ЭОП изображена на рис. 1. Он пред-
ставляет собой стеклянный сосуд, вакуумированный до
давления 1 • 10-3—1,5 • 10“4 Па для беспрепятственного
движения электронов. На одной стороне сосуда сделан
полупрозрачный фотокатод, а на другой — флюоресциру-
ющий экран. Между экраном и фотокатодом создается раз-
ность потенциалов порядка 10—15 кВ.
Объектив создает на полупрозрачном фотокатоде види-
мое или невидимое изображение объекта. Лучи, пройдя
толщу катода, выбивают электроны из поверхности фото-
слоя, обращенной к аноду. Число эмиттируемых электро-
нов каждой точки фотокатода пропорционально ее осве-
щенности. В момент выхода электронов из какой-либо точки
катода скорости их направлены во все стороны; благода-
ря же ускоряющему электрическому полю, находящемуся
непосредственно за катодом, электроны стягиваются в узкий
пучок, который приходит к экрану в точку, лежащую
напротив точки выхода.
Бомбардировка электронами экрана вызывает свечение
флюоресцирующего вещества и появление на экране ви-
димого глазом перевернутого изображения наблюдаемого
объекта. Отношение линейного размера изображения на
»
экране к линейному размеру изображения на фотокатоде
называется электроннооптическим увеличением ЭОП и
обозначается Га. Так как энергия электронов приблизи-
тельно пропорциональна приложенному ускоряющему на-
пряжению, яркость изображения на экране увеличивается
вместе с ростом напряжения, что указывает на возмож-
ность работы ЭОП в режиме усилителя яркости.
Рис. 1. Схема простейшего ЭОП:
/ — объект наблюдения; 2 — объектив; 3 — изображение
объекта на фотокатоде; 4 — полупрозрачный фотокатод;
б — стеклянный баллон; 6 — электронное изображение
объекта; 7 — экран.
Изображение, получающееся на экране, менее отчетли-
во, чем изображение объектов, создаваемое объективом
на фотокатоде. Это объясняется тем, что каждая точка
изображения на фотокатоде при переносе на экран преобра-
зуется в небольшое пятно, называемое кружком рассеяния.
Наличие кружка рассеяния объясняется тем, что электро-
ны, вылетающие из какой-либо точки фотокатода, имеют
различные направления начальной скорости. Перемещаясь
в электрическом поле, электроны описывают разные траек-
тории, так что на экране они собираются не в одну точку,
а в небольшой кружок. Дальше всех удалены от оси элект-
роны, вылетевшие из элемента фотокатода цод углом, близ-
ким к 90°, и имеющие наибольшую начальную скорость.
Именно эти электроны ограничивают кружок рассеяния,
диаметр d0 которого определяется формулой
d0 = 4//-^, (1.1)
где I — расстояние между экраном и фотокатодом; Ua —
анодное напряжение, В; (/макс — наибольшая начальная |
энергия электронов, В.
10
Так, например, при I = 20 мм, Ua = 10 000 В и (/макс =
= 1 В диаметр d0 равен 0,8 мм.
Диаметр кружка рассеяния определяет разрешающую
способность ЭОП, под которой понимают число N пар
линий (белой и черной) на 1 мм изображения на экране
черно-белой стандартной миры, различаемых в четырех
направлениях, при максимальной для наблюдения яр-
кости экрана и окулярной оптике достаточного увеличения.
Разрешающая способность ЭОП, линии/мм, зависит
от диаметра кружка рассеяния:
К = (1.2)
а0
Диаметр кружка рассеяния, как следует из формулы
(1.1), можно уменьшить, если увеличить напряжение Ua
и уменьшить расстояние I между экраном и фотокатодом.
Однако при значительном увеличении Ua возникает явле-
ние вырывания электронов электрическим полем, что при-
водит к дополнительной засветке экрана, уменьшающей
контрастность изображения. При уменьшении расстояния
I сверх допустимого значения возможен электрический
пробой воздушного промежутка; кроме того, свечение экра-
на, находящегося на малом расстоянии от фотокатода,
вызывает нежелательную фотоэмиссию, также ведущую
к снижению контрастности изображения на экране. По-
этому для уменьшения размеров кружка рассеяния элек-
тронные пучки фокусируют посредством электростатиче-
ского или магнитного полей *. ЭОП без фокусировки имеет
очень низкую разрешающую способность. Изображение
фотокатода в таком преобразователе переносится на экран
без поворота и без изменения масштаба.
ЭОП с электростатической фокусировкой. Рассмотрим
вначале движение электрона в однородном электрическом
поле. На рис. 2, а изображен конденсатор с достаточно
большими пластинами, так что поле между ними можно
считать однородным. Нижняя пластина имеет положи-
тельный потенциал относительно верхней. Пусть по направ-
лению АВ, параллельному пластинам, движется электрон
* Идея создания электроннооптического преобразователя была вы-
двинута в 1934 г. Холстом [104]. Несколько позднее (1936 г.) Зворыки-
йым В. К. была предложена конструкция преобразователя с электро-
статической фокусировкой электронов [134], а затем Кутерье Ф. и Те-
вес М. С. [89] применили ЭОП с магнитной фокусировкой,
11
'со скоростью u0 и в точке В попадает в поле конденсатора.
В дальнейшем электрон движется по параболе
__ 1 е U х2
У 2 т d ’
где U — разность потенциалов между пластинами конден-
сатора; е и т — заряд и масса электрона соответственно;
d — расстояние между пластинами; о0 — начальная ско-
рость электрона.
Рис. 2. Траектория электрона в однородном элек-
трическом поле (а) и ход светового луча через стек-
лянную призму (б).
По выходе из конденсатора электрон перемещается по
касательной CD к параболе в точке С. Как видно, траекто-
рия электрона в однородном электрическом поле искрив-
ляется ввиду того, что результирующий вектор скорости
электрона, равный сумме векторов начальной скорости
о0 и скорости ve, приобретаемой в электрическом поле,
изменяет свое направление вдоль пути. Электрон стремится
двигаться в направлении, противоположном направлению
электрических силовых линий (перпендикулярно эквипо-
тенциальным поверхностям, являющимся геометрическим
местом точек с одинаковым потенциалом).
Для сравнения на рис. 2, б изображены стеклянная
призма и ход светового луча abed через нее. Легко видеть,
что конденсатор изменяет направление движения электро-
12
на так же, как призма изменяет направление светового лу-
ча. Конденсатор не обладает способностью создавать элект-
роннооптическое изображение, подобно тому, как призма
не может создавать оптическое изображение. Параллель-
но летящие с одинаковой скоростью электроны в плоском
конденсаторе будут двигаться по эквидистантным пара-
болическим траекториям.
Рис. 3. Фокусирующая система из двух коаксиальных кру-
говых цилиндров (а) и ее оптическая аналогия (о).
Так как эквипотенциальные поверхности электрическо-
го поля представляют для электронных лучей преломля-
ющие поверхности, можно, используя специальные элект-
роды, придать этим поверхностям определенную форму и
добиться таким путем фокусировки пучка электронов.
На рис. 3, а показана фокусирующая система, состоя-
щая из двух соосных круговых цилиндров, и обозначены
эквипотенциальные линии со значениями их потенциалов
в процентах относительно потенциала правого цилиндра.
Семейство эквипотенциальных поверхностей поля, соз-
даваемого парой коаксиальных цилиндров, фокусирует
проходящие через него электронные лучи. Если просле-
дить за траекторией ABCD электрона через рассматривае-
мое поле, можно заметить, что до средней плоскости ML
поля, например, в точке В, электрон испытывает действие
электростатической силы F, направленной к оси, в резуль-
тате чего он отклоняется также к оси/ в части поля, правее
плоскости ML, например в точке С, электрон испытывает
действие силы F', направленной от оси, но так как в этой
части поля скорость электрона большая, отклонение его
от оси будет значительно меньше по сравнению с отклоне-
нием к оси слева от плоскости ML.
Таким образом, проходя поле, создаваемое соосными
цилиндрами, электронные лучи будут отклоняться к оси
и пересекать ее. Оптическая аналогия такой электроста-
тической линзы показана на рис. 3, б.
13
Подобными же свойствами изменения траектории элек-
тронов обладает диафрагма с круглым отверстием. Если
между плоскими электродами, расположенными далеко
друг от друга и создающими однородное поле, ввести диа-
фрагму с круглым отверстием, потенциал которой равен
потенциалу левого или правого электрода, однородность
поля в области отверстия нарушится (рис. 4, а). Эквипо-
тенциальные поверхности, которые были плоскими при
Рис. 4. Фокусирующая система в виде
диафрагмы с круглым отверстием (а) и
ее оптическая аналогия (б).
отсутствии диафрагмы, изгибаются и проникают через
отверстие диафрагмы влево или вправо в зависимости
от потенциала диафрагмы. Если потенциал диафрагмы ра-
вен потенциалу левого электрода, электронные лучи, про-
ходя через отверстие диафрагмы, собираются в точку на
оси, аналогично тому, как это имеет место при фокусиров-
ке световых лучей двояковыпуклой линзой (рис. 4, б).
Фокусирующая электростатическая система- ЭОП долж-
на быть широкоугольной (т. е. обладать большим углом
зрения), так как фотокатод, изображение которого необхо-
димо получить, имеет большую поверхность. Это условие
хорошо выполняется иммерсионной линзой, схематически
изображенной на рис. 5, а. Электроны, вылетевшие в раз-
ных направлениях из точки О фотокатода, расположенной
на его оси, стягиваются в узкий пучок и собираются в точке
лежащей на той же оси. Электроны, вылетевшие из
точки М, отстоящей от центра фотокатода на некотором рас-
стоянии, собираются в точке Таким образом, в полости
анода имеется поверхность, близкая к параболоиду враще-
ния, отображающая фотокатод. Пройдя эту поверхность,
электроны расходятся и образуют на экране кружок рас-
14
сеяния больший, чем в центре экрана. Поэтому разрешаю-
щая способность ЭОП падает по мере удаления от центра
экрана к его периферии.
Уменьшить кривизну изображения можно, придав ка-
тоду сферическую форму, но при этом возникает трудность
фокусировки светового изображения на сферическую по-
верхность, так как изображение, создаваемое обычными
объективами, уже имеет кривизну, противоположную по
Рис< 5. Схематическое изображение иммерсионной линзы (а) и трех-
электродной фокусирующей системы (б).
знаку кривизне фотокатода. В двухэлектродных ЭОП с
электростатической фокусировкой невозможно получить
равномерное разрешение по всему полю зрения без значи-
тельного увеличения кривизны фотокатода и экрана.
Диаметр кружка рассеяния ЭОП с иммерсионной лин-
зой рассчитывается по формуле [3]
d0=l,2-^. (1.3)
Масштаб изображения можно варьировать в широких пре-
делах изменением величин DK, Da, LK и La, показанных на
рис. 5, а.
Для повышения разрешающей способности ЭОП при-
меняют трехэлектродную фокусирующую систему
(рис. 5, б). Изменяя потенциал правого электрода, можно
регулировать диаметр кружка рассеяния в различных
точках экрана. Его можно сделать меньшим в центре, но
большим на краях экрана, либо наоборот; при этом разре-
шающая способность распределяется по экрану более рав-
номерно.
На рис. 6 приведена схема ЭОП с трехэлектродной фоку-
сирующей системой, имеющего такие параметры: макси-
мальный диаметр 80 мм, длина 160 мм, полное напряжение
15
18 кВ, диаметр экрана 50 мм, разрешающая способность
порядка 30 линий/мм. Недостаток ЭОП с электростатиче-
ской фокусировкой — наличие подушкообразного искаже-
ния (рис. 7), обусловленного большим увеличением у кра-
ев, чем в центре. Этот недостаток иногда устраняют, приме-
няя трубки большего диаметра с использованием только
небольшой центральной части экрана.
Рис. 6. Схема ЭОП с трехэлектродной фокусиру-
ющей системой:
/ изображение, создаваемое объективом; 2 — полу-
прозрачный фотокатод; 3— электронный пучок; 4 —,
стеклянный баллон; 5 — электрод; 6 — держатель; 7 —
анод; 8 — экран; 9 — электронное изображение; 10 —
люминесцирующий слой; 11 — алюминиевая фольга;
12 — стеклянная стенка; 13 контактирующее по-
крытие.
ЭОП с магнитной фокусировкой. Рассмотрим поведение
электрона в однородном магнитном поле. Сила F, дейст-
вующая на электрон в магнитном поле, пропорциональна
скорости v электрона, напряженности Н магнитного поля
и зависит от угла а между векторами v и Н:
F = —vH sin а,
С
(1.4)
где е — заряд электрона; с — скорость света в вакууме.
Если направление скорости электрона совпадает с на-
правлением вектора напряженности магнитного поля, оно
не оказывает на электрон никакого воздействия, так как
а = 0. Сила F направлена перпендикулярно направлению
векторов v и Н, поэтому она не может изменить величину
скорости электрона, а изменяет только ее направление.
Отсюда следует, что магнитное поле не ускоряет и не за-
16
медляет движение электронов, а только искривляет их
траекторию.
Предположим, что электрон с начальной скоростью
попадает в магнитное поле, и направление этой скорости
составляет угол а с направлением магнитных силовых
линий (рис. 8, а). Так как величины v0 и Н постоянны, сила
F, действующая на электрон, и кривизна траектории, обус-
ловленная этой силой, тоже неизменны, т. е. электрон
будет двигаться в плоскос-
ти, перпендикулярной на-
правлению магнитных си-
ловых линий, по окруж-
ности (рис. 8, б). Радиус 7?э
этой окружности определя-
ют из равенства силы F
центробежной силе:
е mVQ sin2 а
— VnH sin а =------n-----,
с 0 7?э ’
откуда
г, cm vn
R3 ---------г?- sm a.
3 e H
(1.5)
s
S'
3
Г
,strHr
Рис. 7. Подушкообразная дистор-
сия изображения на экране ЭОП.
...л ........................................., .
у. W g r- *?.
Из формулы (1.5) следует, что электроны, имеющие различ-
ные скорости, будут перемещаться по окружности разных
радиусов, однако время одного оборота у всех электронов
будет одинаковым. В самом деле, время Тэ, необходимое
электрону для того, чтобы совершить один оборот, опреде-
ляется выражением
Т
3 q, sin а
2лст
~1Й~
в которое не входит величина начальной скорости элек*
трона.
Обратимся вновь к рис. 8, а. Так как составляющая
о0 cos а скорости движения электрона совпадает с направ-
лением магнитных силовых линий (угол между векторами
v0 cos а и Н равен нулю), то электрон будет перемещаться
вдоль направления линий магнитного поля. За время одно-
го оборота электрон перенесется на расстояние
L = T3v0 cos а = —о0 cos а. (1.6}
Электроны, двигаясь по окружности в плоскости, перпен-
дикулярной магнитным силовым линиям, будут одновре-
менно перемещаться вдоль силовых линий, т. е. описывать
в пространстве винтовую траекторию.
Если бы все электроны имели одинаковую продольную
составляющую скорости, то, выйдя в определенный момент
из точки Л, они через некоторый промежуток времени при-
Рис. 8. Траектория электрона в однородном магнитном поле:
а — в плоскости силовых линий; б — в плоскости, перпендикуляр-
ной силовым линиям; / — обмотка; 2 — магнитные силовые линии;
3 — траектория электрона; 4 — вектор напряженности магнитного
поля.
.шли бы все в точку а. В этом и заключается фокусирующее
.действие магнитного поля с круговой симметрией на пучок
электронов — явление, впервые описанное Бушем [87].
Так как в пучке электронов не все электроны имеют одина-
ковую продольную составляющую начальной скорости, то
электроны, вылетающие из одной точки фотокатода, соби-
раются не в одну точку, а в кружок рассеяния, диаметр
которого
d0 = 2/-^-. (1.7)
Если принять I = 100 мм и Uя = 2 104 В, то получим:
для кислородно-цезиевого фотокатода (С/Макс = 0,3 эВ)
d0 = 3 • 10-3 мм; для сурьмяно-цезиевого (t/MaKC = 1 эВ)
,d0 10~2 мм; для многощелочного фотокатода (£/макс =
= 0,6 эВ) d0= 6 • 10-3 мм, что в сотни раз меньше, чем
при электростатической фокусировке 18].
Простейшую магнитную линзу выполняют в виде по-
стоянного магнита кольцевой формы, и хотя при этом нель-
зя получить значительную напряженность поля, величина
последней является стабильной.
18
Обычно применяются короткие магнитные линзы, воз-
действующие на электронный луч на небольшом участке.
Их устанавливают вблизи фотокатода так, чтобы силовые
линии магнитного поля были направлены по возможности
перпендикулярно плоскости фотокатода.
Электромагнитные линзы дают возможность получать
поля большой интенсивности, но при этом предъявляются
жесткие требования к постоянству тока в обмотках.
/ — фотокатод; 2 — магнитные силовые линии; 3 — фокусиру-
ющая катушка; 4 — стеклянный баллон; 5 — ускоряющий элек-
трод; 6 — экран; 7 — эквипотенциальные лиинн; 8 — изобра-
жение тест-объекта на фотокатоде; 9 — изображение тест-объ-
екта на экране.
фокусирующей
линзой:
Схема ЭОП с электромагнитной фокусирующей линзой-
показана на рис. 9.
Так как магнитное поле может изменять только на-
правление движения электронов, а не их энергию, то в.
ЭОП с магнитной линзой должно быть предусмотрено до-
полнительное ускоряющее поле. Это поле образуется за-
счет ускоряющего электрода, расположенного между фо-
токатодом и анодом. Электроны, эмиттируемые фотокато-
дом, направляются к ускоряющему электроду. Дополни-
тельное поле магнитной линзы фокусирует электронный
пучок и формирует изображение на экране. При недоста-
точно однородном магнитном поле изображение рассмат-
риваемого объекта искажается: появляется S-образная
дисторсия, заключающаяся в повороте изображения отно-
сительно оси симметрии ЭОП.
ЭОП с магнитной фокусировкой позволяет получать,
изображение с достаточно высоким разрешением по всему
полю зрения. Однако большой вес и значительные размеры
фокусирующей системы и блока ее питания ограничивают
19»
области применения таких преобразователей. К числу
недостатков этих приборов относится также поворот изобра-
жения на экране относительно изображения на фотокато-
де, что неудобно для наблюдения несимметричных объектов.
Поворот изображения происходит из-за неоднородности и
непараллельности электрического и магнитного полей.
Особенно большой поворот изображения получается при
использовании для фокусировки короткой магнитной линзы.
Фотокатоды ЭОП. Чувствительность и спектральные
свойства ЭОП определяются его фотокатодом. Различают
интегральную (<р2) и спектральную (<р>.) чувствительность
фотокатода. Отношение величины фототока /ф к величине
светового потока F, падающего от источника типа А (лампа
накаливания, нить которой имеет цветовую температуру
Т = 2854 К), называется интегральной чувствительностью
фотокатода, —:
Отношение величины фототока к величине светового по-
тока, падающего от источника монохроматического излу-
чения длиной волны X, называется спектральной чувстви-
тельностью фотокатода, мкА—
т (лм • мкм)
(1-9)
А
В электроннооптических преобразователях применяют-
ся полупрозрачные фотокатоды. При их изготовлении на
стекло прибора наносят испарением прозрачный слой се-
ребра, поверхность которого оксидируется. Затем на нее
испаряется цезий, иногда вместе с серебром, и производи-
тся термическая обработка. Образовавшийся слой оксида
цезия содержит вкрапленные частицы серебра, равномерно
распределенные в нем, и символически обозначается фор-
мулой Ag — CsO, Ag — Cs. При коэффициенте пропуска-
ния 30—40% толщина фотокатодов 100—200 А.
Для получения чувствительных слоев можно применять
другие щелочные металлы (Na, К, Rb), а также их соедине-
ния с висмутом и сурьмой. Материал слоя и технология
его изготовления определяют спектральные свойства фото-
катода. Зависимость относительной спектральной чувст-
вительности фотокатода от длины волны падающего моно-
20
хроматического излучения называется спектральной ха-
рактеристикой чувствительности фотокатода. На рис. 10
изображены спектральные характеристики различных ти-
пов фотокатодов [22, 70].
Так как эмигрировавшие из катода фотоэлектроны фоку-
сируются в ЭОП электростатическими или магнитными
линзами, для качества полу-
чаемого изображения оказы-
вается важной та энергия, с
которой электроны покидают
фотокатод. Величина этой
энергии определяется урав-
нением Эйнштейна:
— hv— еА, (1.10)
где т, е — масса и заряд
электрона соответственно; h—
постоянная Планка; v — час-
тота возбуждающего кванта;
А — работа выхода матери-
ала фотокатода; v — скорость
электрона.
Таким образом, энергия
электрона, с которой он поки-
дает фотокатод, равна энер-
гии возбуждающего кванта
Рис. 10. Спектральные характе-
ристики чувствительности фото-
катодов:
1 — сурьмяио-цезиевого; 2 — вис-
муто-цезиевого; 3 — многощелочно-
го; 4 — кислородно-цезиевого.
(hv), за вычетом работы (еЛ), необходимой для преодоления
силы поверхностного натяжения. Из формулы (1.10) сле-
дует, что повышение интенсивности падающего излучения
не увеличивает энергию эмиттируемых электронов, а лишь
вызывает увеличение их числа.
! Статистически усредненное количество электронов Y,
эмиттируемых фотокатодом под действием одного фотона,
называется квантовым выходом фотокатода. Так как один
фотон возбуждает не более одного электрона, а последний
может равновероятно перемещаться как к поверхности фото-
катода, так и внутрь его, то квантовый выход не может быть
больше 0,5.
Отношение величины электронного тока фотокатода
ЭОП к величине электронного тока, возбуждающего экран,
называется коэффициентом усиления по току (k{).
Энергия, с которой электроны покидают фотокатод, за-
висит от длины волны падающего излучения, однако при
21
расчетах ее принимают постоянной и равной 1 эВ. Напом-
ним, что 1 эВ равен энергии, приобретенной электроном
в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциа-
лов 1 В. Из формулы
-^-tnv2 = eU, (1.11)
где U — напряжение ускоряющего поля, можно найти ско-
рость электрона, соответствующую энергии 1 эВ. Приняв
т = 9,1 • 10~28 г, е = 1,602 • 10~19 Кл, U = 1 В, получим
v = У Ж = 1/ 10-192Г 5,93 . 10» м/с.
Гт ' 9,1 • Ю-31
Длина волны %0, при которой hv0 = еА, называется по-
роговой, поскольку при более низких частотах энергия фо-
тона уже недостаточна для выбивания электрона из катода.
he
Пороговая длина волны для фотоэмиссионных
поверхностей лежит в пределах от 0,6 до 1,2 мкм. Наимень-
шее значение работы выхода, а следовательно, наибольшее
значение %0 — У щелочных металлов, в особенности цезия,
а также у смесей щелочных металлов.
Выявление и использование малых фототоков, полу-
чающихся при минимальной (пороговой) освещенности фо-
токатода, ограничиваются термоэлектронной и автоэлект-
ронной эмиссией, током утечки и током положительных
ионов, возникающих из-за наличия в приборе остатков
газов. Благодаря действию указанных факторов экран ра-
ботающего ЭОП светится даже тогда, когда на фотокатод
не попадает внешнее излучение. Яркость -Вф свечения
экрана при отсутствии освещения фотокатода называется
яркостью темнового фона.
Для того чтобы мешающая эмиссия не влияла на резуль-
таты наблюдений слабо освещенных объектов, необходимо
уменьшить темновой ток, т. е. количество электронов, до-
стигающих экрана при отсутствии изображения на фото-
катоде. Рассмотрим способы, с помощью которых это можно
сделать.
Одним из главных способов повышения чувствительнос-
ти фотокатодов является их охлаждение. Хотя фотокатоды
являются полупроводниками, термоэлектронная эмиссия их
описывается формулой
/ = (УфОРе~‘ЙГ, (1.12)
22
где I — ток эмиссии; T — абсолютная температура фото-
катода; D и В — постоянные для данного фотокатода
коэффициенты; оф — площадь фотокатода; k — постоянная
Больцмана.
С уменьшением температуры фотокатода термоэмиссия
резко падает. Так, при охлаждении кислородно-цезиевого
фотокатода до температуры твердой углекислоты (—78° С)
термоэмиссия уменьшается на шесть-семь порядков.
Таблица 1
Параметры фотокатодов ЭОП
Параметры Тип фотокатода
кислород- но-сереб- ряно-цези- евый сурьмяно- цезневый многоще- лочной
Длина волны, соответствующая мак- симуму чувствительности, мкм 0,78—0,82 0,42—0,45 0,52
Длинноволновая граница чувствитель- ности, мкм Интегральная чувствительность, мкА/лм: средняя 1,2—1,5 0,65—0,70 0,90
40 80 200
максимальная 70 120 400
Квантовый выход прн X = к,. средний 0,0045 0,3 0,1
максимальный 0,007 0,4 0,3
Удельное сопротивление, Ом • см 10s—104 10е—107 106—10е
Другой способ заключается в уменьшении напря-
женности Е поля вблизи фотокатода, так как зависимость
тока холодной эмиссии от величины Е описывается выра-
жением, аналогичным формуле (1.12). Наконец, при изго-
товлении ЭОП стремятся уменьшить в колбе остатки газа,
которым она была заполнена перед откачкой. Под дейст-
вием электронов атомы газа ионизируются; положительные
ионы, попадая на катод, вызывают вторичную эмиссию и па-
разитное свечение экрана.
Параметры фотокатодов, применяемых в ЭОП, приведе-
ны в табл. 1.
Катодолюминесцентные экраны ЭОП. Катодолюминес-
центный экран служит для преобразования энергии элек-
тронного луча, падающего на экран, в световую энергию,
обычно в видимой части спектра. Катодолюминесцентный
23
экран в разрезе показан на рис. 11. Электроны, прошед-
шие через тонкую зеркальную алюминиевую пленку, попада-
ют на кристаллы люминофора и отдают им свою энергию.
Это вызывает возбуждение в кристаллах электронов, неко-
торые из которых отдают энергию особым химическим обра-
зованиям — центрам свечения. Через какой-то промежу-
ток времени центры свечения приходят в нормальное энер-
гетическое состояние, излучая при этом энергию в виде
квантов света. Свечение экрана наблюдается со стороны,
противоположной стороне, подвергаемой электронной бом-
бардировке, т. е. сквозь прозрачную для света подложку —
стекло.
Рис. 11. Катодолюминесцентный
экран в разрезе:
I — кристаллы люминофора; 2 —алю-
миниевая пленка; 3 — стеклянная ос-
нова; 4 — падающий электронный пу-
чок; 5 — световые лучи
Характеристики экрана определяются в основном ти-
пом люминофора, однако некоторое влияние на характе-
ристики экрана оказывают способ нанесения люминофора,
его структура, наличие примесей, термическая обработка
и другие факторы. Люминофор должен иметь возможно
более высокий энергетический выход у, который опреде-
ляется как отношение энергии излучения люминофора к
энергии, приносимой на экран электронным'лучом. Энер-
гетический выход современных люминофоров составляет
0,1—0,15.
Один из определяющих параметров экрана — световая
отдача, которая, так же как и энергетический выход, ха-
рактеризует эффективность преобразования энергии элек-
тронного луча в энергию, излучаемую люминофором.
У ЭОП, предназначенных для визуального наблюдения
объектов, световая отдача, лм/Вт,
^=638’Л^-- ,|и’
где у — энергетический выход люминофора; Ку. — относи-
тельная видность глаза; — спектральная интенсивность
излучения экрана.
24
Отношение интегралов в этом выражении определяет
спектральное соответствие излучения экрана чувстви-
тельности глаза. Это отношение равно единице только для
монохроматического излучения с длиной волны X =
= 0,555 мкм, в остальных случаях оно меньше единицы.
При эксплуатации и испытании ЭОП определяют не
световую отдачу, а яркость свечения экрана Bs, равную
силе света, излучаемого 1 ма светящейся поверхности в на-
правлении к наблюдателю. Для того чтобы хорошо разли-
чать детали изображения на экране ЭОП, его яркость
должна быть не менее десятков кд/ма.
Зависимость яркости свечения, кд/ма, экрана от пара-
метров электронного луча выражается таким соотноше-
нием [29]:
В, = У((/а-1/оЛ (II4)
где | — световая отдача люминофора, лм/Вт; / — плотность
тока электронного луча, А/см2; (7а — ускоряющее напря-
жение, В; Uo — минимальное значение ускоряющего на-
пряжения (100—300 В), при котором возникает свечение;
п — показатель степени, значение которого лежит в преде-
лах 1—2,5 для разных люминофоров.
Приведенное соотношение показывает, что для увеличе-
ния яркости свечения экрана целесообразно повышать
ускоряющее напряжение, оставляя плотность тока элек-
тронного луча небольшой (10-5—10-4 А/см2). При больших
плотностях тока наступает насыщение яркости, нагревание
и разрушение люминофора.
Важными параметрами ЭОП, особенно при использова-
нии их в приборах наблюдения за движущимися объекта-
ми, являются временнйе параметры. Фотокатоды преобра-
зуют энергию фотонов в энергию электронов за время по-
рядка 10-13 с. Процесс ускорения электронов при движении
их в электрическом поле значительно продолжительнее.
Но наибольшее влияние на быстродействие ЭОП оказывает
люминофор.
Если время разгорания свечения экрана определяется
квантовыми переходами в люминофоре и очень мало
(10~8—10—9 с), то время послесвечения может изменяться от
нескольких микросекунд до нескольких часов и часто ока-
зывается решающим при выборе люминофоров для ЭОП
различного назначения. При использовании ЭОП для
25
единичных моментальных снимков выбирается люминофор
с длительным послесвечением (силикат цинка — виллемит);
в тех случаях, когда на экране ЭОП необходимо наблюдать
последовательность быстро перемещающихся объектов, лю-
минофор изготовляют из сульфида цинка с небольшой
присадкой никеля. Наименьшее время послесвечения — у
люминофоров из оксида цинка, кальция и циркония.
1 — ФС-5; 2 — ФС-1; 3 — ЖЗ-2; 4 — К-67; 5 — К-40.
По времени послесвечения экраны условно делятся на
пять групп: 1) с очень коротким послесвечением (< 10-5 с);
2) с коротким послесвечением (10-5—10“2 с); 3) со средним
послесвечением (10-2—10-1 с); 4) с длительным послесве-
чением (0,1—16 с); 5) с очень длительным послесвечением
(> 16 с). Большинство технических люминофоров имеет
малое время послесвечения (10~6—10-2 с).
Излучение люминофоров является не м'онохроматиче-
ским, так как энергия фотонов, излучаемых центрами све-
чения, различна. Распределение интенсивности излучения
люминофоров по спектру определяется их спектральной
характеристикой (рис. 12). В табл. 2 приведены основные
параметры люминофоров [22].
Люминофоры желто-зеленого свечения применяются для
визуального наблюдения изображения, а фиолетово-сине-
го — для фотографирования изображения или для даль-
нейшей его передачи с помощью телевизионных передаю-
щих трубок.
Разрешающая способность экрана ЭОП зависит от тол-
щины слоя люминофора, величины зерен и их расположения,
а также от технологии изготовления экрана. В ЭОП пре-
26
имущественно используются экраны, получаемые осажде-
нием люминофоров из водной суспейзии. Этот метод поз-
воляет при максимальной светоотдаче экрана в широких
пределах варьировать его цвет свечения и время послесве-
чения.
Таблица 2
Основные параметры люминофоров, используемых
в электроннооптических преобразователях
Марка люми- нофора Цвет свечения Состав люминофора Длина волны в максимуме спектраль- ной харак- теристики, мкм Время после- свечения, с, при спаде яр- кости до 5%
ФС-1 Фиолетово-синий ZnS: Ag 0,45 5 • 10-2
К-72 Фиолетово-синий ZnS : Ag (Ni) 0,45 (3-4) • IO”3
К-40 Желто-зеленый ZnS X ZnSe : Cu 0,55 5 • 10“2
ЖЗ-2 Желто-зеленый ZnS X ZnSe : Ag 0,55 (3—4) • 10“3
К-67 Желто-зеленый ZnS X CdS : Ag 0,55 7 • 10“3
Осажденный на стеклянной пластине слой люминофора
высушивают и покрывают органическим лаком, который
заполняет неровности поверхности пластины. На слой лака
наносят зеркальный слой алюминия испарением в вакууме.
После алюминирования экран нагревают до температуры
400° С и органическая пленка полностью сгорает.
Светоотдача алюминированных экранов почти в два
раза больше, чем неалюминированных, так как излучение
люминофора, направленное внутрь ЭОП, отражается зер-
кальной алюминиевой пленкой. Последняя защищает слой
люминофора от взаимодействия с парами щелочных метал-
лов, возникающих при изготовлении фотокатода ЭОП.
Толщина алюминиевой пленки выбирается равной 0,1—
0,2 мкм; потери энергии электронов в такой пленке при
ускоряющем напряжении 15 кВ не превышают 5%.
Толщина слоя люминофора сильно влияет на его свето-
отдачу. Если толщина слоя меньше глубины проникнове-
ния электронов в экран, то первичные электроны проходят
через слой, не отдавая ему своей энергии (при малой тол-
щине слоя в нем возникают просветы благодаря конечным
размерам кристаллов люминофора). При возрастании
27
толщины слоя величина светового потока, проходящего через
слой стекла к наблюдателю, уменьшается и в конце концов
становится равной нулю из-за рассеяния и поглощения све-
та в слое. Существует оптимальная толщина слоя, при ко-
торой указанный световой поток наибольший. Для вилле-
митового экрана оптимальная толщина слоя составляет
примерно (5 • 10~6 Н/см2).
Параметры ЭОП. Кроме ранее отмеченных параметров
ЭОП (диаметр кружка рассеяния d0, разрешающая спо-
собность N, электроннооптическое увеличение Гэ, инте-
гральная и спектральная <рь чувствительность фотокато-
да, квантовый выход фотокатода Y, коэффициент усиления
по току kt, яркость темного фона Вф, световая отдача £
и энергетический выход у экрана, яркость свечения экра-
на Bs, время послесвечения т), можно назвать еще следую-
щие параметры.
Коэффициент преобразования т] — отношение величины
светового потока, излучаемого экраном, к величине свето-
вого потока, падающего на фотокатод от источника типа А.
Коэффициент преобразования рассчитывается по формуле
т] = n<p2t/ag. (1.15)
Коэффициент усиления яркости (т}В) — отношение вели-
чины яркости экрана к соответствующей величине осве-
щенности фотокатода. Для диффузно излучающих экранов
однокамерных ЭОП
Г|
т)1в = -гг =----7^—
1 э 1 э
для двух- и трехкамерных ЭОП (см. параграф 2) соответ-
ственно
(1.16)
Т)2В — 2 г2 — лф21С/а252^', (l-l^)
1 э\‘ э2
Т)ЗВ = 2 г2 г2 ~ (1-18)
1 эИ э22 эЗ
2. КАСКАДНЫЕ
ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Идея создания каскадного ЭОП на основе оптического
контакта слоя люминофора и фотокатода двух простейших
ЭОП была впервые предложена Арденом в 1936 г. [73]. Эта
28
идея не была сразу реализована из-за низкой эффективнос-
ти фотокатодов и люминофоров. Попытки немецких и аме-
риканских ученых в этом направлении не увенчались успе-
хом и только в пятидесятых годах в СССР, а затем в США
и Англии, были созданы многокаскадные ЭОП с предельным
Рис. 13. Каскадный
(двухкамерный) ЭОП
(а) и слоистая структу-
ра типа «сэндвич» (б);
1 — фотокатод; 2 — фо-
кусирующие электроды;
3 — анод; 4 экран —
фотокатод; 5 экран;
6 — черненный алюмини-
евый слой; 7 — отража-
ющий алюминиевый слой;
8 — люминофор; 9 — под-
ложка; 10 — фотокатод.
S
усилением яркости изображения. Большая заслуга в раз-
работке таких приборов принадлежит советским ученым
М. М. Бутслову, Е. К- Завойскому, А. Г. Плахову и
Г. Е. Смолкину [7].
Каскадный (двухкамерный ) ЭОП (рис. 13, а) выполнен
в виде единого многокамерного электровакуумного прибора,
29
каждая камера которого представляет собой ЭОП. Изо-
бражение между каскадами переносится при помощи слои-
стой структуры типа «сэндвич» (рис. 13, б). На стеклянную
Рис. 14. Двухкаскадный
{трехкамерный) ЭОП:
I — волоконный светопровод
диаметром 25 мм; 2 — фоку-
сирующий электрод; 3 —
анод; 4 — экран — фотока-
тод; 5 ~ экран.
или слюдяную пластину, толщи-
ной 5—10 мкм, нанесены с одной
стороны люминофор, а с другой —
фотокатод. Создаваемый люминофо-
ром световой поток проходит сквозь
подложку и возбуждает фотока-
тод следующего каскада. Комбина-
ция «экран — фотокатод» назы-
вается каскадом усиления, поэтому
ЭОП, изображенный на рис. 13, яв-
ляется однокаскадным, или двухка-
мерным.
Аналогично устроен двухка-
скадный (трехкамерный) ЭОП
(рис. 14). При использовании мно-
гощелочного входного фотокатода
трехкамерные ЭОП имеют коэф-
фициент усиления яркости до 10е
[22]. Для получения высокого ко-
эффициента усиления спектраль-
ные характеристики экрана и
фотокатода (каскада усиления)
должны быть подобраны соответст-
вующим образом. Так, спектраль-
ные характеристики наиболее эф-
фективного сурьмяно-цезиевого фо-
токатода хорошо согласуются со
спектральными характеристиками
экрана из люминофора типа ФС. Их
максимумы чувствительности на-
ходятся в синей области спектра.
Разрешающая способность ка-
скада усиления зависит от диамет-
ра кружка размытия светового пят-
на, образуемого на катодной сто-
роне прозрачной пластины каскада усиления при прохож-
дении через нее света. В свою очередь эта величина опре-
деляется толщиной пластины: чем тоньше пластина, тем
больше разрешающая способность ЭОП.
Контактная оптическая связь между экраном первого
50
ЭОП и фотокатодом второго дает меньшую разрешающую-
способность электронного изображения, чем при визуаль-
ном наблюдении экрана. Такое уменьшение обусловлена
рядом факторов, главные из которых — распространение
света в толще прозрачной мембраны между экраном и фото-
катодом и в толще люминофора. Хотя толщина мембраны
больше толщины люминофора в 1,5 раза, распространение
света в толще мембраны сказывается на снижении разре-
шающей способности ЭОП меньше, чем распространение
света в толще люминофора, так как частицы люминофора
не находятся в плотном оптическом контакте с мембраной.
Разрешающая способность каскадных ЭОП резко изме-
няется в пределах площади фотокатода из-за искривления
поверхности изображения в камерах. Так, если в центре
фотокатода двухкамерного ЭОП разрешающая способность
составляет 18 линий/мм, то на расстоянии 10 мм от центра
фотокатода она уменьшается до 4 линий/мм.
При напряжении на камере, равном 12 кВ, яркость тем-
нового фона экрана каскадного ЭОП с коэффициентом преоб-
разования около 1000 составляет 3 • 10~4—3 • 10-3 кд/м2.
Если напряжение снизить до 10 кВ, яркость темнового
фона значительно уменьшается.
Свечение экрана каскадного ЭОП с коэффициентом пре-
образования порядка 1000 неоднородно. В результате слу-
чайного характера эмиссии фотоэлектронов на экране воз-
никают маленькие «танцующие» по всему полю точки, вы-
зывающие свечение экрана с яркостью около 0,06 кд/м2,
что соответствует плотности светового потока на фотока-
тоде 2 • 10~4 лм/м2. Свечение экрана сильно возрастает
даже при слабом увеличении давления газов в ЭОП.
Наружный диаметр колбы каскадных ЭОП с электро-
статической фокусировкой около 100 мм, а электронно-
оптическое увеличение равно единице. Подушкообразная
дисторсия, присущая электростатическим ЭОП, особенно
значительна в каскадных ЭОП. Чтобы свести к минимуму
подушкообразную дисторсию в ЭОП с диаметром колбы
100 мм, используется лишь центральная площадь экрана
и катода диаметром всего 25 мм.
Для уменьшения разрешающей способности на краю
экрана, снижения дисторсии и уменьшения линейных
размеров каскадных ЭОП применяют магнитную фокуси-
ровку. Магнитное поле образуется соленоидом или по-
стоянным магнитом. Рабочий диаметр фотокатода такого
31
ЭОП порядка 80 мм. Разрешающая способность ЭОП с маг-
нитной фокусировкой примерно такая же, как и в центре
экрана ЭОП с электростатической фокусировкой (20—
25 линий/мм), но более равномерна по всей площади катода.
Коэффициент преобразования для каждой камеры состав-
ляет 40—75.
Диаметр кружка рассеяния для многокамерного ЭОП
с однотипными камерами и магнитной фокусировкой рас-
считывается по формуле [81:
d0 = rW + [(n-l)6np + (nV, (1.19)
где п — число камер; 6К — суммарные аберрации; бэ =
= и 6П = 2А — диаметр кружка светового размытия в
экранах и в каскаде усиления соответственно; N — разре-
шающая способность экрана; А — толщина перегородки
каскада усиления.
Так, для двухкамерного ЭОП с толщиной перегородки
0,01 мм, разрешающей способностью N = 100 линий/мм,
кислородно-цезиевым входным катодом и сурьмяно-цезие-
вым фотокатодом каскада усиления 6К = 6 • 10~3 мм, 6П =
— 0,02 мм, 6Э — 0,01 мм, 62 = 0,03 мм.
Последовательное соединение камер в каскадном ЭОП
может быть осуществлено также при помощи волоконного
светопровода. При таком соединении разрешающая спо-
собность ЭОП не уменьшается в отличие от соединения ка-
мер через прозрачные тонкие мембраны.
На рис. 15 представлена схема двухкамерного рентге-
новского ЭОП с волоконным междукамерным соединением
[291. В обеих камерах для фокусировки электронов приме-
нена симметричная электростатическая система. Катод
первой камеры выполнен в форме эллипсоида вращения;
фокусирующий электрод цилиндрический, а анод имеет
пулеобразную форму и соединен с фокусирующим электро-
дом полупроводниковым покрытием, что значительно сни-
жает шумы ЭОП. Во второй камере установлены плоский
фотокатод, цилиндрический фокусирующий электрод и
пулеобразный анод, соединенный с фокусирующим элек-
тродом полупроводниковым покрытием, а также сфериче-
ский электрод, находящийся под потенциалом катода для
придания электронному пучку необходимой формы. Обе
камеры соединены плоской волокнистой пластиной диа-
метром 31,2 мм и толщиной 4,7 мм. Диаметр волокон плас-
32
тины 22 мкм, коэффициент пропускания света, излучаемого
люминофором, равен 0,50.
Двухкамерный рентгеновский ЭОП с напряжением
62 кВ и результирующим электроннооптическим увели-
чением 1/17 обладает яркостью, в 2,7 • 105 раз большей по
сравнению с яркостью стандартного рентгеновского диагно-
стического экрана.
Рис. 15. Схема двухкамерного рентгеновского ЭОП с волоконным меж-
дукамерным соединением:
/ — изображение на входе; 2 — входной экран и входной фотокатод первой
камеры; 3 — фокусирующий электрод первой камеры; 4 — промежуточное
изображение; 5 — экран первой камеры; 6 — волоконный светопровод; 7 —
электрод, формирующий электронный пучок; 8 — фотокатод второй камеры;
9 — высоковольтное полупроводниковое покрытие первой камеры; 10 — фо-
кусирующий электрод второй камеры; 11 —> высоковольтное покрытие; 12 —
изображение иа выходе ЭОП; 13 «— выходное окно.
Волоконный междукамерный светопровод можно исполь-
зовать для выравнивания разрешающей способности по по-
лю фотокатода, что является важным преимуществом рас-
сматриваемой конструкции ЭОП. При использовании ЭОП
для контактного фотографирования вместо выходного экра-
на устанавливают волоконный светопровод в виде плоско-
вогнутой пластины, обращенной плоской стороной к фото-
пленке. Этот светопровод используется также для полу-
чения одинаковой разрешающей способности по полю
наблюдения. Применение волоконной оптики для соединения
экрана с фотопленкой увеличивает эффективность соедине-
ния по крайней мере в 10 раз по сравнению с линзовой
системой.
Иностранные фирмы Electro-Optical Systems, Rautheon,
RCA, Mullard и др. выпускают трехкамерные ЭОП с воло-
2 5-2
33
конным светопроводом диаметром 25 и 40 мм. На каждую
камеру подается- напряжение 15 кВ, так что общее напряже-
ние на всем приборе составляет 45 кВ. Коэффициент уси-
ления яркости (40—60) • 10®. При использовании таких
ЭОП местность, освещаемая звездами (освещенность 10—5—
10~3 лк), выглядит так же, как и при дневном свете. Раз-
решающая способность ЭОП составляет 20 линий/мм в
Рис. 16. ЭОП со вторичной эмиссией электронов «на про-
стрел»:
1 — входное окно; 2 — фотокатод; 3 — фокусирующая катушка;
4 — тонкопленочные диноды; 5 — внешний делитель напряжения;
6 — флюоресцирующий экран; 7 —. металл; 8 — диэлектрик.
центре и 18 линий/мм по краям изображения. Блок питания
ЭОП состоит из окисно-ртутной батареи напряжением
6,75 В, преобразователя на транзисторах и умножителя
напряжения.
В последние годы разработаны два новых типа ЭОП с
высоким коэффициентом усиления, которые также можно
отнести к каскадным или многокамерным. Первый из них —
ЭОП с использованием вторичной эмиссии «н^ прострел».
В тридцатых годах было высказано предположение, что
при бомбардировке тонкой пленки электронами с высокой
энергией с противоположной стороны пленки можно собрать
вторичные электроны, В 1953 г. эта идея была использова-
на в конструкции нового ЭОП с тонкими динодами для вто-
ричной эмиссии «на прострел», которые крепились на сетке.
Дальнейшее усовершенствование этой конструкции приве-
ло к разработке ЭОП с укрепленными на кольцевых держа-
телях динодами, в котором на изображение объекта не на-
кладывается изображение вспомогательной сетки.
34
ЭОП со вторичной эмиссией электронов «на прострел»
(рис. 16) состоит из входного сурьмяно-цезиевого фотока-
тода, ряда тонких пленочных динодов и экрана из сульфи-
да цинка, активированного серебром [29]. Фотоэлектроны,
ускоренные коаксиальными электрическим и магнитным по-
лями, фокусируются на наружной поверхности первого
динода и вызывают вторичную эмиссию электронов с проти-
воположной стороны динода (коэффициент вторичной эмис-
сии около 6). Вторичные электроны ускоряются и фоку-
сируются на следующем диноде, где повторяется процесс
Рис. 17. Общий вид ЭОП,
в котором используется
вторичная эмиссия элек-
тронов «на прострел».
умножения электронов при сохранении формы изображе-
ния. Электроны с последнего динода фокусируются на
экране. Фокусирующее магнитное поле создается солено-
идом; потенциалы динодов и промежуточных ускоряющих
электродов задаются делителем напряжения, включен-
ным между фотокатодом и экраном.
Диноды выполняют из очень тонкой (десятые доли ми-
крона) пленки окиси алюминия, на которую с одной стороны
нанесен проводящий слой алюминия толщиной 200—300 А,
а с другой — тонкий слой (около 500 А) хлористого калия
или другого диэлектрика, дающего высокую вторичную
эмиссию «на прострел». Диаметр динодов 20—40 мм. Каж-
дый динод такой конструкции дает усиление по току в 6—
8 раз при энергии первичных электронов 4000—5000 эВ.
В каскадном ЭОП с пятью такими динодами достигается уси-
ление по току до 15 000 при общем напряжении 30—40 кВ.
Разрешающая способность ЭОП 25—30 линий/мм.
Конструктивно ЭОП выполнен в виде цилиндрического
элемента из металлокерамики и стекла длиной около 140 мм
и диаметром 76 мм (рис. 17). После 500 ч работы коэффициент
усиления по току уменьшается менее чем на 10%, а паде-
ние чувствительности фотокатода — на 25—40%. Плоско-
параллельная конструкция электродов дает возможность
передавать изображение с малой дисторсией и с небольшим
2*
35
снижением разрешающей способности от центра к краю
фотокатода.
Наиболее важным преимуществом ЭОП является про-
стота технологии изготовления, обусловленная наличием
одного фотокатода, который формируется в вакуумной обо-
лочке с предварительно проверенными динодами и флюорес-
цирующим экраном. К недостаткам ЭОП относятся: не-
сколько большая хроматическая аберрация из-за большей,
чем при фотоэлектронной эмиссии, начальной скорости
вторичных электронов (10 эВ вместо 1 эВ); меньший конт-
раст изображения из-за того, что часть первичных электро-
нов «пролетает» через тонкий динод без значительной поте-
ри энергии и не фокусируется полем последующей каме-
ры; низкая механическая прочность, тонких динодов, боль-
шие вес и потребляемая мощность системы магнитной фо-
кусировки.
Для устранения некоторых из отмеченных недостатков
предложена конструкция ЭОП с динодами из пленок малой
плотности [29]. Основным элементом таких динодов явля-
ется тонкая (300 А) пленка алюминия, закрепленная на
грубой никелевой сетке, имеющей примерно одно отверстие
иа миллиметр и изготовленной из проволоки диаметром
0,13 мм. Сетку монтируют на кольце из нержавеющей стали
диаметром 25 мм. Вторичный эмиттер (КС1) напыляют в
атмосфере инертного газа (аргона), благодаря чему обеспе-
чивается значительная пористость эмиттера (в 10—100 раз
большая, чем при напылении в вакууме).
Внутреннее электрическое поле в пористом диэлектри-
ческом слое позволяет вырвать большую часть всех вторич-
ных электронов, образуемых в процессе ионизации пер-
вичным пучком. Коэффициент вторичной эмиссии значи-
тельно увеличивается по сравнению с динодами из пленок
нормальной плотности. Так как полный кбэффициент
усиления ЭОП пропорционален коэффициенту вторичной
эмиссии в п-й степени, где п — число динодов, то для полу-
чения коэффициента усиления по току свыше 1000 (что не-
обходимо для регистрации единичного фотоэлектрона)
требуется уже не 4—5 каскадов, а 1—2.
Схема ЭОП с динодом из пленки малой плотности и его
внешний вид изображены на рис. 18 и 19. В приборе исполь-
зованы сурьмяно-цезиевый фотокатод, одиночный динод,
управляющая сетка и экран с рабочей поверхностью 6,4 см2.
Фокусировка электронов осуществляется аксиальным маг-
з&
нитным полем. Сетка расположена на расстоянии 5—7 мм
от эмигрирующей поверхности динода. С ростом сеточного
напряжения Uo увеличиваются до определенного предела
напряженность внутреннего электрического поля и коэф-
фициент вторичной эмиссии. При t/c > 250—300 В насту-
пает эффект насыщения и коэффициент вторичной эмиссии
увеличивается мало.
Рис. 19. Общий вид ЭОП с ди-
нодом из пленки малой плотнос-
ти.
Рис. 18. Схема ЭОП с динодом
из пленки малой плотности:
/ — фотокатод; 2 — пленка алюмин
ння; 3 — слой малой плотности;
4 — управляющая сетка; 5 — алю-
минированный экран; 6 — фокуси-
рующая катушка.
У опытных образцов ЭОП получены следующие пара-
метры: коэффициент усиления по току свыше 50, коэф-
фициент преобразования 100, разрешающая способность
15—20 линий/мм. Долговечность динодов малой плот-
ности сравнима, с долговечностью напыленных в ваку-
уме пленок КСГ,. ЭОП со вторичной эмиссией электро-
нов «на прострел» применяются в ядерной физике для
фотографирования траекторий ядерных частиц, в астро-
номии в высокоскоростной фотографии и для наблюде-
ния слабо освещенных объектов.
Второй тип ЭОП с высоким коэффициентом усиления
основан на использовании канальных электронных ум-
ножителей (рис. 20). На пути электронного потока, соз-
дающего электронное изображение, расположен блок па-
раллельных канальных умножителей. Выходной поток элек-
тронов каждого канала возбуждает люминесцентный экран.
^Канальный электронный умножитель представляет со-
бой полую стеклянную трубку, внутренняя поверхность
которой покрыта слоем вещества толщиной несколько
гстрем с высоким сопротивлением. Электрический кон-
37
такте внутренней проводящей поверхностью осуществляе-
тся через проводящую краску, покрывающую торцы каналов.
Разность потенциалов между концами трубки создает одно-
родное аксиальное электрическое поле. Первичные элек-
троны, эмиттированные фотокатодом, попадают в открытый
конец трубки. Если энергия электронов достаточно высока,
внутри канала возникают вторичные электроны, которые
Рис. 20. Схема ЭОП с канальны-
ми электронными умножителями
(а) и схема канального умножи-
теля (б):
/ — падающее излучение; 2 — фото-
катод; • 3 — блок канальных элек-
тронных умножителей; 4 — люминес-
центный экран; 5 — первичный элек-
трон; 6, 9 — электроды; 7 — вторич-
ные электроны; 8 — одиночный канал.
наряду с небольшой поперечной имеют большую продоль-
ную скорость (вдоль оси).
При соответствующем соотношении между диаметром
канала и величиной приложенного к трубке напряжения
вторичные электроны совершают многократные акты
вторичной эмиссии, в результате чего ток на выходе ка-
нального умножителя во много раз превышает ток на его
входе.
Идея создания вторичноэлектронных умножителей с
непрерывным распределением потенциала по слою впервые
реализована в 60-х годах, когда были найдены материалы,
удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к непре-
рывным динодам. В. разработанных советскими учеными
ЭОП применяются канальные умножители, изготовленные
из высокосвинцового стекла типа BiNa-5 и BiNa-6 [27].
Само стекло представляет собой диэлектрик. При нагреве
в атмосфере водорода на его поверхности образуется полу-
проводящая пленка. Коэффициент вторичной эмиссии стек-
ла 3,5—4,0 при энергии первичных электронов 300—400 эВ;
в интервале температур 20—300° С удельное сопротивление
пленки варьируется в пределах 10е—1010 Ом-см.
Многоканальные блоки спекаются из капилляров,
внутренний диаметр каждого из которых 1 мм, а отношение
длины к диаметру 50. Блоки имеют форму правильного
38
шестигранника со стороной 17 мм, количество капилляров
в блоке 110—130. На торцы блоков наносят серебряные
контакты.
В опытных американских образцах канальных умножи-
телей отношение длины к диаметру принимается равным
50—100 при диаметре канала 0,1—0,8 мм. Диаметр блока
составляет 25—30 мм.
Рис. 21. ЭОП с канальными умножителями:
/ — объект наблюдения; 2 — линзовый объектив; 3 — оптическое
изображение; 4 — фотокатод на плосковогнутой стекловолоконной
пластине; 5 — фокусирующий и запирающий электрод; 6 — вы-
ходное изображение; 7 — анод конической формы; 8 — электрод,
сжимающий изображение и устраняющий дисторсию; Р — мнкрока-
нальный умножитель; 10 — люминесцентный экран на плоской
стекловолоконной пластине; 11 — окуляр.
Одна из конструкций ЭОП с канальными умножителями
показана на рис. 21 [1101. Изображение объекта проекти-
руется на плоскую поверхность стекловолоконной пласти-
ны и передается на фотокатод ЭОП. Электронное изобра-
жение на фотокатоде при помощи электронной оптики обо-
рачивается и фокусируется на входе микроканального
умножителя, повышающего в 104 раз интенсивность элек-
тронного изображения. С выхода умножителя электронное
изображение переносится на люминесцентный экран, где
оно рассматривается наблюдателем.
Фокусировка достигается при напряжении на электро-
де 430 В, а запирание при —330 В. Потенциал анода
8 кВ. Прикладывая некоторое напряжение к электроду,
размещенному между микроканальным умножителем и
коническим анодом, можно сжимать изображение и устра-
нять его дисторсию.
Микроканальный электронный умножитель выполнен
в виде шайбы диаметром 30 мм и толщиной 2 мм, составлен-
ной из параллельных канальных умножителей диаметром
55 мкм. К торцам каналов прикладывается напряжение
39
1 кВ. Шайбу располагают на расстоянии 1,5 мм от люми-
несцентного экрана, разность потенциалов между ними
5 кВ.
Колба ЭОП с микроканальным умножителем вписы-
вается в цилиндр диаметром 50 мм при диаметре фотокато-
да 25 мм. Коэффициент усиления яркости равен 1,4 • 105.
Коэффициент усиления по току такой же, как и в трехка-
мерном ЭОП с оптическим контактом.
3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЭОП питаются от специальных высоковольтных источ-
ников, которые в зависимости от назначения преобразова-
теля и условий его работы могут быть выполнены как авто-
номными, так и подключающимися к электрической сети.
Источники питания ЭОП должны быть рассчитаны на высо-
Рис. 22. Принципиальная схема блока питания с электро-
механическим вибратором.
кие напряжения порядка нескольких десятков киловольт
и малые токи (10~8—10-9 А). К таким источникам предъяв-
ляются требования экономичности, безопасности в обраще-
нии и стабильности выходного напряжения при небольших
габаритах и весе.
Наибольшее распространение получили автономные ис-
точники питания ЭОП. В этих источниках постоянный ток
низкого напряжения автономного источника (батареи) пре-
образуется в переменный (пульсирующий) ток, напряжение
40
вибратора В,
Рис. 23. Электроме-
ханический вибра-
тор:
/ — обмотка электро-
магнита; 2 — стойка;
3 — якорь; 4 — пус-
ковые контакты; 5
рабочие контакты;
осгование; 7 — цо-
коль; 8'— металличе-
ский баллон.
которого повышается до необходимого уровня при помощи
трансформатора, а затем выпрямляется. Постоянный ток
преобразуется в переменный при помощи электромеханиче-
ских вибраторов или электронных схем.
Принципиальная электрическая схема блока питания
(рис. 22) состоит из электромеханического вибратора В,
повышающего трансформатора Тр, вы-
прямителя, собранного на кенотронах
Л1, Л2, и других элементов. Схема ра-
ботает следующим образом. Концы пер-
вичной обмотки повышающего трансфор-
матора Тр, соединенные с низковольт-
ным источником постоянного тока, по-
переменно переключаются контактами
вибраторов В. Вследствие этого ток в
первичной обмотке трансформатора из-
меняется по величине и направлению.
В первом приближении можно считать,
что изменение тока происходит не по экс-
поненциальному, а по линейному зако-
ну, так как время, в течение которого
обмотка трансформатора оказывается
подключенной к источнику тока, зна-
чительно меньше постоянной времени
обмотки.
Магнитный поток, создаваемый пер-
вичной обмоткой, также изменяется по
линейному закону, и во вторичной об-
мотке трансформатора индуктируется
э. д. с., почти постоянная по величине
изменяющая знак в момент переключения концов обмотки.
Для упрощения конструкции вибратора первичную об-
мотку повышающего трансформатора выполняют со сред-
ней точкой, соединенной с положительным полюсом источ-
ника тока; отрицательный полюс поочередно подключае-
тся при помощи вибратора к концам обмотки.
Вибратор заключен в металлический баллон (рис. 23)
и состоит из основания, на котором укреплена стойка из
магнитного материала, обмотки электромагнита, якоря,
рабочих и пусковых контактов. Выводы от контактов и
обмотки электромагнита подведены к цоколю.
В исходном состоянии якорь электромагнита находится
в правом крайнем положении, при котором пусковой и
и скачкообразно
41
правый рабочий контакты замкнуты. При включении вибрато-
ра ток идет по двум цепям: через пусковые контакты —
обмотку электромагнита и через правые рабочие контакты —
первичную обмотку повышающего трансформатора.
Под действием электромагнита якорь перебрасывается
в крайнее левое положение, размыкая пусковые и правые
рабочие контакты и замыкая левые рабочие контакты.
Это вызывает соответствующие переключения выводов
первичной обмотки трансформатора. При размыкании пу-
сковых контактов цепь электромагнита вибратора разры-
вается и якорь под действием упругой пружины возвраща-
ется в исходное крайнее правое положение. Вновь замыкаю-
тся пусковые и правые рабочие контакты, переключающие
соответствующим образом концы первичной обмотки транс-
форматора. В дальнейшем описанные процессы многократ-
но повторяются.
Частота колебаний якоря электромагнита зависит от
материала, формы и размеров возвратной пружины и со-
ставляет около 100 Гц. Для предохранения контактов ви-
братора от обгорания служат искрогасящие цепи из рези-
сторов Rl, R2, R3 (рис. 22) и конденсаторов Cl, С2, СЗ,
включаемых параллельно контактам.
Ток вторичной обмотки трансформатора выпрямляется
по однополупериодной схеме, а напряжение удваивается.
Выпрямительная схема может быть собрана как на кено-
тронах с нитью накала, так и на безнакальных кенотронах
типа ЦБК-1. В последних катод активирован цезием, что
обеспечивает малую работу выхода. Безнакальные кено-
троны не требуют дополнительного напряжения для накала,
и поэтому их использование в подобных схемах целесо-
образно.
Для удвоения выпрямленного напряжения служат кон-
денсаторы С4 и С5. В течение полупериода, когда напряже-
ние в точке а вторичной обмотки положительно, ток течет
через кенотрон Л1 и заряжает конденсатор С4 до напряже-
ния U на выводах а—б обмотки трансформатора. В тече-
ние полупериода, когда напряжение положительно в точ-
ке б, напряжения на конденсаторе С4 и на выводах а—б
складываются и ток идет через кенотрон Л2, заряжая кон-
денсатор С5 до напряжения, близкого к 2U.
Величину выпрямленного напряжения регулируют рео-
статом R4, изменяя величину тока через первичную обмот-
ку трансформатора. Резистор R5 предохраняет ЭОП от по-
42
вреждения при кратковременных сильных засветках фото-
катода. В условиях нормальной работы ЭОП падение
напряжения на этом резисторе невелико. При сильных
засветках ток, проходящий через ЭОП, возрастает в сотни
раз, падение напряжения на R5 увеличивается, и к ЭОП
подводится пониженное напряжение, что снижает его
чувствительность. Резистор R6, включенный параллельно
конденсатору С5, способствует быстрому разряду последнего
после выключения блока питания.
Рис. 24. Схема высоковольтного блока питания с двумя триодами,
работающими в режиме ключа (а), и с автогенератором (б).
Рассмотренная схема высоковольтного блока питания
ЭОП имеет ряд недостатков. Безнакальные кенотроны
не обеспечивают получение токов, превосходящих мкА. Они
весьма чувствительны к перегрузкам и при коротком за-
мыкании выходного напряжения выходят из строя. Срок
службы контактов электромеханического вибратора неболь-
шой. Коэффициент полезного действия блока питания не
превышает 50%.
Более совершенна схема, в которой применены без-
накальные кенотроны типа ЦБК-1, а ток в первичной
обмотке высоковольтного трансформатора переключается
двумя полупроводниковыми триодами, работающими в
режиме ключа (рис. 24, а).
В схеме рис. 24, б безнакальные кенотроны заменены
селеновыми выпрямителями, а для преобразования постоян-
ного тока в переменный используется автогенератор с
обратной индуктивной связью, собранный на кристалли-
ческом плоскостном триоде. Трансформатор Тр имеет две
первичные обмотки Win W2. При включении выключате-
ля В напряжение от источника тока подается через цепь
43
эмиттер — коллектор на обмотку W1. Так как потенциал
эмиттера положительный, триод открыт и в цепи W1 воз-
никают колебания, которые вызывают колебания в обмот-
ке W2 положительной обратной связи, индуктивно связан-
ной с обмоткой W1. Благодаря этому в цепи W1 возникают
незатухающие колебания тока, вызывающие появление
э. д. с. в высоковольтной обмотке трансформатора. Выпрям-
ление и удвоение напряжения происходит так же, как и в
ранее рассмотренной схеме.
Рис. 25. Схема полупроводникового блока питания.
Для того чтобы сократить расход энергии низковольт-
ного источника тока, в цепь эмиттер — база вводят конден-
сатор С1, что приводит к работе схемы в режиме преры-
вистой генерации. Благодаря односторонней проводимости
цепи эмиттер — база конденсатор С1 заряжается напряже-
нием обмотки обратной связи W2. Когда напряжение на
конденсаторе достигает значения, соответствующего запи-
ранию триода, колебания срываются. Конденсатор С1 на-
чинает разряжаться на резистор R3, вследствие чего отри-
цательное напряжение на эмиттере уменьшается, и в опре-
деленный момент триод открывается. Схема генерирует
пачки импульсов, период следования которых определяется
временем разряда конденсатора С1 через резистор R3.
В промежутках между пачками импульсов напряжение
на ЭОП поддерживается конденсатором СЗ.
Схема экономичного полупроводникового блока пита-
ния ЭОП, потребляющего мощность около 1 Вт, показана
на рис. 25. Здесь предусмотрено уменьшение влияния из-
44
менений температуры и входного напряжения на величину
выходного напряжения, что достигается стабилизацией
входного напряжения и ключевым режимом работы выход-
ного триода [69]. Блоки питания на кристаллических трио-
дах отличаются малым весом и габаритами, большим к. п. д.
(80—90%) и надежностью в эксплуатации, а срок их служ-
бы исчисляется десятками тысяч часов.
В настоящее время в СССР и за рубежом разработаны
атомные источники высокого напряжения, пригодные для
питания ЭОП [65]. В этих источниках излучение преобра-
зуется в электрическую энергию по способу самозаряжаютце-
гося конденсатора, который состоит из центрального элек-
трода (эмиттера), обладающего 0-излучением, и внешнего
электрода (коллектора), собирающего вылетевшие электро-
ны. Эмиссионные батареи с 0-радиоактивными изотопами
позволяют получать высокие напряжения и отличаются
малым весом, высокой надежностью и большим сроком
службы, исчисляемым годами. Кроме того, они могут
выдерживать очень большие давления, температуры и уско-
рения.
При подключении ЭОП к высоковольтным блокам пи-
тания следует пользоваться специальными разъемами, ис-
ключающими возможность заземления высоковольтного
выхода; последовательно с ЭОП включают высоковольт-
ный резистор (100—200 МОм), который стабилизирует
ЭОП и медленно повышает на нем напряжение при вклю-
чении блока питания.
4. ПРИБОРЫ, ОСНОВАННЫЕ
НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭОП
Приборы наблюдения. Приборы этого класса предна-
значены для дистанционного наблюдения низкотемператур-
ных объектов в ночных условиях или в условиях, когда
визуальная видимость ограничена недостаточным уровнем
освещенности. Основными естественными источниками
подсвета объектов в ночных условиях являются Луна и
звезды. Освещенность ночью изменяется в очень широких
пределах в зависимости от фазы Луны, условий погоды
и времени, истекшего после захода или предшествующего
восходу Солнца,
45
Освещенность предметов и фона, создаваемая Луной,
изменяется нелинейно в течение суток и месяца. Так, на-
пример, освещенность на плоскости, нормальной к направ-
лению падения света, в зависимости от угла восхождения
полной Луны над горизонтом изменяется при ясной погоде
приблизительно от 4 • 10~4 до 4 • 10-1 лк. Кроме того,
коэффициент ослабления освещенности в зависимости от
фазы Луны (относительно освещенности в полнолуние)
изменяется от 1 до 300.
Характерные особенности освещения предметов и мест-
ности лунным светом состоят в следующем: освещенность
изменяется в значительно более широких пределах, чем
освещенность в дневное время; в течение двух-трех дней
до и после полнолуния освещенность уменьшается очень
быстро (более чем в два раза) по сравнению с освещенностью
в полнолуние; восхождение Луны приводит к значительно-
му изменению освещенности в течение ночи; при малых
углах восхождения Луны над горизонтом начинает сказы-
ваться эффект затенения, и освещенность в области тени
близка к нулю; спектральный состав лунного света и сол-
нечного излучения идентичен.
В безлунную ясную ночь главным источником света
становятся звезды, которые создают на Земле освещенность
около 2 • 10~4 лк. Так как направление излучения звезд
вертикально, наземные объекты освещаются сверху и ка-
жутся более яркими при наблюдении с воздуха, чем с Зем-
ли, вследствие затеняющего эффекта крон деревьев, Мак-
симум спектральной интенсивности излучения большин-
ства наиболее ярких звезд находится в диапазоне длин волн
0,5—1 мкм. Эквивалентный световой поток от звезд, падаю-
щий на земную поверхность, составляет 2,4 • 10-6 лм/м2,
или около 3 • 1(Ге Вт/ (м2 • мкм) при монохроматическом
излучении с длиной волны 5,5 мкм.
Облачность может сильно уменьшить освещенность,
создаваемую Луной и звездами, что иллюстрируется гра-
фиком, приведенным на рис. 26. Для увеличения дальности
наблюдения предметов в ночных условиях применяют
прожекторы или какие-либо другие мощные источники
оптического излучения.
Оригинальная конструкция переносного прожектора
разработана в научно-исследовательской лаборатории Пи-
катинского арсенала (США). Основные элементы прожекто-
46
ра: усеченный отражатель 30 X 90 см2, баллон, наполнен-
ный кислородом и порошкообразным алюминием, и устрой-
ство, обеспечивающее подачу и воспламенение компонентов
горючей смеси. Кислород и порошкообразный алюминий
смешивают в специальной камере и подают к форсунке,
расположенной в фокальной плоскости отражателя. Фор-
сунка имеет клапан, устойчивый к воздействию высоких
температур, и устройство для дистанционного воспламене-
ния горючей смеси. Осевая сила света пиротехнического
прожектора достигает 6 • 10е кд, что позволяет читать
Рис. 26. График, показывающий
влияние облачности на освещен-
ность земной поверхности:
1 — ясно, полная Луна; 2 — средняя
облачность, полная Луна; 3 — ясно,
Луны нет; 4 — средняя облачность.
Луны нет; 5 — сильная облачность, Лу-
ны нет (0 соответствует астрономиче-
ским сумеркам).
ночью печатный текст на расстоянии до 800 м. Масса про-
жекторной установки 40 кг.
В последние годы для подсвета объектов начали приме-
нять оптические квантовые генераторы (ОКГ), работающие
в непрерывном и импульсном режимах [2]. Так, в ино-
странной печати сообщается о разработке источника под-
света, выполненного в виде решетки полупроводниковых
ОКГ [94]. Решетка содержит около 1000 диодов из арсенида
галлия, излучающих в ИК-области спектра (X = 0,885 мкм).
Средняя мощность излучения 30—40 Вт, импульсная 1,5—
2 кВт при коэффициенте заполнения импульса 2%. Пита-
ние решетки осуществляется от источника постоянного то-
ка напряжением 140 В, который управляется импульсами
длительностью 2 мкс, следующими с частотой 10 кГц.
Излучение решетки имеет веерообразную форму с углом
расхождения более 45°, но 90% мощности излучается в
угле 44°.
Решетка диодных излучателей более компактна, чем
прожекторы с лампами накаливания или газоразрядными
лампами. Эффективность ее больше, она не требует высоко-
вольтного источника питания и может работать в течение
1000 ч. Единственный ее эксплуатационный недостаток —
47
необходимость охлаждения диодов до температуры
77° С.
Фирма Metuchen (США) применяет подсвет объектов
полупроводниковым ОКТ на арсениде галлия, работающим
в режиме стробирования, благодаря чему устраняется
влияние обратного рассеяния излучения аэрозолями и ча-
стицами пыли, находящимися в воздухе. Система строби-
рования включает ЭОП только в тот момент, когда ожида-
ется приход импульса, отраженного объектом. Для приема
отраженного импульса оператор устанавливает в опреде-
ленном положении ручку временного устройства, которое
регулирует интервалы между импульсами, излучаемыми
ОКГ, и время реакции фотокатода.
Подобный метод наблюдения объектов был впервые
предложен академиком А. А. Лебедевым в 1934 г. Сущность
метода состоит в том, что наблюдаемый объект освещается
короткими световыми импульсами, длительность которых
значительно меньше времени распространения света до
объекта и обратно. Наблюдение ведется при помощи оп-
тического прибора с быстродействующим затвором, откры-
вающимся в такт с посылкой световых импульсов.
Если задержка во времени между посылкой импульса
и моментом открытия затвора равна удвоенному про-
межутку времени, необходимого для прохождения света
до объекта, наблюдатель будет видеть только сам объект
и часть окружающего его пространства. Глубина этого
пространства определяется временем t0 открытого состоя-
ния затвора и длительностью светового импульса. Так, при
t0 = 1 мкс глубина освещаемого пространства не превосхо-
дит 150 м. В таком тонком воздушном слое эффект воздуш-
ной дымки незначителен.
Импульсный метод позволяет увеличить дальность на-
блюдения объектов в тех случаях, когда основной причи-
ной, влияющей на уменьшение дальности, является замут-
ненность атмосферы. Широкое применение этого метода
ограничивалось недостаточной интенсивностью искровых
источников света. С появлением ОКГ перспективы импульс-
ного метода значительно возросли. Излучение ОКГ, отли-
чающееся большой мощностью и монохроматичностью,
может быть послано в требуемом направлении в форме уз-
кого светового пучка с небольшим угловым расхождением.
В состав приборов для наблюдения объектов в ночных
условиях входят: ЭОП с блоком питания, оптическая си-
48
стема и источник подсвета в тех случаях, когда прибор
работает в активном режиме. Остановимся кратко на осо-
бенностях оптических систем приборов наблюдения, глав-
ными элементами которых являются объектив и окуляр.
Объектив прибора служит для построения на фотокато-
де ЭОП изображений наблюдаемых объектов с требуемым
увеличением. В случае, когда объекты находятся на рас-
стояниях, больших «практической бесконечности», фото-
катод совмещается с фокальной плоскостью объектива.
Если же расстояние между рассматриваемыми объектами
и прибором ограничено некоторой величиной L, то фото-
катод смещается за фокальную плоскость на величину
S = , (1.20)
где fo6—фокусное расстояние объектива.
Освещенность Еяз изображения, построенного объекти-
вом, сфокусированным на бесконечность, пропорциональ-
ное
на квадрату его относительного отверстия :
£из =
я-£Обтпр ( поб \
\ /об /
(1-21)
где Еоб — освещенность объектива, создаваемая наблюдае-
мым предметом; тпр — коэффициент пропускания объектива;
<?из — площадь изображения предмета в фокальной плос-
кости объектива.
Из соотношения (1.21) следует, что основное требова-
ние, предъявляемое к объективам приборов ночного виде-
ния ,— большая величина их относительного отверстия.
Кроме того, объективы должны иметь большое фокусное
расстояние, так как при низких уровнях освещенности и
при данном относительном отверстии с увеличением фокус-
ного расстояния значительно повышается возможность
распознавания объектов. Увеличение фокусного расстояния
связано с увеличением размеров аппаратуры и ограниче-
нием поля зрения, поэтому, если поиск объектов имеет та-
кое же важное значение, как и их распознавание, необхо-
димо применять объектив с переменным фокусным расстоя-
нием.
В приборах наблюдения с ЭОП применяются три типа
объективов: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые.
49
Линзовые объективы состоят из нескольких линз, так как
только при этом удается скорректировать основные аберра-
ции при больших относительных отверстиях. Эти объекти-
вы сложны по конструкции, имеют малый коэффициент
пропускания и большой вес.
Основным достоинством зеркальных объективов явля-
-ется высокий коэффициент пропускания и возможность
изготовления объективов большого диаметра (до 500 мм)
лри относительно малом весе.
Рис. 27. Оптическая схема прибора наблюдения с
зеркально-линзовым объективом и окуляром, предназ-
наченными для совместной работы с фотокатодом и
экраном сферической формы.
Для получения изображения высокого качества на сфе-
рической поверхности фотокатода ЭОП применяют специ-
альные зеркальные объективы, имеющие афокальные двух-
линзовые компенсаторы. В качестве примера на рис. 27
изображен зеркально-линзовый объектив. Он имеет фо-
кусное расстояние 150 мм, относительное отверстие 1 : 1,5
и создает высококачественное изображение диаметром
40 мм на фотокатоде с радиусом кривизны 80 мм [53].
Приведем данные еще одного зеркально-линзового
объектива: диаметр 275 мм, фокусное расстояние 185 мм,
угол зрения 40°, разрешающая способность на изображе-
нии 76 линий /мм [138]. Возможности обнаружения и рас-
познавания объекта в ночных условиях могут быть расши-
рены за счет применения объективов с переменным фокусным
расстоянием или, по крайней мере, с двумя фокусными
расстояниями, относящимися как 10 : 1 и более.
Окуляры приборов наблюдения служат для рассматри-
вания с необходимым увеличением изображения на экране
ЭОП. Окуляры работают в видимом свете, поэтому они про-
светляются и корректируются для длины волны X =
= 0,55 мкм. Параметры окуляров: увеличение 4 х —10 х >
фокусное расстояние 40—60 мм, относительное отверстие
1 : (2,5 -ь 1,3), угол зрения 30—40°, Оптическая схема
.60
одного из окуляров, предназначенного для совместной ра-
боты с экраном сферической формы, показана на рис. 27
[53]. Фокусное расстояние окуляра 53 мм, относительное
отверстие 1 : 2,7, увеличение 4,7 х , линейное поле зрения
40 мм. При использовании в приборах наблюдения спе-
циальных объективов и окуляров уменьшается астигма-
тизм изображения, а разрешение по полю получается равно-
мерным.
Рис. 28. Конструктивная схема прибора наблюдения с
однокамерным ЭОП:
] — объект наблюдения; 2 — объектив; 3 — оптическое изобра-
жение объекта; 4 — фотокатод ЭОП; 5 — фокусирующее устрой-
ство; б — анод; 7— электронное изображение объекта; 8 — оку-
ляр; 9 — выходное окно прибора; 10 — низковольтная бата-
рея; 11 — высоковольтный блок питания ЭОП.
Конструктивная схема простейшего прибора наблюде-
ния с однокамерным ЭОП изображена на рис. 28. Излуче-
ние от объекта фокусируется объективом на фотокатоде
ЭОП, образуя невидимое изображение. Электроны фото-
катода, преодолев потенциальный барьер, покидают его
и под действием ускоряющих напряжений Ui и U2 устремля-
ются к аноду — экрану. Электростатическое поле фокуси-
рующего устройства формирует электронное изображение.
Электроны, воздействуя на люминофор экрана, вызывают
его свечение, вследствие чего появляется видимое изобра-
жение объекта. С помощью окуляра рассматривается изо-
бражение объекта. Питается ЭОП от высоковольтного бло-
ка с низковольтной батареей.
По такой схеме выполнены приборы наблюдения с ЭОП
типа CV144 и CV148 английского производства (рис. 29).
Изображение объекта на фотокатоде создается асфери-
ческим объективом (с линзами из пластмассы) в сочетании
с корректирующей пластмассовой линзой. Окуляром слу-
жит простая плоско-выпуклая линза. Поле зрения опти-
ческой системы 25°. Источник питания ЭОП — батарея на-
пряжением 3 кВ — размещена в рукоятке прибора,
61.
К числу последних английских разработок относится
прибор наблюдения, основанный на использовании трех-
камерного ЭОП с волоконным светопроводом. Кроме ЭОП,
прибор содержит объектив, электронный блок питания с
никель-кадмиевой батареей и окуляр. При использовании
Рис. 29. Общий вид прибора на-
блюдения типа CV144:
1 — ЭОП; 2 — лиизы из прозрачной
пластмассы; 3— инфракрасный фильтр;
4 — сухая батарея.
таких приборов местность,
освещаемая звездами (осве-
щенность 10-4 —10“3 лк),
выглядит так же, как и при
дневном свете.
Аналогичные приборы
наблюдения для работы
ночью в пассивном режиме
на дальностях до 1200 м
разработаны в США. Глав-
ный элемент этих прибо-
ров — трехкамерный ЭОП,
в котором камеры соедине-
ны волоконным светопрово-
дом. Фотокатоды кислород-
но-серебряно-цезиевые; на-
пряжение на каждой каме-
ре 15 кВ.
В настоящее время аме-
риканские фирмы выпуска-
ют три типа приборов:
AN/PVS-2 — для наблюде-
ния за местностью, осве-
щаемой звездами. Даль-
ность действия 300—400 м,
угол поля зрения 10,4°, мас-
са 2,5 кг. Прибор обеспе-
чивает четырехкратное оп-
тическое увеличение я может быть использован в качест-
ве переносного устройства для ночного видения.
AN/TVS-2—для прицеливания. Дальность действия
1000 м, угол поля зрения 5,6°, диаметр ЭОП 25 мм, масса
7 кг. Прибор обеспечивает семикратное оптическое увели-
чение и может быть установлен на треноге или смонтирован
на оружии;
AN/TVS-4 (NOD) — для ночного наблюдения. Даль-
ность действия 1200 м, угол поля зрения 9°, диаметр ЭОП
40 мм, масса 17 кг. Прибор обеспечивает семикратное опти-
.52
ческое увеличение и устанавливается на треноге массой око-
ло 2,5 кг.
Все приборы питаются от ртутной батареи напряжени-
ем 6,75 В; срок службы такой батареи 70—100 ч.
При оценке эффективности приборов наблюдения вво-
дится понятие коэффициента усиления яркости т]в, под ко-
торым понимают отношение яркости изображения на экра-
не ЭОП к яркости объекта. Для удаленных предметов и
малых апертурных углов
ni = 0,25 , (,.22)
^9
где тПр, та — коэффициенты пропускания оптической си-
стемы прибора и атмосферы; А — относительное отверстие
объектива, равное отношению его рабочего диаметра к
фокусному расстоянию; А = Доб//об-
Из соотношения (1.22) следует, что усиления яркости
можно достигнуть, увеличивая светосилу объектива, ин-
тегральную чувствительность фотокатода, световую отдачу
экрана и ускоряющее напряжение, а также уменьшая элек-
троннооптическое увеличение.
'Угол поля зрения прибора наблюдения
•ft = 2 arctg , (1.23)
где Dk — рабочий диаметр фотокатода.
Одной из важнейших характеристик электроннооптиче-
ской системы преобразования изображений, определяющих
ее разрешающую способность, является частотно-контраст-
ная характеристика (ЧКХ). Она показывает зависимость
контраста К от пространственной частоты N чередования
темных и светлых линий. С ростом числа линий на 1 мм
возможность их раздельного наблюдения на экране ЭОП
снижается.
ЧКХ можно рассчитать аналитически, но чаще их на-
ходят экспериментальным путем, для чего используется
испытательный объект в виде полосатой миры с переменным
числом полос на единицу длины. С помощью ЧКХ можно
оценить влияние каждого элемента на величину разрешаю-
щей способности прибора наблюдения в целом. Так, на-
пример, из ЧКХ на рис. 30 [57] видно, что разрешаю-
щую способность прибора в наибольшей степени сни-
жают зеркально-линзовый объектив и электронная линза.
63
Суммарная ЧКХ получается перемножением ординат ЧКХ
отдельных элементов. Задаваясь минимально допустимой
величиной контраста, например 0,05, можно графически
определить максимальную величину разрешающей способно-
сти прибора. Для этого следует провести прямую, параллель-
ную оси абсцисс, на уровне, соответствующем величине кон-
траста К = 0,05, и найти абсциссу точки пересечения этой
прямой с суммарной ЧКХ.
Электроннооптические приборы наблюдения рассчитаны
для работы при низких уровнях освещенности. Попадание
в их поле зрения мощных источников излучения приводит
к
0,8
0,6
0,6
0,2
о
Рнс. 30. Частотно-контрастные харак-
теристики отдельных элементов при-
бора наблюдения:
1 — зеркально-линзового объектива; 2—
электронной лннзы; 3 — катодолюминес-
центного экрана; 4 — окуляра; 5 —кисло-
50 100 150 200 л/ линии родно-цезиевого фотокатода.
/V, мм -------------------------------
к засветке, которая вызывает утомление фотокатода, со-
провождающееся снижением его чувствительности. Кроме
того, во время засветки резко возрастает фототок, что при-
водит к выгоранию экрана и выходу из строя ЭОП. Ярко
светящийся экран ослепляет наблюдателя, глаз которого
только через определенное время снова адаптируется для
рассматривания изображения.
Для защиты приборов от засветок применяют оптиче-
ские фильтры, ограничительные сопротивления в цепи пи-
тания ЭОП, механические затворы и диафрагмы. Фильтры
устанавливают большей частью перед объективом; они сре-
зают коротковолновую часть излучения источника засвет-
ки и ослабляют его воздействие на прибор наблюдения.
Одновременно фильтры уменьшают величину потока, от-
раженного наблюдаемым объектом, поэтому их целесооб-
разно применять только в приборах активного типа, рабо-
тающих в режиме подсвета объектов искусственным источ-
ником излучения. В цепь высоковольтного питания ЭОП
вводится сопротивление для ограничения максимальной
величины тока, протекающего через ЭОП во время засвет-
ки. При нормальной работе ЭОП падение напряжения на
ограничительном сопротивлении не должно превышать
2% от нормального напряжения.
Приборы для вождения транспортных средств. Приборы
54
для вождения транспортных средств в ночных условиях
по конструктивным признакам разделяются на прямоточ-
ные (монокулярного или бинокулярного типов) и периско-
пические. Их можно жестко устанавливать на кронштей-
нах машин или крепить на шлеме водителя. Бинокулярный
прибор состоит из двух монокуляров, установленных па-
раллельно друг другу на специальном кронштейне так, что
наблюдатель может подобрать оптимальное расстояние меж-
ду ними и зрачками. Для того чтобы добиться хорошего совпа-
дения изображений, наблюдаемых обоими глазами, преду-
Рис. 31. Перископический на-
шлемный прибор для вождения
транспортных средств.
смотрена возможность пере-
мещения изображений отно-
сительно друг друга. Кроме
того, возможна раздельная
установка на резкость обоих
объективов и окуляров, а так-
же электрическая установка
на резкость ЭОП. В приборе
использован объектив с фо-
кусным расстоянием около
60 мм и окуляр с 8-кратным
увеличением; угол зрения
прибора 25°.
В перископическом на-
шлемном приборе (рис. 31)
два ЭОП расположены под
углом, близким к прямому.
Корпус прибора изготовлен из дюраля, а призмы для откло-
нения лучей — из пластмассы. Как оптическая, так и элект-
рическая установки на резкость могут производиться разде-
льно для обеих половин прибора, причем потенциометр для
электрической установки смонтирован на опоре периско-
пической системы. Два электронных изображения совме-
щают при помощи подвижных кольцевых магнитов, нахо-
дящихся в металлических корпусах, облегающих ЭОП, меж-
ду катодом и главной линзой. На задней стороне шлема
укреплен блок питания ЭОП, который одновременно вы-
полняет роль противовеса.
Для освещения местности перед машиной могут приме-
няться специальные прожекторы, либо осветительные фа-
ры, закрытые инфракрасным фильтром.
Приборы для фотографирования. Приборы для фотогра-
фирования в ночных условиях построены так же, как и
65
Приборы наблюдения. Разница в том, что вместо окуляра
используется второй объектив, переносящий изображение
с экрана ЭОП на фотографическую пленку.
Включенный в качестве промежуточного элемента ЭОП
ухудшает параметры фотокамеры и, в первую очередь, раз-
решающую способность. Поэтому приходится применять
ряд специальных мер для повышения разрешающей спо-
собности ЭОП. Так, применением комбинированной элек-
тростатической и магнитной фокусировки удается повысить
разрешающую способность ЭОП для фотоприборов до
20 линий/мм по всему полю зрения. Эффективным сред-
ством является также переход к импульсному питанию
ЭОП, что повышает градиент поля с 4,5 до 30 кВ/см. При по-
стоянно действующем напряжении на электродах увеличе-
ние напряжения приводит к пробою или к повреждению
люминофора. Использование импульсного напряжения дли-
тельностью (1 — 10) • 10-6 с дает возможность повысить
потенциал пробоя в 5—7 раз, так как в этом случае длитель-
ность импульса сравнима со временем образования пробоя.
Требование геометрического подобия при использовании
в приборах фотографирования ЭОП не выполняется, так как
у последних имеется дисторсия, т. е. непостоянство линейно-
го увеличения по полю зрения. Для устранения дисторсии,
которая особенно заметна у ЭОП с плоским фотокатодом,
необходимо специально корректировать проектирующий и
фотографический объективы.
Несмотря на отмеченные недостатки, приборы фотогра-
фирования с ЭОП широко применяются, особенно при низ-
ких уровнях освещенности объектов, когда обычные и инфра-
хроматические фотоматериалы неэффективны. Усиление
яркости изображения с помощью ЭОП позволяет получить
на пленке достаточную освещенность для фотографирования
с малым временем экспозиции.
В работе [29] приводятся данные двух камер с ЭОП для
фотографирования в ночных условиях. Фокусное расстоя-
ние объектива первой камеры 150 мм, относительное отвер-
стие 1 : 0,75 и угол зрения 20°. Фокусное расстояние объек-
тива второй камеры 75 мм, относительное отверстие
1 : 0,95 и угол зрения 40°. При использовании ЭОП с сурь-
мяно-цезиевым катодом и телескопической системы из двух
объективов с относительным отверстием 1 : 0,75 (для пере-
носа изображения с экрана на пленку фотоаппарата) время
экспозиции при фотографировании в ночных условиях мень-
56
ше 1 с для обеих камер. Угловая разрешающая способность
при наблюдении ярких объектов составляет 0,001 рад, а при
яркости объекта 3 • 10~4 кд/м2 ухудшается до 0,002 рад.
Для переноса оптического изображения с флюоресци-
рующего экрана ЭОП на фотоэмульсию применяются лин-
зовые системы, либо контактный метод; использование
первых связано с большой по-
терей энергии. В самом деле,
если принять схему переноса
изображения, показанную на
рис. 32, и предположить, что
излучение экрана подчиняется Рис> 32- Схема переноса изо-
закону Ламберта и не искажа-
ется при прохождении через прозрачную подложку, то доля
энергии х в изображении г' точки т может быть представ-
лена зависимостью
J Bocos0[i - р (0)]тпр(0) sin еае
X = --------л/2-------------------. (I-24)
j Во cos 0 sin 0d0
о
где Во — яркость излучения точки г экрана по нормали;
р (6) — коэффициент отражения подложки экрана и опти-
ческой системы в зависимости от угла 0; тпр (0) — коэф-
фициент пропускания оптической системы.
Полагая а = 20°, р = 0,1, тпр = 0,75, находим
Л/2
| Во • 0,9 • 0,8 sin 0 cos 0d0
х = ----------------«0,1. (1.25)
J Be sin 0 cos Odf)
о
Как видим, при использовании даже светосильного объ-
ектива теряется около 90% энергии излучения экрана, чем
объясняется стремление к использованию систем с большой
апертурой и высоким коэффициентом пропускания.
При контактном фотографировании фотоэмульсия на-
ходится в оптическом контакте с тонкой стенкой ЭОП, что
приводит к значительному повышению чувствительности
прибора без потери его разрешающей способности. Контакт-
ный метод незаменим, если для фотографирования нужны
высокая чувствительность и повышенная разрешающая
способность. Однако его трудно использовать в тех случаях,
57
метично приклеенную к
Рис. 33. Оконечная часть
ЭОП для контактного фото-
графирования:
1 — корпус ЭОП; 2 — анод; 3—
экран; 4 — фотопленка; 5 — при-
жим.
когда требуется частая смена кадров, например для фото-
графирования быстрых процессов.
На рис. 33 изображена оконечная часть ЭОП для кон-
тактного фотографирования. Экран нанесен на слюдяную
пластину толщиной 10—30 мкм диаметром 10—30 мм, гер-
выходному окну ЭОП. Под дейст-
вием атмосферного давления слю-
дяное окно прогибается внутрь
ЭОП, образуя поверхность ра-
диусом 30—50 мм. Во время
экспозиции фотопленка вплот-
ную прижимается к выходному
окну, так что практически все
фотоны, излучаемые экраном,
достигают эмульсии. П. В. Ще-
гловым предложен иммерсион-
ный способ прижима фотоэмуль-
сии к экрану, заключающийся в
том, что между эмульсией ки-
нопленки и экраном вводится
иммерсионная среда с пока-
зателем преломления, близким к показателю преломления
слюды. В качестве иммерсионной среды используется ва-
зелиновое масло, которое после экспозиции смывают эти-
ловым спиртом [69].
Рабочий диаметр экранов ЭОП, предназначенных для
контактного фотографирования, достигает 10 мм; при этом
может быть зарегистрировано до 200 черно-белых линейных
элементов (например, спектральных линий), или около
30 000 черно-белых точечных элементов. Благодаря этому
такие приборы можно использовать для астроспектроско-
пии, фотографирования планет и двойных звезд, а также
исследования свечения ночного неба.
Высокие качества имеет ЭОП с тонким слюдяным ок-
ном, через которое электроны непосредственно попадают
на ядерную эмульсию, прижатую к слюдяному окну. При
напряжении на электродах ЭОП 50 кВ и толщине слюдяной
пластины 8 мкм на ядерную эмульсию проникает до 75%
электронов, энергия которых превышает 103 эВ, что доста-
точно для возбуждения эмульсии каждым электроном [22].
Одним из недостатков контактного метода фотографи-
рования является то, что прижатые к экрану детали долж-
ны иметь потенциал анода; в противном случае они заря-
58
жаются до этого потенциала через слюдяную подложку
экрана, что ведет к пробою и выходу из строя ЭОП. По-
этому пленку нужно контактировать с экраном при выклю-
ченном высоком напряжении. После экспозиции напряже-
ние необходимо снова выключать и лишь после этого произ-
водить смену пленки.
Эффективный перенос изображения с изотропного излу-
чателя можно обеспечить также при помощи волоконного
светопровода. В этом случае задняя стенка ЭОП является
входной поверхностью пучка волокон, на которую нано-
сится люминофор. Необходимо, чтобы форма этой поверх-
ности соответствовала фокальной поверхности электронной
оптики, что приведет к одинаковой резкости электронного
изображения по всему полю. Выходная же поверхность
пучка волокон может быть выполнена плоской для обеспе-
чения фотоконтакта с эмульсией.
Приборы для медицинской рентгеноскопии и техниче-
ской рентгенодефектоскопии. Применение ЭОП в приборах
для медицинской рентгеноскопии позволяет повысить яр-
кость свечения диагностического экрана при одновремен-
ном снижении дозы облучения обследуемых больных. В на-
стоящее время эта доза значительна и составляет 5 р/мин,
в то время как максимальная доза для работников, подвер-
гающихся облучению в производственных условиях, рав-
на 1 • 10“5 р/мин. Но даже при таком большом уровне об-
лучения изображение на диагностическом экране полу-
чается очень бледным и рентгенолог не может работать без
темновой адаптации глаза. При этом снижается способ-
ность различать мелкие детали изображения.
Функциональная схема рентгеновской установки с элек-
троннооптическим усилителем яркости рентгеновского
изображения показана на рис. 34. Для переноса светового
изображения с рентгеновского экрана на фотокатод ЭОП
служит репродукционный объектив с большой светосилой
и переменным увеличением, что позволяет сначала произ-
вести общий обзор экрана, а затем подробно рассмотреть
отдельные его участки. Изображение, сформированное на
выходном экране ЭОП, переносится при помощи системы
объективов на фотокатод передающей телевизионной труб-
ки. Усиленное по яркости рентгеновское изображение рас-
сматривается на экране иконоскопа.
В качестве усилителя яркости используется пятикас-
кадный ЭОП со вторичной эмиссией «на прострел».
59
Фотокатод сурьмяно-цезиевый чувствительностью 3 • КГ"
А/лм, разрешающая способность 20 линий/мм в пределах
круга диаметром 20 мм [29].
Рис. 34. Функциональная схема рентгеновской установки с элек-
троннооптическим усилителем яркости рентгеновского изобра-
/ — рентгеновская трубка; 2 — объект; 3 —• рентгеновский экрана
4 — репродукционный объектив с относительным отверстием 1 ; 1 и
фокусным расстоянием 50 мм; 5 — ЭОП; 6 — система из объектива с от-
носительным отверстием 1 : 2 и фокусным расстоянием 900 мм и объек-
тива с относительным отверстием 1 : 3 н фокусным расстоянием 152 мм;
7 — передающая телевизионная трубка; 8 — предусилитель; 9 -* те-
левизионная аппаратура; 10 — экран.
жения:
На фотокатод ЭОП поступает всего лишь 0,8% свето-
вого излучения экрана. Этот коэффициент использования
рассчитан из соотношения
П=—---------122------. (1-26)
4^<L(i+r26) + i
об
где тПр = 0,8 — коэффициент пропускания оптической си-
стемы прибора; — = 1 — относительное отверстие
I об
объектива; Гов = 4— коэффициент оптического уменьшения.
На фотокатод передающей телевизионной трубки по-
ступает около 4% светового излучения экрана ЭОП, если
угловое распределение излучения экрана подчиняется за-
кону Ламберта, а коэффициент пропускания системы из
двух объективов составляет 50%.
В среднем при поглощении одного рентгеновского кван-
та экран испускает 3000 квантов света, а мишень телеви-
зионной передающей трубки — 8000 фотоэлектронов, что
позволяет регистрировать поглощение отдельных квантов
на рентгеновском флюоресцирующем экране.
60
Расчеты показали, что доза облучения порядка
4 • 10-3 р/мин достаточна для формирования изображения
с отношением сигнал/шум, равным 10, за 0,04 с (длитель-
ность телевизионного кадра).
Схема рентгеновской установки с простейшим однока-
мерным ЭОП изображена на рис. 35 [112]. Для усиления
Рис. 35. Схема рентгеновской установки с простейшим
однокамерным ЭОП:
/ — рентгеновская трубка; 2 — исследуемый объект; 3 — эк-
ран; 4 — ЭОП; 5 — телевизионная трубка; б — суперортикон;
7 — фотоаппарат; 8 — призма; 9 — оптика переноса ' изображе-
ния; 10 — зеркальный объектив; 11 — плоское зеркало.
яркости изображения при рентгенологических исследова-
ниях в медицине и дефектоскопии разработаны специаль-
ные рентгеновские ЭОП (РЭОП). Отличительной особен-
ностью этих преобразователей является экранно-катодный
узел, состоящий из экрана, люминесцирующего под дейст-
вием рентгеновских лучей, и контактирующего с ним фо-
токатода. Экран преобразует рентгеновское изображение
в оптическое, а затем при помощи фотокатода это изобра-
жение преобразуется в электронное.
Разработанный советскими учеными РЭОП представ-
ляет собой стеклянную конструкцию с экранно-катодным
узлом, собранным на стеклянной пленке. Экран выпол-
нен из люминофора К-67 (ZnS X CdS : Ag), имеющего
61
Рис. 36. РЭОП с бло-
ком микроканальных
умножителей:
/ — люминофор; 2 —
входное окно; 3 — блок
электронных умножите-
лей; 4 — экран.
наибольший энергетический выход рентгенолюминесценции
/до 20—25%) и легко получающегося в виде хорошо сфор-
мированных зерен необходимых раз-
меров.
Выходной экран — стеклянная
пластина, покрытая флюоресцирую-
щим составом; расположен в кону-
сообразном алюминиевом аноде с от-
верстием. Разность потенциалов меж-
ду анодом и фотокатодом 25 кВ. На
проводящее покрытие внутри колбы,
служащей фокусирующим электродом,
подается напряжение 300 В относи-
тельно катода. Размеры выходного
экрана примерно в 10 раз меньше
размеров входного. Изображение на
выходном экране рассматривается с
помощью окуляра или переносится
на телевизионный экран.
Современные РЭОП позволяют из-
менять масштаб изображения, что
бывает необходимо при проведении работ по радиационной
интроскопии, когда нужно уточнить форму и характер
дефекта. Изменяют масштаб регулировкой величины на-
пряжения на электродах ЭОП.
В РЭОП с блоком микроканальных электронных ум-
ножителей (рис. 36) отдельные каналы умножителя выпол-
нены из свинцового стекла с отношением длины к диаметру
от 30 до 100. При диаметре каналов 100 мкм и приложен-
ном напряжении 1 кВ усиление умножителя порядка 104.
Отличительной особенностью РЭОП является неболь-
шая длина — порядка нескольких сантиметров, что до-
стигается способом параллельного переноса изображения.
Расстояние фотокатод — шайба микроканальных умножи-
телей 4—8 мм, разность потенциалов между шайбой и эк-
раном порядка 5 кВ, максимальная яркость выходного эк-
рана 30 кд/м2.
Входное окно РЭОП выполнено из титана толщиной
300 мкм и имеет радиус кривизны 250 мм. Из-за наличия
кривизны входного окна люминофор наносится на отдель-
ную плоскую подложку, незначительно поглощающую
рентгеновские лучи. Размер рабочего поля РЭОП 120 мм,
разрешающая способность 4 линии/мм.
Глава 2
РАДИОМЕТРЫ И ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРЫ
5. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО РАДИОМЕТРОВ
Радиометры предназначены для дистанционного изме-
рения интенсивности теплового излучения различных объек-
тов и фонов. Русский ученый В. А. Михельсон один из пер-
вых разработал удобную для практики конструкцию ра-
диометра, которая в дальнейшем была усовершенствована
его учениками [49]. Основной элемент прибора — тонкая
(порядка нескольких десятков микрометров) зачерненная
биметаллическая пластина (рис. 37), расположенная в мед-
ном корпусе с входным окном, через которое поступает
излучение. Одной стороной пластину жестко крепят к
юстировочному приспособлению, а на другой стороне име-
ется удлинитель коробчатой формы, выдавленный из алю-
миниевой фольги толщиной 10 мкм. При измерении пласти-
на нагревается и ее изгиб регистрируется с помощью мик-
роскопа по отклонению конца удлинителя.
В последующих конструкциях радиометров биметал-
лическая пластина была заменена монометаллической (ра-
диометр Н. Н. Калитина) и термопарой, что позволила
значительно уменьшить инерционность приборов. Последо-
вательное соединение термопар в так называемые термо-
столбики и применение высокочувствительных гальвано-
метров привело к резкому повышению чувствительности
радиометров.
Современные радиометры работают по принципу непре-
рывного сравнения неизвестной интенсивности излучения
внешнего источника с известной интенсивностью местного
(эталонного) источника. В состав радиометра входят сле-
дующие основные элементы: приемник; оптическая система,,
фокусирующая излучение внешнего источника на чувст-
вительную площадку приемника; эталонный источник из-
лучения — черное тело; модулятор, осуществляющий по-
переменное облучение чувствительной площадки приемника
63
внешним и эталонным источниками; электронная схема,
служащая для преобразования, усиления и измерения
сигнала с выхода приемника; оптический визир, при помо-
щи которого ось радиометра наводится на объект.
®2
Рис. 37. Радиометр В. А. Михельсона:
/ — микроскоп; 2 —* лампа подсвета; 3 удлинитель; 4 — биметаллическая
<инвар-железо) пластина; 5 •— входное окно; 6 медный корпус; 7 « юсти-
ровочное приспособление.
Схема, поясняющая устройство простейшего современ-
ного радиометра, изображена на рис. 38 [74].
Излучение от объекта фокусируется зеркальным объек-
тивом на чувствительную площадку приемника излучения.
Рис. 38. Оптико-мехаиическая схе-
ма радиометра:
/ — зеркальный объектив; 2 — преры-
ватель; 3 — входное окно из КРС-5;
4 — полупроводниковый болометр; 5 —
двигатель привода прерывателя; б —
генератор опорного напряжения; 7 —
датчик температуры; 8 — эталонный
излучатель (черное тело).
Объектив состоит из параболического первичного зеркала
диаметром 100 мм со светосилой 1 : 1 и гиперболического
вторичного зеркала диаметром 50 мм; общее фокусное рас-
стояние объектива 200 мм. Фокусировка в пределах от бес-
конечности до 2,5 м осуществляется перемещением вторич-
ного зеркала.
Приемником излучения служит полупроводниковый
•болометр. Он имеет плоское входное окно из материала
КРС-5, пропускающее около 70% излучения в спектраль-
ном интервале от 0,65 до 35 мкм.
•64
Интенсивность падающего излучения измеряют путем
его сравнения с излучением внутреннего эталонного источ-
ника (черного тела). Для этого на приемник при помощи
секторного прерывателя, вращаемого электродвигателем,
попеременно с частотой 80 Гц направляют излучение объек-
та и черного тела. В тот момент, когда секторный преры-
ватель перекрывает путь лучистому потоку от объекта, из-
лучение эталонного источника, отразившись от зеркала и
тыльной зеркальной стороны прерывателя, попадает на
болометр *.
Периодическое прерывание излучения, падающего на
приемник, повышает чувствительность радиометра; полоса
пропускания частот усилительного тракта сужается до не-
обходимых пределов, а частотный диапазон выбирается
из условия минимума собственных шумов системы.
При вращении прерывателя на выходе приемника излу-
чения возникает периодический сигнал, несущая частота
которого равна частоте прерывания лучистого потока, ам-
плитуда пропорциональна разности потоков, падающих на
приемник от объекта и модулятора, а огибающая зависит
от распределения температуры на объекте наблюдения.
Выходной сигнал приемника подается в фазовый де-
тектор, представляющий собой двухполупериодный вы-
прямитель, который находится под воздействием опорного
напряжения, синхронно изменяющегося с частотой моду-
ляции лучистого потока. Это позволяет сравнивать сигнал
от объекта с сигналом от эталонного источника не по ам-
плитуде, а по фазе. Отрицательное значение сигнала озна-
чает, например, что интенсивность излучения исследуемого
объекта меньше интенсивности эталонного источника. Для
получения нулевого сигнала изменяют температуру эта-
лонного источника или диаметр его выходной диафрагмы.
Опорное напряжение вырабатывается генератором с
принудительной генерацией от фототриода. Секторный пре-
рыватель при своем вращении перекрывает лампу накали-
вания, посылающую свет на фототриод, так что частота
опорного напряжения равна частоте вращения прерыва-
теля. Для этого может быть также использован маломощ-
* Слово «болометр» происходит от двух греческих слов: «боло» —
луч и «метрео» — меряю (измеритель излучения). Эти приборы приме-
няют в физических исследованиях свыше 100 лет, но в последнее время
они получили большое распространение в связи с освоением длинновол-
нового участка инфракрасной области спектра.
3 5-2
65
ный генератор с постоянными магнитами, ротор которого
вращается синхронно с прерывателем.
Вследствие того, что площадь сечения прерываемого по-
тока является не бесконечно малой, а конечной величиной,
взаимодействие модулятора с потоком описывается функ-
цией, которая не является чистой синусоидой, но отлича-
ется от функции прямоугольного вида. Это обстоятельство
следует учитывать при разработке высокочувствительных
радиометров, когда согласование приемника и усилителя
проводят с учетом полного частотного спектра сигнала.
При выборе полосы частот усилительного электронного
тракта принимают во внимание то обстоятельство, что с
уменьшением полосы частот увеличивается отношение
сигнал/шум, но ухудшается быстродействие системы, про-
порциональное ширине полосы.
Поле зрения прибора определяется размером чувстви-
тельной площадки приемника излучения, имеющей форму
квадрата. Если сторона квадрата 2,5—0,33 мм, поле зре-
ния соответственно составляет (12,5—1,5) • 10”3 рад.
Иммерсионная полусферическая линза, находящаяся
в оптическом контакте с чувствительной площадкой прием-
ника, увеличивает чувствительность радиометра для малых
объектов в 4 раза, а для протяженных— почти в 16 раз.
Поле зрения радиометра увеличивается до 3° при длине сто-
роны чувствительной площадки 2,5 мм и фокусном расстоя-
нии объектива 200 мм.
Постоянная времени полупроводникового болометра по-
рядка 1—2 мс; минимальное значение напряжения, снимае-
мого с болометра, около 1 мкВ. Предварительный усилитель
размещают вблизи приемника излучения. Ширину поло-
сы пропускания усилителя сигналов можно регулировать
скачкообразно (10; 1 и 0,1 Гц); соответственно изменяются
постоянная времени радиометра (0,016; 0,1 и 0,6 с) и мини-
мальное значение облученности объектива, которое мо-
жет быть зарегистрировано прибором с соотношением
сигнал/шум, равным двум (4,6 • 10-9; 1,5 • 10~9 и 4,6 х
X Ю-10 Вт/см2).
Оптическая ось объектива радиометра наводится на
объект при помощи телескопического визира с десятикрат-
ным увеличением, на сетке которого сделаны отметки, по-
казывающие поле зрения радиометра.
Напряжение Uc, снимаемое с приемника излучения,
66
пропорционально разности мощности излучения объекта
Fx и эталонного источника Fa, воспринимаемых приемни-
ком:
UC = S(FX — FO), (2.1)
где S — чувствительность приемника, В/Вт.
Мощность излучения эталонного источника
(2-2)
где Lo — расстояние от чувствительной площадки прием-
ника до выходной диафрагмы эталонного источника (чер-
ного тела); q0— площадь выходной диафрагмы эталонного
источника; То — абсолютная температура полости черного
тела; qn — площадь чувствительной площадки приемни-
ка; о—постоянная Стефана — Больцмана (ст = 5,67 х
X 10“8 Вт/м“2 • К4).
При расчете мощности, воспринимаемой приемником от
объекта, различают три случая: 1) точечные объекты;
2) протяженные объекты с площадью, охватываемой полем
зрения радиометра; 3) протяженные объекты с площадью,
выходящей за поле зрения радиометра. Для каждого из
этих случаев соответственно величина мощности излучения
определяется из выражений
₽ ^об •
Г1Х = —Т2- -
ьх
Г, s<7u<7o6
F2x = -2 -;
^Зх =-------Г?---=
Lx
(2.3)
где I — сила излучения точечного источника; д0& — пло-
щадь объектива; Lx— расстояние между объективом и
радиометром; В — лучистость; со — телесный угол, опи-
рающийся на площадь, охватываемую полем зрения радио-
метра; COL*— площадь протяженного объекта.
Подбирая параметры эталонного источника так, чтобы
= 0, для третьего случая, представляющего наибольший
практический интерес, получим F^ = Fo. Или с учетом
Q*
d 67
Рис. 39. Радиометр с температурной коррекцией:
1 — оптическая головка; 2 — вторичное гиперболическое зер-
кало; 3 — первичное параболическое зеркало; 4 — черное тело
с электронным регулятором температуры; 5 — предусилитель;
6 — двигатель привода прерывателя; 7 — фотодиод; 8 — штор-
ка; 9 — лампа накаливания; 10 — приемник излучения; // —
тороидальное зеркало; 12 — прерыватель; 13 — электронный
усилитель; 14 — фазовый детектор; /5 — усилитель; /6 — гене-
ратор опорного напряжения; 17 — температурный корректор;
18 — электронный блок (размеры чувствительной площадки боло-
метра 2,5 х 2,5 мм, поле зрения 0,5°, постоянная времени
0,016 с, чувствительность 1,7 • 10“"^ Вт/см2)*
выражения (2.2)
ьо
откуда после преобразований
в = аТ° q°qa
шя ^<7об ’
(2.4)
68
т. е. измеряемая лучистость протяженного объекта не за-
висит от расстояния между объектом и радиометром.
Обычно в радиометре используется не один, а два со-
гласованных болометра, включенных по компенсационной
схеме, благодаря чему сводится к минимуму влияние изме-
нения чувствительности приемника на результаты измере-
ний. Такая схема, однако, не устраняет зависимости чув-
ствительности приемника от температуры окружающей
среды.
В радиометре, схематически изображенном на рис. 39,
влияние изменения температуры на чувствительность бо-
лометра компенсируется при помощи температурного кор-
ректора. Кроме того, черное тело снабжено электронным
регулятором, что делает уровень опорного излучения не-
зависимым от изменений температуры окружающей среды.
Оптическая часть этого радиометра состоит из первич-
ного параболического зеркала диаметром 20 мм со свето-
силой 1 : 1 и вторичного гиперболического зеркала, общее
фокусное расстояние объектива 300 мм, фокусировка воз-
можна в пределах от бесконечности до 3 м. Для фокусиров-
ки излучения эталонного источника на приемник лучистой
энергии используется тороидальное зеркало [74].
Современные радиометры, предназначенные для иссле-
дования излучения Земли и атмосферы, имеют большое
число каналов для работы в различных спектральных ин-
тервалах. Так, например, в одной из новейших конструкций
радиометра используют 22 основных и два вспомогательных
канала, охватывающих область спектра от 0,34 до 13 мкм.
Длины волн, соответствующие всем каналам радиометра,
а также приемники, используемые для регистрации излу-
чения в каждом канале, приведены в табл. 3. Два вспомо-
гательных канала — 23-й и 24-й — имеют спектральный
интервал 0,4 мкм и служат для измерения количества во-
дяного пара в атмосфере в направлении визирования [133].
Оптическая схема радиометра показана на рис. 40. Раз-
вертка местности по «горизонтали» в угле 80° осуществ-
ляется вращающимся плоским зеркалом, наклоненным к
оптической оси под углом 45°, а по «вертикали» — за счет
перемещения самолета, на котором установлен радиометр.
Размеры зеркала согласованы с апертурой входного объек-
тива; мгновенный угол обзора 2 10~3 рад. Пассивное вре-
В течение которого зеркало поворачивается на угол
ЗоО 80 = 280°, используется для калибровки сигналов.
69
Таблица 3
Диапазоны длин волн основных и вспомогательных каналов
радиометра
Номер канала Диапазон длин волн, мкм Приемник излучения
1 0,34—0,40
2 0,40—0,44 Фотоумножитель
3 0,46—0,50
4 0,53—0,57
5 0,57—0,63
6 0,64—0,68
7 0,71—0,75 Кремниевый фотодиод без охлаждения
.8 0,76—0,80
9 0,82—0,87
10 0,97—1,05
11 1,18—1,30 Германиевое фотосопротивление, охлаждае-
12 1,52—1,73 мое термоэлектрическим способом до —40° G
13 14 2,10—2,36 3,54—4,00 Фотосопротивление на основе InSb, охлаж-
15 4,50—4,75 даемое криостатом до 77 К
16 6,0—7,0
17 8,3—8,8
18 19 20 8,8—9,3 10,1—11,0 11,0—12,0 Фотосопротивление на основе Ge: Hg, ох- лаждаемое криостатом до 28 К
21 12,0—13,0
22
23 1,12—1,16 Германиевое фотосопротивление
24 1,05—1,09 Кремниевый фотодиод
Калибровочный и рабочий сигналы проходят по одному
оптическому тракту, что исключает влияние колебаний тем-
пературы и коэффициента пропускания оптической системы
на результаты измерений.
Отраженная зеркалом энергия излучения фокусируется
зеркальным объективом в плоскости полевой диафрагмы.
Сформированный поток за диафрагмой разделяется по спек-
тру двумя спектрометрами с дифракционными решетками
(с помощью одного спектрометра оказалось невозможным
получить требуемые характеристики во всем диапазоне длин
70
волн). Использование дифракционных решеток первого и
второго порядка, а также длинноволновой решетки третьего
порядка обеспечило возможность получения необходимой
разрешающей способности системы. Первый, второй и тре-
тий порядки разложения спектра распределяются далее по
24 каналам.
Рис. 40. Оптическая схема 24-канального радиометра:
а — длинноволновые каналы; б коротковолновые каналы: /
приемники излучения каналов 13-*15 (X =» 2,10 ч-4,75 мкм); 2 -<•
приемники излучения каналов 16—22 (А =* 6,0 ч- 13,0 мкм); 3, 11*
/$>, 27 — дихроичные фильтры; 4 — зеркальный объектив; 5, /Я—
сфокусированные лучи; 6 — германиевая линза; 7 — диспергиро-
ванный луч; 8, 26 — коллимированные лучи; 9 — излучение о
длиной волны А > 2 мкм; 10— длинноволновая решетка; /2, 29 —
входное излучение в телесном угле 2 мрад; 13 — приемник излуче-
ния канала 1 (к = 0,34 ч- 0,4 мкм); 14 — группа прнзм н зеркал;
/5 — приемник канала 2; 16 — приемник излучения канала 3; 17 ,•
25 — зеркальный объектив; 20 — приемники излучения каналов
4 — 10 н 24 (А = 0,53 ч- 1,09 мкм); 21 — фильтр; 22 — приемники
излучения каналов 11, 12 и 23 (А = 1,12 ч- 1,73 мкм) 23 — дис-
пергированный луч; 24 — коротковолновая решетка; 28 — отра-
женный луч.
При вращении зеркала в его поле зрения последователь-
но попадают четыре эталонных источника, излучение ко-
торых полностью «заполняет» угол зрения системы. Это не-
обходимо для того, чтобы в процессе калибровки в поле
зрения находились только эталонные источники. В спект-
ральном диапазоне 3,5 мкм и больше в качестве эталонных
источников используются два черных тела, температура
каждого из которых поддерживается постоянной с точ-
ностью 0,25° термоэлектрическим регулятором темпера-
туры. Температуру одного черного тела устанавливают на
минимальное, а другого — на максимальное ожидаемые зна-
чения температуры поверхности Земли, Промежуточные
71
значения определяют интерполяцией сигналов этих эта-
лонных источников.
Для видимой и ближней ИК-областей в качестве опор-
ных излучателей используются вольфрамогалогенная лам-
па, имеющая форму интегрирующей сферы, и небесная сфе-
ра. Опорный сигнал от небесной сферы образуется с по-
мощью матового стекла, расположенного в верхней части
фюзеляжа самолета, и релейной оптической системы, со-
единяющей окно в фюзеляже с устройством сканирования.
Точность калибровки в спектральном диапазоне 0,34—
2,36 мкм составляет 1% (относительная между каналами)
и 5% (абсолютная), а в диапазоне 3,5—13,0 мкм соответст-
венно 0,2 и 0,5%.
Функциональная схема радиометра изображена на
рис, 41. Запись информации производится в цифровой фор-
ме, которая обеспечивает максимальный динамический диа-
пазон 256 : 1 с учетом преобразования информации в вось-
миразрядный код (при аналоговой записи динамический
диапазон не превышал бы 36 : 1).
Видеоселектор выделяет рабочий сигнал в момент появ-
ления в поле зрения эталонного излучателя. Результирую-
щий сигнал интегрируется за время, равное нескольким
сотням периодов развертки, и подается на вход усилителя.
Для временного хранения информации используется
буферное запоминающее устройство на магнитных сердеч-
никах. За активный период обзора, соответствующий раз-
вертке местности по горизонтали в угле 80°, рабочие сиг-
налы и сигналы эталонных излучателей преобразуются в
восьмиразрядный цифровой код, который переносится в
буферное устройство, формируется и записывается на 14
дорожках, Непрерывное считывание информации с буфер-
ного устройства позволяет исключить пассивное время,
в течение которого зеркало поворачивается на угол 280°.
Интегрирование выполняется в преобразователе ана-
лог — код. Схемы памяти и двойного интегрирования дают
возможность производить интегрирование по всему элемен-
ту разрешения поля обзора. Считывание с данного элемен-
та выполняется в тот момент, когда по другому элементу
разрешения происходит интегрирование.
Часть электронной схемы, включающая видеоусилитель,
цепи стабилизации усиления и цепи расширения динами-
ческого диапазона, является сменным модулем, называе-
мым «видеопроцессором». В него входят также коммути-
72
рующий селектор, служащий для выбора одного из двух
эталонных источников видимого и ближнего инфракрас-
ного диапазонов.
Наряду с рассмотренными выше классическими схема-
ми, существует большое число других схем радиометров в
Рис. 41. Функциональная схема радиометра:
/ — эталонная отражающая поверхность; 2, 3 —• черное тело с автоматической
регулировкой температуры; 4 вольфрамогалогенная лампа н схема регули-
ровки; 5 — излучение небесной сферы; б — вращающееся плоское зеркало;
7 — излучение исследуемого участка поверхности Земли; 8 — дисперсионные
элементы; 9 — прнемиик канала 1 (фотоумножитель 0,34—0,40 мкм); /0 — при-
емник канала 2 (фотоумножитель 0,40—0,44 мкм); 11 —приемник канала 24;
12, 18 — видеопроцессоры каналов 1 и 2; 14 — предварительный усилитель;
15 — видеопроцессор канала 24; 16, 17 — схема двойного интегрирования н
запоминания; 18 выходной регистр; 19, 21 — аналого-цифровой преобразо-
ватель; 2о, 22 — выходной регистр; 23 — схема двойного ннтегрнрования и за-
поминания; 24 — аналого-цифровой преобразователь; 25 — буферное устрой-
ство; 26 — запоминающий регистр каналов 1 и 2; 27 — запоминающий регистр
каналов 23 н 24; 28 — магнитофон; 29 — рнднкатор типа А; 30 — индикатор
типа С; 31 — селектор входных сигналов индикаторов; 32 — ввод информации
о направлении полета; 38 — аналоговая мультиплексная схема; 34 задаЮ'
щий блок синхронизации н контроля; 35 — кодирующее устройство на валу
двигателя; 36 — двигатель сканирующего зеркала; 37 — схема синхронной
коррекции крена; 38 — индикатор отношения скорости V самолета к высоте
Н полета; 39 — контроль скорости вращения двигателя сканирующего зеркала;
40 — индикаторы полетных данных (крен, тангаж, широта, долгота, время,
у
рысканье); 41 ручное управление отношением (полетные данные);
42 аналого-цифровой преобразователь; 43 — цифровая мультиплексная
схема.
зависимости от целевого назначения последних. Ориги-
нальная конструкция портативного радиометра разработа-
на доктором наук Б. П. Козыревым (рис. 42, а). Объектив
выполнен из бромисто-йодистого калия (КРС-5), диаметр
40 мм, фокусное расстояние 31 мм. Приемником излучения
73
служит радиационный термоэлемент с приемной площадкой
в виде круга диаметром 3 мм, покрытого MgCO3. Угол поля
зрения радиометра около 10°. Показания отсчитываются
по измерительному прибору, включенному в мостовую схе-
му (рис. 42, б). Диапазон измеряемых температур можно
Рис. 42. Конструкция (а) и электрическая схема (б) термоэлек-
трического радиометра:
1 *- диафрагмы; 2 — объектив; S ~~ подвижный ватвор; 4 — прием-
ная площадка радиационного термоэлемента; 5 — медная обмотка
эЛектротермометра; 6 — коммутатор; 7 — поворотный ключ.
изменять с помощью коммутатора, но максимальное зна-
чение температуры не должно превышать 300° С; в про-
тивном случае необходимы диафрагмирование и переградуи-
ровка прибора. Теория работы радиометра состоит в сле-
дующем [34].
лРц
Если круглый объект, площадью 8Ц = —р-, имеющий
абсолютную температуру Тц и интегральный коэффициент
излучения 8ц, расположен на расстоянии L от объектива
радиометра (диаметр D06, фокусное расстояние /об, ин-
тегральный коэффициент пропускания тОб), то лучистый
74
поток, воспринимаемый приемником излучения с темпера-
турой Пр и интегральным коэффициентом излучения епр,
находится из выражения
° (ец7ц — епрПр) 4 ТаТоб
F =---------------HU---------------’ <2-5)
где ta — интегральный коэффициент пропускания слоя
атмосферы между объектом и приемником; о = 5,7 х
X 10"8 Вт/м2 • К4.
Вводя в качестве характеристики приемника излучения
удельную чувствительность X', равную э. д. с. на зажимах
приемника при падении на него лучистого потока 1 Вт,
и обозначая d — диаметр рабочей площадки приемника,
a qn — ее площадь, находим
у х и g ечГ»~епрГпР ( Do6_\ ,2 6)
Л— Л сасобУпа 4 \ f 1 *
\ 'об /
При выводе формулы (2.6) предполагалось, что L Д>б
и . Дальнейшие упрощения могут быть по-
/об ь
лучены, если положить:
8пР 5=51, СцТ'ц = ("j/"бц Тц)4 = 71,
где Тэ— эквивалентная температура объекта. Тогда, в фор-
муле (2.6) могут быть сделаны следующие преобразования:
8цП 8прПр sss 71 — Tip = (Тs — Тпр) (Т3 -]>
+ Пр) (Т23 + Т2Р) =. Г*7^р (1 + 2), (2,7)
где
т» г,2 г*3
21 = Тп ~т% :
пр * пр 'пр
7’* = п-Пр.
С учетом (2.7) выражение (2.6) запишется в виде
Орб
fo6
В практических расчетах можно полагать та 0,Q5,
т°б = 0,65 (многолинзовый объектив
= 0,5 -ь 1 В/Вт.
2
I (1 + X). (2.8)
у1* = X ^а^°б7пЦТпр
из КРС-5); х =
75
Для определения температуры приемника Тпр в кор-
пусе радиометра помещена медная обмотка электротермо-
метра, однако экспериментально полученные тарировочные
кривые показывают слабое влияние изменений Тпр (в диа-
пазоне 25—40° С) на выходной сигнал, так что можно по-
лагать Тпр « 290 К.
Значительно большее значение имеет коэффициент ец
излучения объекта, зависящий от его материала и состоя-
ния поверхности. Отсчет температуры при визировании
Рис. 43. Схема портативного ра-
диометра:
1 — исследуемый объект; 2 — поли-
этиленовое входное окно; 3 — элек-
тронный затвор; 4 — приемник излу-
чения; 5 — оптический фильтр; 6 —
зеркальный объектив; 7 — электрон-
ный блок; 8 — измерительный прибор.
зачерненной поверхности тела практически соответствует
его истинной температуре. Поэтому, если ец не указан, его
можно определить для данного материала, взяв отношение
двух отсчетов с зачерненного и незачерненного участков
поверхности.
Интервал времени, необходимого для одного измерения,
определяется инерционностью радиационного термоэле-
мента и измерительного прибора и составляет 7 с, точность
измерения температуры порядка 0,3°.
По аналогичной схеме выполнен портативный радиометр
(рис. 43), предназначенный для неконтактного измерения
температуры близко расположенных поверхностей [99].
Так же как и в предыдущем радиометре, здесь отсутствуют
вращающиеся детали, а в качестве приемника излучения
применена зачерненная термопара, помещенная в вакууми-
рованный баллон.
Приходящее излучение вызывает нагрев термопары до
некоторой температуры, сопоставляемой с температурой
холодного спая (усредненной температурой корпуса). Ис-
комую температуру объекта определяют по прибору, уста-
новленному на задней стенке радиометра. Входное окно из
полиэтиленовой пленки и фильтр, установленный перед
приемником излучения, ограничивают спектральную об-
76
ласть работы радиометра в диапазоне длин волн от 8 до
20 мкм.
Нормальное расстояние между прибором и поверхностью,
температура которой измеряется, составляет 1270 мм, тем-
пературная чувствительность прибора 0,1 , время, необ-
ходимое для измерения, 0,75 с, масса оптической головки
около 1 кг. Радиометр может работать в двух режимах:
в режиме измерения абсолютной температуры в диапазоне
от___10 до +60° Сив режиме измерения разностной тем-
пературы ±5° относительно выбранной (опорной) поверх-
ности. Конструктивно радиометр оформлен в виде писто-
лета, так что его легко держать за ручку одной рукой. Дли-
тельность функционирования без замены батареи 100 ч.
Точность работы инфракрасных радиометров во многом
зависит от температуры окружающей среды, которая влияет
на параметры приемника излучения, интерференционного
фильтра и эталонного излучателя (черного тела). Этот не-
достаток исключен в радиометре, разработанном в Ленин-
градском институте точной механики и оптики (ЛИТМО)
и предназначенном для измерения температуры поверхно-
сти моря в диапазоне от —2 до +35° С [58]. Особенность
этого радиометра — отсутствие в нем отдельного эталонного
излучателя и термостабилизация всех элементов оптиче-
ской головки. Роль эталонного излучателя выполняет внут-
ренняя полость металлического корпуса оптической голов-
ки, температура которой известна и поддерживается по-
стоянной.
В радиометре используется малогабаритный зеркальный
объектив с относительным отверстием - 06 = 1 : 0,75 и
I об
фокусным расстоянием foc = 15 мм, состоящий из двух
сферических зеркал, закрепленных в металлическом кор-
пусе (рис. 44). Излучение от исследуемого объекта посту-
пает в объектив через входное окно — фильтр из ИКС-25,
срезающее коротковолновую радиацию до 1 мкм, и интер-
ференционный фильтр с полосой пропускания 8—13 мкм.
Излучение модулируется двухлопастным зеркальным пре-
рывателем с частотой 35 Гц, приводимым во вращение дви-
гателем. Когда поток от объекта перекрыт лопастью преры-
вателя, в объектив поступает излучение от внутренней
полости, отраженное лопастью. Приемником излучения
служит болометр БСГ-2, расположенный в фокусе объек-
77
Температуру корпуса контролируют электротермомет-
ром и поддерживают постоянной при одном из двух значе-
ний: 15 или 30° С. Для этого служит обмотка нагрева, тер-
модатчики и схема термостабилизации. Для улучшения
режима термостабилизации корпус оптической головки по-
мещен в кожух из пенопласта толщиной 50 мм, благодаря
Рис. 44. Схема радиометра с термостабилизирован-
ной оптической головкой:
/ — входное окно — фильтр из ИКС-25; 2 — двухло-
пастный прерыватель; 3 — интерференционный фильтр;
4 — первичное зеркало объектива; 5 — вторичное зерка-
ло объектива; 6 — полупроводниковый болометр; 7 *—
корпус оптической головкн; 8 — обмотка нагрева кор-
пуса; 9 — схема термостабнлнзацнн; 10, 11 — термодат-
чнки; 12 — электротермометр; 13 — двигатель привода
нрерывателя; 14 — генератор опорного напряжения; 15 •—
предварительный усилитель фототока; 16 — основной уси-
литель; 17 — синхронный детектор; 18 — ленточный ре-
гистратор; 19 — блок питания.
которому температура в корпусе изменяется не более чем
на 0,1°, при этом температура вне кожуха может колеба-
ться в пределах ±10° от среднего значения с периодом
не свыше 8 ч. Выходной сигнал с приемника излучения уси-
ливается, детектируется и записывается на ленте регистра-
тора. Опорный сигнал для синхронного детектирования вы-
рабатывается генератором опорного напряжения, ротор
которого вращается синхронно с прерывателем.
Нагрев корпуса оптической головки до одной из фикси-
рованных температур (15 или 30° С) позволяет выбрать оп-
тимальный режим работы прибора, при котором разность
78
температур исследуемого объекта и корпуса не превышает
Ю___12°. В этом случае шкала прибора получается линейной
без применения специальной схемы линеаризации сигнала.
Время выхода оптической головки на режим стабилиза-
ции 70 мин. Чувствительность радиометра 0,03—0,04° при
изменении температуры поверхности моря в пределах от 0
до 30° С. Точность измерения температуры ±0,15° при тем-
пературе воды 20° С. Габариты оптической головки 180 X
X 180 х 180 мм.
Для определения интенсивности излучения различных
нагревательных установок предложена новая схема радио-
метра. Он состоит из портативной головки с приемником
излучения, гибкого кабеля и измерительного прибора.
Чувствительным элементом радиометра служит фотосо-
противление на основе PbS с размером площадки 10 х 10 мм.
При срабатывании затвора фотосопротивление открывается
на короткий промежуток времени (1/20 с) и в его цепи воз-
никает импульс тока, который после усиления четырех-
каскадным линейным усилителем заряжает конденсатор
емкостью 1 мкФ с миларовым диэлектриком. Напряжение
на конденсаторе, пропорциональное лучистому потоку, вос-
принимаемому приемником излучения, измеряется элект-
ронным вольтметром. Для устранения влияния изменения
температуры на характеристики приемника предусмотрен
электронагреватель головки радиометра с регулятором тем-
пературы; в качестве регулятора используется транзистор.
Коллекторный ток транзистора изменяется в зависимости
от температуры внутри кожуха головки и регулирует ток,
проходящий через нагревательный элемент (сопротивление
20 Ом). В результате действия терморегулятора температу-
ра внутри кожуха поддерживается на уровне 35 ± 0,5° при
колебаниях напряжения сети ±20%.
Переключателем диапазонов измерения температуры
обеспечивается подача на фотосопротивление семи различ-
ных напряжений; радиометр градуируют при каждом на-
пряжении [80].
6. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В РАДИОМЕТРАХ
Один из главных элементов радиометра, определяющих
его чувствительность,— приемник излучения, преобразую-
щий энергию оптического излучения в электрическую
79
энергию. В радиометрах применяются тепловые приемни-
ки излучения, которые регистрируют общее количество па-
дающей на них лучистой энергии независимо от ее спект-
рального состава. Такие приемники называются неселектив-
ными. Из большого разнообразия тепловых приемников в
радиометрах используются, большей частью, болометры,
действие которых основано на изменении электрического
сопротивления полупроводника или металла под действием
падающего лучистого потока.
Болометры делятся на две большие группы, отличаю-
щиеся рабочей температурой: неохлаждаемые и охлаждае-
мые. В неохлаждаемых болометрах используются металли-
ческие или полупроводниковые слои. Эти болометры имеют
постоянную времени, гораздо меньшую, чем у других ти-
пов тепловых приемников излучения. Болометры, охлаж-
даемые жидким гелием, обладают очень высокой чувст-
вительностью, но из-за сложности криогенной системы за-
труднено их использование в радиометрах, предназначенных
для установки на подвижных объектах.
Спектральный диапазон чувствительности болометров
простирается до 50 мкм. При необходимости болометры мож-
но сделать селективными, применяя внешние оптические
фильтры или вводя соответствующие красители в органи-
ческую пленку, наносимую на поглощающий слой.
Изменение сопротивления болометра при изме-
Кб
нении его температуры на величину ДТ описывается при-
ближенным равенством
-^- = ₽ДТ, (2.9)
Кб
где р — температурный коэффициент сопротивления, ве-
личина которого зависит от температуры и материала боло-
метра; для большинства металлов
(2.10)
для полупроводников
У полупроводниковых болометров (термисторов) вели-
чина р больше по сравнению с металлическими, что обеспе-
чивает и большую чувствительность первых,
80
Болометры обычно включают по мостовой схеме, причем
для устранения влияния окружающей температуры на ба-
лансировку моста применяются одновременно два боломет-
ра, один из которых является компенсационным. При изме-
нении внешних условий параметры обоих болометров из-
меняются одинаково и равновесие моста сохраняется.
Омическое сопротивление металлических болометров не-
велико, поэтому их подключают к усилителю через транс-
форматор. Полупроводниковые болометры, обладающие
большим сопротивлением, подключают к усилителю через
катодный повторитель.
Рассмотрим устройство и основные параметры некоторых
типов болометров, применяемых в радиометрах.
Напыленные болометры типа ФМ. Разработаны в Инсти-
туте физики им. П. Н. Лебедева АН СССР и используются
в аппаратуре для астрофизических исследований [46]. Чув-
ствительный элемент болометра состоит из двух полос, одна
из которых рабочая, а другая — компенсационная. Каждая
полоса содержит тонкую (200—300А) пленку из нитроцел-
люлозы, на которую с одной стороны нанесен напылением в
вакууме токопроводящий слой из сплава висмута со свин-
цом, а с другой стороны — поглощающий слой. Последний
образован из золотой черни, получаемой испарением чис-
того золота в атмосфере водорода или азота при давлении
150—500 Па. Получаемый осадок черного цвета хорошо пог-
лощает излучение в инфракрасной области спектра. Толщи-
на слоя рыхлой золотой черни 20—30 мкм. Толщина токо-
проводящего слоя 0,1—0,2 мкм, ширина 0,3—0,5 мм; при
отношении ширины к длине 1 : 10 сопротивление этого
слоя 300 Ом, рабочий ток 2—5 мА.
Чувствительный элемент болометра заключен в герме-
тичный стеклянный цилиндрический баллон, в котором
поддерживается давление в пределах от 150 до 1300 Па.
Излучение попадает на чувствительную площадку через
плоское окно из бромистого калия, покрытого тонким слоем
фтористого магния для предохранения от влаги.
Несмотря на использование в конструкции болометров
ФМ тонкопленочных материалов, они обладают достаточ-
ной механической прочностью и выдерживают десятикрат-
ные перегрузки. Основные параметры болометров: рабочий
диапазон длин волн принимаемого излучения 0,2—40 мкм,
площадь чувствительного элемента 0,3 X 3,3 мм2, постоян-
ная времени 5—20 мс, интегральная чувствительность 10—
81
25 В/Вт, пороговая чувствительность 1,6 • 10 10—6,4 X
X 10~н Вт/Гц1/!, обнаружительная способность 6,5 X
X 108—1,5 • 10е Гц‘/« • см/Вт.
Металлический болометр фирмы «Цейсс». В этих боло-
метрах (рис. 45, а) применяются два чувствительных эле-
мента, изготовленных испарением сурьмы на подложку из
Рис. 45. Устройство (а) и схема вкл1очения (б) металлического
болометра фирмы «Цейсс»:
1 — электровводы; 2 — стеклянный баллон; 3 — вакуум; 4 — фик-
саторы-; 5 — электроды; 6 — плата из пластмассы; 7 — вакуумная за-
мазка; 8 — окно, прозрачное для инфракрасных лучей; 9 чувстви-
тельные элементы на ацетатцеллюлозной пленке.
коллодия. Длина элемента 8 мм, ширина 4 мм, сопротивле-
ние 260 Ом. Элементы смонтированы на плате из пластмас-
сы и помещены в стеклянный вакуумированный баллон; они
включены в мостовую схему (рис. 45, б), питаемую перемен-
ным током частотой 4000 Гц при частоте модуляции излу-
чения 12 Гц. Конденсаторы С1 и С2 емкостью по 2200 пФ
служат для регулировки фазы, R1 и R2 — балансные ре-
зисторы по 20 Ом, г — подстроечный резистор чувствитель-
ных элементов, R — потенциометр.
Полупроводниковые болометры типа БКМ Состоят из
рабочего и компенсационного элементов, включаемых в
мостовую схему. Чувствительный элемент этих болометров
изготовляют из смеси марганца и кобальта в виде прямо-
угольной тонкой пластины толщиной 10—20 мкм, пло-
щадью 0,5—5 мм2 и сопротивлением 0,5—2 МОм. Токопро-
водящий слой наклеивают на массивную подложку из крис-
таллического кварца, имеющего высокую теплопровод-
82
ность. За счет этого нагрев, обусловленный падающим
излучением, может быстро выравниваться. Болометры, пред-
назначенные для работы в области спектра до 40 мкм, не
покрывают поглощающим слоем, их рабочий ток 0,2 мА
при напряжении 100—200 В. Болометры типа Б КМ не ва-
куумные. Для предохранения чувствительных элементов от
конвекции воздуха и воздействия влаги их помещают в
герметичный корпус с входным окном из бромистого калия.
Параметры болометров: размеры чувствительного эле-
мента 0,85 х 2,0 мм, постоянная времени 2,2—5,6 мс,
Рис. 46. Частотные характеристи-
ки полупроводниковых боломет-
ров:
1, 1 — Б КМ соответственно на кварце-
вой и стеклянной подложке; 3 БСГ-2.
интегральная чувствительность 125—170 В/Вт, пороговая
чувствительность (1,2—1,6) • 10“~9 Вт, обнаружительная
способность « 108 Гц*/> • см/Вт. Частотные характеристи-
ки изображены на рис. 46, где по оси ординат отложены зна-
чения чувствительности в относительных единицах [64].
У полупроводниковых болометров температурный коэф-
фициент сопротивления отрицательный, т. е. с повышением
температуры токопроводящего слоя его сопротивление
уменьшается. При уменьшении сопротивления увеличива-
ется ток, протекающий через болометр, и увеличивается
рассеиваемая мощность, что вызывает дальнейший нагрев
элемента и уменьшение его сопротивления. При больших
значениях тока этот процесс может привести к перегоранию
чувствительного элемента.
Полупроводниковые болометры типа БСГ-2. Разрабо-
таны в СКВ аналитического приборостроения АН СССР
и применяются в инфракрасных радиометрах для дистан-
ционного измерения температуры морской поверхности в
диапазоне от —2 до 4-35° С [64]. Устройство болометра и
схема его включения изображены на рис. 47. В качестве
чувствительного элемента использован тойкий (0,3—0,5 мкм)
слой германия, легированного (в процессе напыления)
83
сурьмой и наносимого способом вакуумного испарения на
пленку из нитроклетчатки, толщиной 0,3—0,5 мкм. Тем же
способом вакуумного испарения на пленку наносятся сереб-
ряные контакты, при помощи которых чувствительный
элемент присоединяют к выводам, запрессованным в под-
ложку из оргстекла.
Чувствительный элемент покрывают поглощающим сло-
ем 10—20 мкм, получающимся в результате термического
испарения чистого золота в атмосфере азота с последующим
------------------------------
||| ||я «ГУ
Ев 222»---
Рис. 47. Устройство (а) и схема вклю-
чения (б) полупроводникового боломет-
ра БСГ-2:
1 — поглощающее покрытие (чернь); 2,
3 — пленки; 4 — серебряный контакт;
5 — слой германия, легированного сурь-
мой; 6 — подложка из оргстекла; 7 — се-
ребряный вывод.
осаждением золота на пленку из нитроклетчатки, и поме-
щают в герметичный корпус с входным окном из кристал-
ла КРС-5.
Болометр устойчив к вибрациям, выдерживает значи-
тельные перегрузки и может применяться как на стацио-
нарных установках, так и на подвижных объектах. Основ-
ные параметры болометра: интегральная чувствительность
500—3000 В/Вт, пороговая чувствительность (2 — 8) х
X 10~'° Вт/Гц‘\ омическое сопротивление 1,7—4,0 МОм,
постоянная времени 13—20 мс, размеры приемной площад-
ки 2,5 X 0,5 мм, рабочий ток до 20 мкА.
Спектральное распределение шумов болометра пока-
зывает, что превалирующими на низких частотах являются
контактные токовые шумы. Шумы увеличиваются при по-
нижении частоты модуляции падающего лучистого потока и
при возрастании рабочего тока, причем это увеличение ста-
новится особенно заметным при токе свыше 10 мкА. В цепях
питания болометра следует применять только проволочные
сопротивления, у которых практически отсутствует токо-
вый шум.
Наибольшее отношение сигнал / шум болометры обеспе-
84
чивают на частоте модуляции лучистого потока порядка
20 Гц. Увеличение частоты модуляции до 25 Гц уменьшает
отношение сигнал/шум в 1,2—1,5 раза. Спектральная ха-
рактеристика болометра показана на рис. 48.
Полупроводниковый иммерсионный болометр. Порог
чувствительности полупроводниковых болометров прибли-
зительно прямо пропорционален корню квадратному из
площади чувствительной площадки. Для снижения порога
чувствительности необходимо уменьшать размеры чувст-
Рис. 49. Устройство (а), спектральная (б) и частотная (в) характеристи-
ки полупроводникового иммерсионного болометра с германиевой лин-
зой:
i компенсационный болометр; 2 полусферическая линза нз германия;
3 *— рабочий слой; 4 — вывод.
вительной площадки, что вызывает трудности в создании
оптической фокусирующей системы. Поэтому разработа-
ны иммерсионные болометры (рис. 49), в которых чувстви-
тельный элемент находится в оптическом контакте с лин-
зой, выполненной из материала с большим показателем
85
преломления. При размерах приемной площадки иммерсион-
ного болометра 0,1 X 0,1 мм можно получить выигрыш в
пороговой чувствительности в 3,5 раза по сравнению с боло-
метром, имеющим приемную площадку с размерами 1 X 1 мм
при прочих равных условиях. Из-за потерь на поглоще-
ние и отражение в иммерсионной системе не удается полу-
чить значительно большего (десятикратного) улучшения
чувствительности, как это следует из теоретических сооб-
ражений [36, 64]. J
Диаметр болометра 16 мм, длина около 10 мм. Полусфе-
рическая линза выполнена из германия (показатель
преломления равен четырем) и имеет на передней поверх-
ности покрытие, уменьшающее отражение падающего из-
лучения.
Термоэлементы. Принцип действия термоэлементов ос-
нован на возникновении различных контактных разностей
потенциалов у неодинаково нагретых металлических или
полупроводниковых спаев. Удельная термо-э. д. с. (т. е.
термоэлектродвижущая сила, возникающая при единичном
температурном перепаде) металлических термоэлементов не-
велика и находится в пределах от единиц до нескольких де-
сятков микровольт на градус. Для полупроводниковых
термоэлементов характерна более высокая термо-э. д. с.
Металлические термоэлементы чаще всего изготовляют из
меди, никеля, кобальта, алюминия, цинка, серебра и кон-
стантана; в полупроводниковых термоэлементах применяют
сурьму, кремний, теллур, селен.
Некоторые параметры термоэлементов: площадь чувст-
вительной площадки 2 х 0,2—3 X 0,3 мм2, интегральная
чувствительность 20—25 В/Вт, постоянная времени 10—.
40 мс, пороговый лучистый поток 3,5 • 10-11Вт.
Удельное сопротивление материалов, используемых в
термоэлементах, мало, что вынуждает для согласования
приемника с усилителем использовать трансформаторный
вход. Недостатком термоэлементов является большая инер-
ционность, препятствующая их применению в быстродей-
ствующей оптико-электронной аппаратуре.
7. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО
ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРОВ
Теплопеленгаторы служат для обнаружения и пеленга-
ции объектов по их собственному тепловому излучению.
Местонахождение объекта в пространстве определяют по
положению светящейся отметки на экране индикатора. Теп-
лопеленгаторы относятся к классу обзорных систем, в за-
дачу которых не входит, визуализация изображений обна-
руженных объектов.
Функциональная схема теплопеленгатора изображена на
рис. 50. Основные элементы теплопеленгатора: объектив,
Рис. 50. Функциональная схема
теплопеленгатора:
1 — приемник излучения; 2 — объ-
ектив; 3 — система сканирования;
4 — элементы синхронизации; 5 —
индикаторное устройство; 6 — бло-
ки питания и управления; 7 — уси-
литель фототока.
5
фокусирующий тепловое излучение цели на чувствительную
площадку приемника; система сканирования, осуществляю-
щая последовательный обзор пространства малым телесным
углом; приемник излучения; усилитель фототока; элементы
синхронизации, обеспечивающие получение развертки на
экране индикатора, идентичной перемещению оптической
оси при сканировании пространства; индикаторное устрой-
ство; блоки питания и управления. В некоторых конструк-
циях теплопеленгаторов система сканирования отсутствует.
Один из первых теплопеленгаторов времен второй ми-
ровой войны — «Донау-60» фирмы «Цейсс» — состоял из
трех блоков: оптической головки, индикатора и пульта уп-
равления. В состав оптической головки входили зеркаль-
ный параболический объектив диаметром 600 мм, болометр
и модулирующий диск с отверстиями, расположенными
87
перед чувствительной площадкой болометра. Болометр
представлял собой стеклянный вакуумированный баллон с
двумя приемными площадками, включенными по компенса-
ционной схеме. Материал чувствительных площадок —
слой сурьмы толщиной около 0,07 мкм, нанесенный испаре-
нием в вакууме на пленку из цапонлака толщиной 0,1 мкм;
материал входного окна болометра КРС-5.
Излучение наблюдаемого объекта модулировалось с ча-
стотой 12 Гц. Выходной сигнал компенсационной схемы
включения болометра после усиления и преобразования
поступал в световой индикатор, который выписывал светя-
щуюся кривую на фосфоресцирующем барабане с послесве-
чением. Появление цели сопровождалось выбросом нулевой
линии. Дальность действия теплопеленгатора составляла
7,5 км при пеленговании танков и 10—20 км при пеленго-
вании кораблей (последняя увеличивалась до 30 км при ус-
тановке зеркала диаметром 1500 мм). Точность указания
пеленга 0,06° [10].
Отсутствие сканирующего устройства характерно и для
другого типа теплопеленгатора (рис. 51), который приме-
нялся во время второй мировой войны для обнаружения
самолетов. Обзор воздушного пространства проводился
вручную сравнительно широким лучом, которому соответ-
ствовала большая площадь приемника излучения. Полу-
чающаяся вследствие этого низкая чувствительность ком-
пенсировалась большими размерами зеркального объекти-
ва (диаметр 1500 мм).
В состав оптико-механической части теплопеленгатора
помимо объектива входили приемник излучения (сернисто-
свинцовое фотосопротивление), вращающиеся диафрагма с
вырезом и диск, модулирующий приходящие от цели излу-
чения с частотой 800 Гц, две неоновые лампы, установлен-
ные перед наводчиком для указания направления на
цель.
В том случае, когда цель находится на краю поля зре-
ния, ее изображение проектируется на край диафрагмы с
вырезом (рис. 51, б). При вращении последней излучение
от цели попадает на приемник лишь в моменты времени, со-
ответствующие пересечению изображения вырезом диа-
фрагмы. Выходной сигнал приемника излучения после уси-
ления подается на неоновую лампу, которая вращается син-
хронно с диафрагмой; лампа будет светиться в пределах
дуги окружности (рис. 51, в), пока поступает сигнал с выхода
88
приемника. Скорость вращения диафрагмы и лампы под-
бирают так, чтобы глаз наблюдателя видел лампу светя-
щейся непрерывно. Для этого она должна зажигаться не
реже 12—15 раз в секунду.
При повороте оптической оси зеркального объектива так,
чтобы изображение цели перемещалось к центру поля зре-
ния, увеличивается время, в течение которого изображение
не закрывается диафрагмой; соответственно увеличивается
дуга, в пределах которой видна светящаяся неоновая лампа.
/ 2
Стечение неоновой лампы
6
Рис. 51. Зенитный теплопеленгатор (а), диафрагма с выре-
зом (б) и индикатор (в):
1 — зеркальный объектив; 2 — модулятор; 3,6 — индикаторы; 4,
5 >= штурвалы установки по азимуту и по высоте соответственно.
Когда ось теплопеленгатора направлена точно на цель,
лампа светится непрерывно, и светящийся круг виден без
разрывов. Задача наводчика заключается в том, чтобы до-
биться такого положения теплопеленгатора, при котором
круги на индикаторах по двум каналам управления не име-
ют разрывов.
89
Эксплуатационные параметры теплопеленгатора: даль-
ность действия по тяжелому бомбардировщику 20 км при
ясной погоде ночью, точность пеленгации 0,Г.
Общий недостаток рассмотренных теплопеленгаторов
заключается в том, что все обозреваемое пространство,
включая и фон, одновременно проектируется объективом
на чувствительную площадку приемника, что приводит к
значительному возрастанию помех и к уменьшению даль-
ности действия приборов. Для уменьшения влияния фона
необходимо в данный момент времени проектировать на
приемник излучения возможно меньший участок простран-
ства. Это достигается применением системы обзора, которая
обеспечивает просмотр заданного участка последовательным
перемещением малого мгновенного угла зрения по опреде-
ленному закону.
В теплопеленгаторах применяются системы обзора пас-
сивного типа, которые осуществляют просмотр пространст-
ва по заранее заданной неизменной программе. Не исклю-
чено, однако, и применение систем активного типа с само-
настраивающейся программой просмотра, которая должна
быть оптимальной для поиска зоны, имеющей определенные
параметры.
Ввиду того, что информация об объекте может возникать
в различных участках пространства, большое значение име-
ет выбор последовательности съема информации. Если су-
ществует некоторая закономерность появления объекта в
определенной зоне пространства, то система обзора должна
осуществлять просмотр «с большей подробностью» тех, уча-
стков, в которых вероятность появления объекта велика,
и «с меньшей подробностью» —> участков, в которых эта
вероятность мала.
Основными характеристиками системы обзора простран-
ства являются следующие:
мгновенный угол зрения уМГн, определяемый линейным
размером чувствительной площадки приемника излучения
/п и фокусным расстоянием объектива fac-
v
Умгн---1--•
Iоб
Чем меньше величина уМгн, тем выше разрешающая спо-
собность прибора по угловым координатам;
углы обзора в двух взаимно перпендикулярных плоско-
стях угор и уверт, которые выбираются в зависимости от
условий применения аппаратуры;
90
траектория и закон перемещения мгновенного угла зре-
ния в пространстве. Тип траектории влияет на коэффициент
перекрытия, характеризующий часть повторно просматри-
ваемого пространства за один цикл просмотра, на к. п. д.
цикла, определяющий ту часть цикла обзора, в тече-
ние которой на приемник поступает полезная инфор-
мация, на отсутствие пропусков при просмотре заданной
зоны;
период обзора Т0(,3, который должен быть возможно
меньшим, особенно если предполагается обнаружение под-
вижных объектов; время, в течение которого объект нахо-
дится в пределах мгновенного поля зрения, должно быть
достаточным для получения необходимого количества ин-
формации об объекте;
вероятностные характеристики (вероятность непропуска
объекта при обзоре пространства, поисковое усилие и др.).
Существует большое разнообразие устройств для обзора
пространства [30, 31]. В теплопеленгаторах до последнего
времени наибольшее распространение получили оптико-
механические системы обзора, основанные на механическом
перемещении элементов отражательной или преломляющей
оптики. Эти перемещения могут иметь вращательный или
колебательный характер, но в любом случае для их осу-
ществления необходим внешний привод.
Оптико-механические системы обзора отличаются про-
стотой устройства. Их основные недостатки: малые значе-
ния допустимых скоростей движения сканирующих элемен-
тов, ограниченный срок службы и снижение точности с
увеличением длительности эксплуатации. В последнее вре-
мя, в связи с успешной разработкой многоэлементных при-
емников излучения и волоконных светопроводов, начали
разрабатывать и применять электроннооптические и воло-
коннооптические системы обзора пространства.
Простейшая оптико-механическая система основана на
строчном обзоре пространства, применяемом в тех случаях,
когда теплопеленгатор установлен на движущейся платфор-
ме (самолете, космическом летательном аппарате). При по-
мощи вращающегося барабана с зеркальными гранями по-
следовательно просматриваются участки земной поверх-
ности, ширина которых определяется мгновенным углом
зрения умгн, а длина — углом обзора уГОр (рис. 52). Пере-
мещение с одной строки на другую осуществляется за счет
движения носителя.
91
Чтобы на выходе приемника излучения получить инфор-
мацию о каждом объекте, находящемся в зоне обзора, не-
обходимо, чтобы объект находился в пределах мгновенного
поля зрения в течение времени Д/, большего постоянной
времени приемника т, т, е.
Д/>/ггт, (2.12)
Рис. 52. Система строчного обзо-
ра пространства.
где kz — коэффициент за-
паса, больший единицы
(обычно его принимают рав-
ным двум).
Время Д/ определяется
угловой скоростью п вра-
щения барабана и углом
обзора у:
AZ = ^S-- (2-13)
Подставив значение Д/
из выражения (2.13) в (2.12),
можно получить предельно
допустимую скорость вра-
щения барабана:
Ипред
60у
2л/гтт
(2.14)
Линейная ширина участка местности, просматриваемого
за один оборот барабана,
(2.15)
где Н — высота полета самолета или космического лета-
тельного аппарата; N — число зеркальных граней бара-
бана.
Так как система обзора должна работать без пропусков,
необходимо, чтобы смежные участки соприкасались или
перекрывались, т. е. ширина I участка, просматриваемого
в единицу времени, должна быть не меньше скорости но-
сителя:
^^7мгнЯпгед
60S
V.
(2.16)
где b — коэффициент перекрытия (0 < b < 2).
Очевидно, предельно допустимая скорость вращения
92
барабана, об/мин,
606V ZQ тт»
Нпред> ^?мгн • (2Л7)
Из неравенств (2.14) и (2.17) видно, что существует как
верхний, так и нижний допустимые пределы скорости вра-
щения зеркального барабана. Кроме этого, максимальная
скорость ограничивается прочностными возможностями си-
стемы и не превышает 3000 об/мин.
Для уменьшения скорости вращения барабана стремятся
увеличить число его отражающих граней. Максимальное
число граней
Л/Макс = —-j—, (2.18)
— (у + Ду)
где -у введена из-за удвоения скорости отраженного луча,
а Ду — дополнительный угол, который учитывает запас
времени, отводимого на просмотр каждой строки (для раз-
деления строк между собой и возврата электронной схемы
в исходное состояние перед началом просмотра строки).
При полетах над гористыми районами расстояние по
вертикали от самолета до визируемых объектов на местнос-
ти может изменяться за одну секунду от нескольких де-
сятков до нескольких тысяч метров при неизменной путевой
скорости самолета. За счет этого возникают большие скачки
величины отношения что ведет к необходимости приме-
нения в аппаратуре специальных вычислителей и компен-
саторов изменения этого отношения.
Величину принято выражать числом радиан в секун-
ду, определяющим скорость углового перемещения самоле-
та относительно некоторой фиксированной точки на мест-
ности. Значения наиболее часто встречающиеся в прак-
тике, изображены графически на рис. 53. Сигналы, выра-
батываемые вычислителем используются для регулиро-
вания скорости вращения развертывающего зеркала так,
чтобы выполнялось неравенство (2.17).
Недостатки рассмотренной системы строчного обзора
пространства: зависимость скорости вращения зеркально-
го барабана от скорости полета носителя при заданном
93
коэффициенте перекрытия строк и необходимость вращения
с большой скоростью крупноразмерных оптических элемен-
тов (табл. 4) [25]. Кроме того, излучающие объекты находят-
Рис. 53. Кривые изменения от-
ношения V/H.
ся на разных расстояниях от
носителя в пределах угла об-
зора, что приводит к разли-
чию сигналов от одинаковых
объектов, расположенных в
разных местах зоны обзора.
Этого недостатка лишены
системы с коническим обзором
(рис. 54), в которых мгновен-
ный угол зрения вращается
относительно определенного
направления, называемого
осью сканирования. В тепло-
пеленгаторах, предназначен-
ных для обзора земной по-
верхности, ось сканирования
совмещают с направлением
вертикали. В этом случае раз-
мер площадки земной поверх-
ности, проектируемой в каждый момент времени на прием-
ник излучения, остается неизменным.
С учетом обозначений, принятых на рис. 54, угловая
Таблица 4
Габаритные размеры оптических элементов строчной системы обзора
пространства
Число отражающих граней барабана 2 3 4 6
Диаметр зеркального бараба- на, выраженный через диа- метр объектива 20 2,40 2,860 4D
Расстояние а между осями 0 —0,50 —0,8660 —1,50
Длина 13 одного зеркала ба- рабана 2D
Ширина зеркала D
«4
скорость вращения мгновенного угла зрения
2ллск Htga 2ллСк •
со = ——-« гг> —< —fts— sin oct
60 Н/cos а 60
(2.19)
где яСк — число оборотов в минуту сканирующего объек-
тива.
Время засветки приемника
д. ___ Тмгн 60?мгн
(й 2лпСк s'n а
откуда
- бОУмгн
Лск 2л6гт sin а
> Атт,
(2.20)
(2-21)
Ширина кольцевой зоны на мест-
ности, просматриваемой за один
оборот мгновенного угла зрения,
Ну
/cosa^ мгн . (2.22)
cos a v '
Из условия соприкосновения смеж-
ных строк
(2.23)
Очевидно,
УмГН^ЯСК 1ЛГ
60 cos2 а ’
откуда
606 V cos2 а
#?мгн
Рис. 54. Система кониче-
ского обзора простран-
ства.
(2.24)
(2.25)
Формулы (2.21) и (2.25) определяют пределы допусти-
мых скоростей вращения сканирующего объектива.
В системах строчного и конического обзора пространст-
ва носитель теплопеленгатора, перемещаясь относительно
земной поверхности, участвовал в развертке местности по
одной координате. В случае установки теплопеленгатора
на неподвижной платформе или при обзоре воздушного
пространства применяют другие траектории перемещения
мгновенного поля зрения (траектории сканирования): те-
левизионную, циклоидальную, спиральную и т. д. Так,
95
например, в теплопеленгаторе «Киль-4» использован ме-
ханизм, обеспечивающий циклоидальную траекторию ска-
нирования оптической оси зеркального объектива. Меха-
низм включает в себя планетарную зубчатую передачу,
состоящую из двух систем шестепен: 5—7—11—12 и 5—•
Рис. 55. Механизм сканирования теплопеленгатора «Киль-4х
(а) и траектория движения оптической оси объектива (б):
/ — приемник излучения; 2 — зеркальный объектив; 3, 5, 7, 8, 10,
lit 12 «- шестерни планетарной передачи; 4, 9 — потенциометры;
6 ~ электродвигатель.
7—8—10—3 (рис. 55, а). При помощи этой передачи элект-
родвигатель приводит в движение параболическое зеркало.
Ось вращения зеркала FB образует угол <х± = 5° с опти-
ческой осью FA и наклонена к оси пеленгатора FC на угол
а2 — а1 = 5’. При работе электродвигателя оптическая
ось FA зеркала совершает сложное движение, вращаясь
вокруг геометрической оси FB с угловой скоростью ioi и
перемещаясь одновременно с ней относительно оси FC со
скоростью а2. В результате сложения этих движений проек-
06
ция оптической оси описывает в плоскости, перпендикуляр-
ной оси теплопеленгатора, эпициклоиду (рис. 55, б). Так
осуществляется обзор пространства мгновенным углом зре-
ния. Общее поле обзора за период определяется углами
at и аг.
В тот момент, когда цель оказывается на оптической оси,
излучение фокусируется зеркальным объективом на чув-
ствительную площадку при-
емника. В цепи последнего
возникает импульс фототока,
который усиливается и пода-
ется на управляющий элек-
трод кинескопа, в результате
чего на экране высвечивается
точка. Положение точки от-
носительно центра экрана со-
ответствует положению цели
относительно оси пеленгато-
ра. Достигается это синхро-
низацией движений зеркаль-
ного объектива и электрон-
ного луча. Для этого на ме-
ханизме сканирования уста-
Рис. 56. График, поясняющий
образование развертки на экра-
не индикатора.
навливают два синусно-коси-
нусных потенциометрических датчика, движки которых
вращаются с разными скоростями со1 и <а2. Напряжения,
снимаемые с датчиков, равны U sin ан/, U cos и U sin u>2t,
U cos a>2t, где U —• напряжение питания потенциометров.
Эти напряжения суммируются
Uy = U (sin a>K + sin со20; I
Uz = U (cos 4- cos co2/) j (2.26)
и подаются на отклоняющие пластины кинескопа. Под дей-
ствием напряжений Uy и Uz траектория движения элект-
ронного луча идентична траектории оптической оси зеркала
(рис. 56).
Конструктивные параметры теплопеленгатора: диаметр
зеркального объектива 250 мм, фокусное расстояние 150 мм,
мгновенный угол зрения 1°, полный угол зрения = у2 =
= 20°, размер чувствительной площадки приемника из-
лучения 5x5 мм, тип приемника — сернистосвинцовое
фотосопротивление, охлаждаемое твердой углекислотой
(—78 С), дальность обнаружения самолета на средних
4 5'2
97
высотах 8—10 км, точность пеленгации ±Г, масса прибора
порядка 50 кг [23, 38].
Работоспособность теплопеленгатора проверяют кол-
лиматором, состоящим из лампы накаливания, матового
стекла, диафрагмы и объектива. Пучок параллельных лу-
чей, создаваемых коллиматором, направляется на зеркаль-
ный объектив и фокусируется на приемнике излучения.
Рис. 57. Схема теплопеленгатора с многоэлементным (линей-
ным) приемником излучения:
1 — коммутатор; 2 — электродвигатель привода коммутатора; 3,
4 — усилители; 5 — генератор пилообразного напряжения; 6 — ин-
дикатор; 7 — зеркальный объектив; 8 — корригирующая линза;
9 — модулирующая сетка; 10 — многоэлементный приемник из-
лучения; 11 — фильтр (К = 1,8-т- 2,7 мкм); 12 — двигатель при-
вода зеркала; 13 — плоское сканирующее зеркало; 14 — датчик
поворота сканирующего зеркала.
Напряжение, подаваемое на лампу, подобрано так, что сиг-
нал от коллиматора равен пороговому сигналу прибора.
Попытки увеличить скорость сканирования привели к
разработке теплопеленгатора с многоэлементным прием-
ником излучения, в котором чувствительные элементы, рас-
положенные в линию, заменили развертку по одной коор-
динате (рис. 57). Излучение от цели падает на плоское ска-
нирующее зеркало, отражаясь от которого, попадает на зер-
кальный объектив. Последний фокусирует излучение на
модулирующую сетку, расположенную перед приемником
излучения. Выходные сигналы с чувствительных элементов
приемника поступают в накопительные фильтры Ф1 — ФЗО.
При помощи вращающегося коммутатора сигналы с фильт-
ров подаются в усилитель. После ограничения амплитуды
98
импульс от цели (изображение которой в некоторый момент
времени находится на том или ином чувствительном эле-
менте) попадает на управляющий электрод кинескопа.
К отклоняющим пластинам последнего подводится напря-
жение Uz с датчика поворота сканирующего зеркала, роль
которого выполняет прецизионный потенциометр, и пило-
образное напряжение Uy от генератора, синхронизирован-
ного с коммутатором.
Модулирующая сетка состоит из 60 тонких вертикаль-
ных нитей, нанесенных на изогнутую поверхность размером
31,75 X 3,81 мм. Интервал между нитями 0,0432 мм (при
выбранной скорости перемещения сканирующего зеркала
это соответствует частоте модуляции излучения 8 Гц). В свя-
зи с кривизной поверхности изображения оптической си-
стемы модулирующая сетка и многоэлементный приемник
установлены в меридиональной плоскости системы и изо-
гнуты по форме кривого поля.
Механический коммутатор, вращаемый электродвига-
телем, имеет 60 ламелей, что позволяет за один оборот дваж-
ды подключать чувствительные элементы приемника к пя-
тикаскадному усилителю на транзисторах. Полоса пропу-
скания усилителя Д/ = 40 Гц согласована с длительностью
импульса с одного элемента и обеспечивает максимум от-
ношения сигнал/шум.
Накопительные фильтры представляют собой LC-коле-
бательные контуры с высокой добротностью, настроенные
на частоту модуляции лучистого потока (8 Гц). В схеме 30
колебательных контуров, из которых на рисунке условно
показано только четыре. Накапливание сигналов в коле-
бательных контурах обеспечивается тем, что возбужден-
ные в них колебания сохраняются до того момента, пока
переключатели П не снимут накопленный сигнал на вход
усилителя. Так как колебательные контуры настроены на
частоту модуляции, они накапливают только полезные сиг-
налы, увеличивая отношение сигнал/шум. Частота комму-
тации (1200 Гц) значительно больше резонансной частоты
контура, поэтому за время одной коммутации контур не
успевает полностью разрядиться, «запоминая» координаты
цели до моментов последующего опроса.
Конденсаторы С1 не пропускают в коммутатор постоян-
ную составляющую информационного сигнала и шумы,
не модулированные несущей частотой. Одновременно эти
конденсаторы улучшают условия работы резонансных
4* 99
колебательных контуров, уменьшая влияние на них шумов,
возникающих в коммутаторе за счет изменения сопротив-
ления подвижного контакта между щеткой и ламелями.
Таким образом, в рассматриваемом теплопеленгаторе
использована комбинированная электронно-механическая
система сканирования. Обзор в вертикальной плоскости
осуществляется последовательным подключением чувстви-
тельных элементов приемника ко входу усилителя фотото-
ка, обзор в горизонтальной плоскости —• механическими
колебаниями плоского зеркала.
Основные параметры теплопеленгатора следующие: по-
рог чувствительности 4 • 10_‘° Вт, спектральный диапазон
чувствительности 1,8—2,7 мкм, приемник излучения PbS,
размер чувствительной площадки I X 2 мм, постоянная
времени приемника 200 мкс, диаметр объектива 43,2 мм,
относительное отверстие 1:1, размер изображения уда-
ленного объектива 1,2 мрад, мгновенный угол зрения
1,2 X 2,7°, угол зрения ± 45 X 40°, период обзора 1,5 с,
габариты 200 X 150 X 150 мм, масса 4,5 кг.
Своеобразный «теплопеленгатор» имеет гремучая змея.
Он образован двумя приемниками теплового излучения,
расположенными между глазами и ноздрями змеи, и позво-
ляет на расстоянии до 35 см обнаруживать местонахождение
тела, температура которого отличается от температуры
окружающей среды всего лишь на 0,1°.
Каждый приемник состоит из наружной и внутренней
камер, разделенных перегородкой толщиной 0,025 мм.
Перегородка пронизана густой сетью нервных волокон,
соединенных со стволом. Внутренняя камера соединяется
с внешней средой узким длинным каналом, открывающим-
ся на поверхности кожи змеи микроскопической порой.
Пора по мере необходимости расширяется кольцевой замы-
кающей мышцей. Воронкообразные наружные камеры на-
правлены вперед, поэтому зона действия теплопеленгатора
расположена впереди головы змеи; угол обзора порядка
20°. Перегородка, разделяющая камеры, находится под
воздействием излучения внутренней камеры, имеющей тем-
пературу, равную температуре окружающей среды, и лу-
чистого потока, поступающего от тела и вызывающего на-
грев передней стенки перегородки. Разность температур
передней и задней поверхностей перегородки передается
через нервы и мозг змеи.
В 1952 г. английские ученые Т. Буллак и Р. Каулс изо-
100
лировали один из нервов и соединили его с прибором,
измеряющим биотоки. При приближении к голове змеи на-
гретых предметов нерв возбуждался и прибор отмечал появ-
ление биотоков. Наибольшую реакцию нерва вызывали ин-
фракрасные лучи с длиной волны 10—15 мкм.
С помощью «теплопеленгатора» гремучая змея разыски-
вает грызунов, которые проносятся мимо нее в ночной тьме.
Ночью, когда температура воздуха падает, дальность дей-
ствия «теплопеленгатора» увеличивается.
8. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРАХ
В теплопеленгаторах и тепловизорах применяются фо-
тоэлектрические приемники излучения с внутренним фото-
эффектом и пироэлектрические приемники. Первые основаны
на явлении образования свободных электронов в твердом
теле при поглощении соответствующих квантов излуче-
ния. Эти приемники реагируют только на количество эф-
фективно поглощенных квантов, энергия которых достаточ-
на для освобождения связанных электронов, поэтому они
имеют определенную длинноволновую границу чувствитель-
ности и относятся к классу селективных приемников излу-
чения. Из числа приемников с внутренним фотоэффектом
наиболее применимы фотосопротивления, или, как их на-
зывают в последнее время, фоторезисторы.
Различают три группы фотосопротивлений: пленочные,
монокристаллические и легированные примесями. К первой
группе относятся сернистосвинцовые (PbS), селенистосвин-
цовые (PbSe) и теллуристосвинцовые (РЬТе) фотосопротив-
ления. Вторую группу составляют фотосопротивления из
антимонида индия (InSb), а третью — фотосопротивления
из германия (Ge), легированного примесями.
Фотосопротивление подключается к источнику питания
последовательно с нагрузочным резистором. При попада-
нии излучения на чувствительную площадку изменяется
ее сопротивление и падение напряжения на фотосопротивле-
нии, которое регистрируется после соответствующего уси-
ления.
Пироэлектрический приемник излучения представляет со-
бой конденсатор, где в качестве диэлектрика служит сегнето-
электрик (вещество, на поверхности которого появляются
101
электрические заряды при механических деформациях).
Неравномерный нагрев приемника падающим излу-
чением приводит к деформации сегнетоэлектрика, и на
обкладках конденсатора возникает разность потенциалов.
Дополнительный источник питания при этом не требуется.
Пироэлектрические приемники являются неселективными,
так как они регистрируют общее количество падающей
лучистой энергии независимо от ее спектрального состава.
Рассмотрим основные параметры и характеристики фо-
тосопротивлений и пироэлектрических приемников излу-
чения в одно- и многоэлементном исполнениях.
Одноэлементные приемники излучения. Фотосопротив-
ления на основе сульфида свинца (PbS). Изготавливаются
двумя способами: испарением сульфида свинца на стеклян-
ную или кварцевую подложку или химическим осаждением
его из соответствующего раствора. В обоих случаях прием-
ники имеют одинаковые спектральные характеристики, но
постоянная времени приемника, изготовленного первым
способом, в среднем в 4 раза меньше постоянной времени
приемника, изготовленного вторым способом.
Фотосопротивления из PbS могут иметь различные раз-
меры чувствительной площадки: от 50 X 50 мкм до не-
скольких квадратных сантиметров. Обнаружительная спо-
собность D* при комнатной температуре составляет
(3 — 10) • 1010 см • Гц‘/*/Вт; при охлаждении максимум
чувствительности возрастает в 3—6 раз, а длинноволновая
граница смещается в сторону более длинных волн. Прием-
ник охлаждают твердой углекислотой (—78° С) или жид-
ким азотом (—195° С). Для этого подложку с чувствитель-
ным слоем монтируют в корпусе, имеющем форму сосуда
Дьюара.
Технология изготовления, в частности, степень окисле-
ния, влияет на чувствительность приемников, особенно в
коротковолновом участке спектра. Это позволяет изгото-
вить фотосопротивления из PbS, пригодные для диапазона
от 0,6 до 4 мкм. Для приемников, изготовленных способом
испарения и способом химического осаждения, внутреннее
сопротивление 2 и 0,5 МОм, а постоянная времени 100 и
400 мкс соответственно; интегральная чувствительность
фотосопротивлений 105 В/Вт. Спектральная характеристика
изображена на рис. 58.
Фотосопротивления на основе селенида и теллурида
свинца (PbSe, РЬТе). Слой селенида свинца получают раз-
102
работанным недавно способом химического осаждения,
а слой теллурида свинца — способом сублимации с после-
дующей обработкой в вакууме и при небольшом давлении
кислорода. Оба слоя необходимо охлаждать до —195° С;
для этого их помещают в корпус, имеющий форму сосуда
Дьюара. Спектральные характеристики рассматриваемых
фотосопротивлений (рис. 58) указывают на возможность
использования последних в интервале от 2 до 6 (РЬТе) и
даже до 8 (PbSe) мкм. Обна-
ружительная способность при
охлаждении чувствительного
слоя до —195° С составляет
1010 см • Гц’/’/Вт У фотосо-
противления PbSe и 2 • 10е см х
X Гц*/«/Вт — у РЬТе, темно-
все сопротивление 10 и
500 МОм соответственно.
Фотосопротивления на ос-
нове антимонида индия
(InSb). Являются наиболее
совершенными и чувствитель-
ными для использования в
области 4 мкм. Они имеют
низкий уровень собственных
шумов и применяются для
Рис. 58. Спектральные харак-
теристики фотосопротивлений:
1 — PbS (77 к); 2 — InSb (77 К);
3 — Ge : Hg (35 К); 4 — Ge : Си
(4,2 к); 5 — PbSe (77 К): 6 — РЬТе
(77 К).
регистрации малых лучистых
потоков. Размеры чувствительных площадок приемни-
ков из InSb от 50 X 50 мкм до 5 х 5 мм. Эти приемники
могут работать при различных температурах.
При комнатной температуре максимальная чувствитель-
ность приходится на длину волны 6,5 мкм, обнаружитель-
ная способность при этой длине волны 3 • 108 см • Гц‘А/Вт,
постоянная времени порядка 50 нс, длинноволновая грани-
ца чувствительности 7,5 мкм, внутреннее сопротивление
5—10 Ом. Малая величина внутреннего сопротивления за-
трудняет согласование приемника с предварительным уси-
лителем и электронную обработку снимаемых сигналов.
Приемники, охлаждаемые термоэлектрическими холо-
дильниками или охлаждающими газами до температуры
( 40) — (—80)° С, имеют обнаружительную способность
3 • 10е см~- Гц’А/Вт, длинноволновую границу чувстви-
тельности 6,5 мкм, постоянную времени 0,1 мкс и внутрен-
нее сопротивление 150 Ом.
103
Наибольшая чувствительность приемников из антимони-
да индия при температуре —195° С. До такой температуры
они охлаждаются холодильниками, основанными на эффек-
те Джоуля — Томсона, жидким азотом, помещенным в со-
суд Дьюара, или холодильниками с замкнутым циклом.
Пороговая чувствительность (при длине волны 5 мкм, час-
тоте модуляции излучения 800 Гц и полосе пропускания
1 Гц) составляет 3 • Ю-10 Вт; максимальная интегральная
чувствительность для элемента с площадью 1 мм2 достигает
2 • 104 В/Вт; постоянная времени в среднем равна 5 мкс;
длинноволновая граница чувствительности 5,5 мкм; внут-
реннее сопротивление 2 кОм. Особенность этих фотосо-
противлений — смещение спектральной характеристики
(рис. 58) при охлаждении чувствительного слоя не в длин-
новолновую, а в коротковолновую область спектра.
Приемники из теллуридов ртути и кадмия (HgCdTe).
Представляют собой соединение теллурида ртути и теллу-
рида кадмия в соотношении 4 : 1 молярных долей, обладаю-
щее эффектом фотопроводимости с максимумом чувстви-
тельности на длине волны 10 мкм. Диапазон спектральной
чувствительности 8—13 мкм, обнаружительная способ-
ность около 1010 см • Гц’/г/Вт, внутреннее сопротивление
100—300 Ом, постоянная времени порядка 1 мкс.
Монокристалл допускает фотомеханическую обработ-
ку, что позволяет изготовить из него одно- и многоэлемент-
ные приемники с малым размером чувствительной пло-
щадки.
Фотосопротивления из германия, легированного приме-
сями. Примесные полупроводники, охлажденные до низких
температур, могут работать в режиме изменения фотопро-
водимости. Низкая температура препятствует ионизации
примесей в результате тепловых воздействий и обеспе-
чивает поглощение излучения примесями. Чаще всего для
этого используется германий, легированный медью или
ртутью.
Приемники из германия, легированного медью, охлаж-
даются до температуры, меньшей 10 К; диапазон спектраль-
ной чувствительности от 2 до 25 мкм с максимумом чув-
ствительности на длине волны 15 мкм. Обнаружительная
способность приемника 2 • 1010 см • Гц'л/Вт, постоянная
времени менее 0,3 мкс, внутреннее сопротивление 50 кОм,
интегральная чувствительность 1000 В/Вт.
Приемники из германия, легированного ртутью, явля-
104
ются в настоящее время наилучшими для применения в
спектральном диапазоне 8—14 мкм. Они работают при тем-
пературе порядка 40 К и охлаждаются до такой температу-
ры холодильниками с замкнутым циклом или двухкаскад-
ными воздушно-водородными холодильниками, основанны-
ми на эффекте Джоуля — Томсона. Диапазон спектральной
чувствительности 2—14 мкм; остальные параметры такие же,
как и у приемников из германия, легированного медью.
Приемники из легированного германия могут иметь раз-
меры от 250 X 250 мкм до 6 х 6 мм. Их практическое
использование ограничено необходимостью глубокого ох-
лаждения, с вытекающей отсюда сложностью устройства и
эксплуатации холодильной установки.
Пироэлектрические приемники. В 1964 г. в Институте
физики АН УССР разработаны быстродействующие и высо-
кочувствительные приемники на основе мелкозернистой ке-
рамики титаната бария (ВаТЮ3) и тонкослойных монокри-
сталлов ТГС (триглицинсульфата) [36].
Чувствительный элемент приемника на основе ВаТЮ3
представляет собой тонкий (40—100 мкм) слой керамики
титаната бария с площадью приемной площадки 1—20 мм2.
На этот слой распылением в вакууме наносятся с двух сто-
рон металлические электроды толщиной не более 1000 А,
а на облучаемый электрод напыляется поглощающий слой
(золотая чернь). Чувствительный элемент закрепляют на
держателе при помощи растяжек из фосфористой бронзы
толщиной 20—30 мкм, а держатель помещают в темпера-
турной кювете.
Основные данные приемника: порог чувствительности
5 • 10~9Вт/Гц*/>, постоянная времени 1—20 мкс, вольто-
вая чувствительность 100 В/Вт (при площади приемной
площадки 1 мм2).
Чувствительный элемент приемника на основе монокри-
сталла ТГС представляет собой пластину площадью 1—5 мм2
и толщиной 50—10 мкм. Конструктивно он выполнен так же,
как и чувствительный элемент из ВаТЮ3. Пороговая чув-
ствительность 10~9 Вт/Гц'А, наибольшая частота модуля-
Ю0 МОУЧеНИЯ 1000 внутреннее сопротивление порядка
Пироэлектрические приемники — емкостные элементы,
обладающие большим сопротивлением, что создает опре-
деленные трудности при согласовании их со входным кас-
кадом [36].
105.
Многоэлементные приемники излучения. К этим прием-
никам предъявляют следующие требования:
малые размеры элементов для получения высокого уг-
лового разрешения системы;
минимальный промежуток между отдельными элемен-
тами;
высокая пороговая и интегральная чувствительность
по отношению к регистрируемому излучению;
воспроизводимость параметров от элемента к элементу;
относительная стабильность работы элементов в течение
заданного периода эксплуатации и при изменении внешних
условий;
малый уровень низкочастотных шумов.
Перечисленные требования определили принципиаль-
но новую технологию производства многоэлементных при-
емников по сравнению с одноэлементными. Получение тон-
ких слоев конечной толщины (около 50 мкм) достигается
не электрохимическим травлением, а полировкой. Много-
элементные приемники выполняются одномерными — в ви-
де линейки из 10 или 20 элементов или двумерными.
Параметры многоэлементного одномерного приемника
на основе InSb [121]: количество элементов в линейке 10,
форма элемента квадратная со стороной 250 мкм, обнару-
жительная способность, соответствующая длине волны
5 мкм, составляет 4,4 • 1010 см • Гц'/г/Вт (что близко к тео-
ретическому пределу), внутреннее сопротивление 1,5 кОм.
Обнаружительная способность двумерного приемника, со-
стоящего из 100 аналогичных элементов, 2,5 • 1010 см х
X Гц‘/*/Вт.
У одномерного приемника с десятью элементами из ле-
гированного медью или ртутью германия, предназначенно-
го для работы в области 8—14 мкм, обнаружительная спо-
собность равна 2,5 • 1010 см • Гц'^/Вт при длине волны
10 мкм, постоянная времени меньше 0,2 мкс, внутреннее
сопротивление 50 кОм. Перед приемником излучения из
германия, легированного медью, устанавливают охлаж-
даемый фильтр из фтористого бария, который срезает излу-
чение в области спектра свыше 14 мкм.
По мнению иностранных специалистов, определенную
перспективу имеет многоэлементный пироэлектрический
приемник излучения без охлаждения, предназначенный для
работы в области 8—14 мкм [83]. Элементы приемника вы-
полнены на основе тонкослойных монокристаллов ТГС
106
с размерами 0,4 X 0,5 мм; количество элементов 32 (ли-
нейка). Приемник снабжен кремниевым входным окном,
срезающим видимую радиацию, обнаружительная способ-
ность 2 • 10’ см • Гц'^/Вт.
Глава 3
, ТЕПЛОВИЗОРЫ
9. НАЗНАЧЕНИЕ,
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Тепловизорами называют приборы, служащие для ре-
гистрации собственного теплового излучения исследуемых
объектов с последующим формированием их адекватных
изображений, которые могут рассматриваться невооружен-
ным глазом. Подобное определение применимо ко всем
устройствам и приборам, создающим видимое изображение
нагретых тел, поэтому условимся, что отличительной осо-
бенностью тепловизоров является наличие системы раз-
вертки.
Для получения видимого изображения теплоизлучаю-
щего объекта сканирующее устройство совместно с опти-
ческой системой осуществляет разложение (развертку) объек-
та на некоторое число элементарных площадок. Каждая
такая площадка, называемая элементом разложения, явля-
ется наименьшей деталью, которую может воспроизвести
данная система. Анализ интенсивности теплового излу-
чения отдельных элементов производится приемником лу-
чистой энергии, с выхода которого последовательно во вре-
мени снимаются дискретные сигналы, содержащие инфор-
мацию о теплоизлучающем объекте. Сигналы передаются
по одному каналу в воспроизводящее устройство (кине-
скоп), которое преобразует их в видимое электронное изоб-
ражение. Поскольку в каждый момент времени на экране
кинескопа воспроизводится только один элемент изобра-
жения, закон движения электронного луча кинескопа дол-
жен быть идентичен закону развертки, что достигается при-
менением синхронизирующих устройств.
1Q7
Совокупность электрических импульсов, амплитуда
которых пропорциональна интенсивности излучения отдель-
ных элементов объекта, называется видеосигналом. В
канал, связывающий передающее и воспроизводящее устрой-
ства тепловизора, одновременно с видеосигналом дол-
жны подаваться сигналы синхронизации.
Различают тепловизоры с оптико-механическими и с
фотоэлектронными системами сканирования. В первых раз-
вертка рассматриваемого объекта на элементы осуществля-
ется деталями оптической системы, перемещающимися по
определенному закону, что позволяет последовательно
направлять излучение с различных элементов объекта на
приемник лучистой энергии. В тепловизорах с фотоэлект-
ронными системами сканирования изображение объекта про-
ектируется на мишень передающей трубки; развертка изоб-
ражения на элементы производится электронным лучом.
В большинстве случаев в тепловизорах применяется те-
левизионная развертка: луч движется с постоянной ско-
ростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
Движение по горизонтали создает строчную развертку;
прочерчиваемые при этом линии называются строками.
В результате перемещения по вертикали, создаваемого кад-
ровой разверткой, все строки располагаются одна под дру-
гой. За один период кадровой развертки происходит пере-
дача неподвижного изображения, называемого кадром.
В теории телевизионной развертки используются следую-
щие терминология и обозначения:
Tiz и т2г — время прямого и обратного хода при строч-
ной развертке; т2 = т12 Д- t2z — период строчной развертки;
tip и т2р — время прямого и обратного хода при кадровой
развертке; Д- t2j, — период кадровой развертки;
z — число строк в кадре; fy — частота кадровой разверт-
ки; fz = zfy — частота строчной развертки.
Для определения требуемой полосы пропускания Д/
усилителей необходимо знать верхнюю fB и нижнюю /н
граничные частоты видеосигнала; очевидно, Д/ = fB — fB.
Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует не-
подвижному объекту, состоящему всего лишь из двух де-
талей с различной интенсивностью теплового излучения и
горизонтальной границей раздела (рис. 59, а). В этом слу-
чае период повторения видеосигнала равен периоду кад-
ровой развертки и fB = fy.
Верхняя граничная частота определяется общим числом
108
элементов в кадре
W = ф?2,
где ф = -----формат кадра (рис. 59, б).
При развертке изображения объекта в виде шахматной
клетки видеосигнал представляет серию прямоугольных им-
пульсов, следующих с частотой
f
IB — 2
Поскольку fB принимают Д/ « fB. Так, например,
при мгновенном угле зрения оптической системы умгн = 5',
углах обзора по вертикали и горизонтали уу = 6° и yz —
— 12°, а также частоте кадров fy = 15
Z = = 72; ф = = 2;
Тмгн Уу
f, = 2ei = ^_LLs=78Kru.
При обнаружении объектов, имеющих температуру ок-
ружающей среды, изменение амплитуды А сигнала на вы-
ходе приемника излучения
незначительно и не превыша-
ет флюктуаций сигнала от фо-
на (рис. 60, а). При наблюде-
нии объектов, температура
которых больше окружающей,
сигнал на выходе приемника-
превышает уровень, соответст-
вующий фону (рис. 60, б). Ес-
ли разность температур объ-
екта и окружающего фона не-
значительна, для выделения
Рис. 59. Объекты наблюдения
из двух деталей с различной
интенсивностью излучения (а) и
в виде шахматной клетки (б) и
соответствующие им видеосигна-
лы.
рабочего сигнала применяют
специальные видеоусилители,
осуществляющие сжатие вы-
соких уровней сигнала [88].
Амплитудная характеристика
усилителя изображена на
рис. 60, в. В соответствии с контрастом рассматриваемого
объекта коэффициент сжатия может изменяться, что показано
пунктирными линиями. Из графика изменения сигнала на
выходе видеоусилителя (рис. 60, г) видно, что постоянная
109
составляющая сигнала с выхода приемника излучения
подавлена; амплитуда сигнала соответствует разности
энергий, излучаемых объектом и фоном, а амплитуда сиг-
нала А2 — разности температур на поверхности объекта
по отношению к его средней температуре.
Электронная фильтрация может быть усилена за счет
применения амплитудного селектора (порогового усили-
Рис. 60. К объяснению принципа работы видеоусилителя:
а — температура объекта незначительно отличается от тем-
пературы фона; б — температура объекта отличается от темпе-
ратуры фона; в — амплитудная характеристика видеоусилителя
со сжатием высоких уровней сигнала; а — сигнал на выходе ви-
деоусилителя; д — характеристика амплитудного селектора.
теля), характеристика которого показана на рис. 60, д. При
рассматривании объектов с различной температурой порог
срабатывания схемы можно регулировать. Использование
в тепловизоре указанной схемы видеоусилителя (z = 100,
fy ~ 2) позволяет получить пороговую температуру поряд-
ка 0,02—0,05° при температуре объекта 50° С [88].
Особую группу приборов ночного видения составляют
несканирующие преобразователи, в которых изображение
теплоизлучающих объектов формируется на пленке или на
люминесцентном экране без использования электронной ош
тики. В связи с тем, что эти устройства разработаны недо-
статочно и получили ограниченное применение, они не вы-
делены в отдельную главу, а рассматриваются совместно
с тепловизорами, так как некоторые преобразователи мо-
гут служить аналогами телевизионных передающих трубок.
110
10. ТЕПЛОВИЗОРЫ С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ
СИСТЕМАМИ СКАНИРОВАНИЯ
Оптико-механические системы сканирования достаточно
инерционны, так как основаны на колебательном движении
сравнительно крупных оптических деталей, но зато они бо-
лее чувствительны по сравнению с фотоэлектронными си-
стемами сканирования (вследствие инерционности ширина
полосы частот усилительных устройств выбирается узкой).
В качестве приемников излучения в тепловизорах с оп-
тико-механическими системами сканирования применяют
обычно фотосопротивления. В зависимости от типа исполь-
зуемого приемника излучения различают тепловизоры с
одноэлементным приемником и двумерным сканированием
и тепловизоры с линейным многоэлементным приемником
и одномерным сканированием. Второму варианту в настоя-
щее время отдается предпочтение, хотя изменение чувст-
вительности от элемента к элементу ухудшает получаемое
изображение. Этот недостаток устраняется индивидуаль-
ной регулировкой напряжения питания приемников.
В тепловизорах с одноэлементным приемником поверх-
ность исследуемого объекта последовательно просматрива-
ется оптико-механическим сканирующим устройством,
вследствие чего излучение от отдельных элементов теплоиз-
лучающего объекта поочередно попадает на приемник. Уси-
ленный выходной сигнал с приемника излучения модули-
рует луч кинескопа синхронно с разверткой, создавая на
экране видимое изображение объекта.
Сканирование по полю обзора можно осуществлять раз-
личными способами, из которых рассмотрим наиболее рас-
пространенные. Первый способ основан на качании пло-
ского зеркала, расположенного перед объективом в парал-
лельном пучке лучей. Этот способ не вносит аберраций,
но приводит к большим размерам подвижного элемента и к
жестким допускам на качество изготовления его отражаю-
щей поверхности. Если зеркало наклонено на значительный
угол к оси объектива (чаще всего 45°), то плохое качест-
во поверхности вызывает астигматизм в изображении
точки.
По схеме с качающимся зеркалом построена инфракрас-
ная камера фирмы «Барнес» [24]. Большое плоское зеркало
в системе сканирования (рис. 61) смонтировано перед зер-
кальным объективом на кардановом подвесе. При помощи
111
кулачкового механизма оно вращается вокруг оси АА и оси,
проходящей через точку В и перпендикулярной плоскости ,
чертежа, так, что осуществляется сканирование заданного ;
поля зрения 10x20° по телевизионной траектории. Синх- I
ронно со сканирующим зеркалом перемещается зеркало раз- i
вертки изображения, проектирующее световой поток от
неоновой лампы на фотопленку.
Тепловое излучение объекта фокусируется зеркальным
объективом диаметром 200 мм на приемник, сигнал с кото-
рого поступает в блок управления неоновой лампой. Вы-
13
Рис. 61. Схема инфракрасной камеры фирмы «Barnes Engineering»;
/ — пленка; 2 — фотокамера; 3— неоновая лампа; 4 *-» лннза; 5 —зеркало
развертки изображения; 6 — сканирующее зеркало; 7 — входное окно; 8, 9 —
зеркальный объектив; 10 — модулятор; 11 — приемник излучения; 12 — дви-
гатель привода модулятора; 13 — модулятор; 14 — генератор серого тона;
/5 — усилитель фототока.
ходной сигнал приемника, изменяясь в зависимости от из-
лучения отдельных участков объекта, модулирует яркость
излучения неоновой лампы и меняет освещенность пленки,
на которой образуется черно-белое изображение с тонами,
соответствующими уровню излучения объекта.
Качественное представление об интенсивности излуче-
ния объекта можно получить, оценивая градацию тонов фо-
тоизображения. Для облегчения такой оценки в комплекте
112
аппаратуры предусмотрен генератор серого тона, обеспе-
чивающий воспроизведение на фотографии восьми тонов
от белого до черного. Градация тонов обеспечивается с по-
мощью электрических сигналов, которые проходят через
схему возбуждения модулятора неоновой лампы аналогич-
но тому, как проходят сигналы с усилителя фототока. Для
получения линейной зависимости между выходным сигналом
приемника излучения и яркостью неоновой лампы, про-
порциональной протекающему через нее току, используется
усилитель постоянного тока с глубокой обратной связью.
Если на оси сканирующе-
го зеркала установить датчи-
ки, напряжения которых,
пропорциональные перемеще-
ниям зеркала относительно
двух взаимно перпендикуляр-
ных осей, подавать на откло-
няющие пластины кинескопа,
то его луч будет повторять
движение оптической оси зер-
кала, описывая на экране те-
левизионный растр. В момент
подачи на кинескоп сигнала с
приемника излучения на эк-
Рис. 62. К расчету кружка рас-
сеяния в системе сканирования с
качающимся плоским зеркалом
(а) и принципиальная оптическая
схема передающей камеры (б):
1 — объектив из трехсернистого
мышьяка; 2 — электромагнитное
устройство; 3 — сканирующее зер-
кало; 4 — приемник излучения.
ране появится светящаяся
точка. Совокупность таких
точек составит видимое изо-
бражение объекта.
Пороговый температурный
контраст прибора 0,02—
0,05 град, мгновенный угол
зрения 10~3 рад; угол зрения
по вертикали 10° и по горизонтали 20°, чувствительный эле-
мент — полупроводниковый болометр, масса прибора 45 кг.
Второй способ сканирования основан на качании плоско-
го зеркала, расположенного в сходящемся пучке лучей,,
между объективом и приемником излучения. При этом не-
избежно увеличение кружка рассеяния, вызванное поворотом
зеркала и аберрациями объектива, вследствие чего поверх-
ность изображения получается не плоской, а сферической.
Пусть кривая 1 на рис. 62, а соответствует сечению по-
верхности изображения при исходном положении скани-
рующего зеркала, когда рассматриваемый объект находится
113
на оси. При повороте зеркала на угол ф фокус/7 переместится
в точку F' и сечение поверхности изображения выразится
кривой II. На чувствительную площадку попадут участки
поверхности изображения, расположенные не в точке F,
а в точке F" на кривой 1I. Получающееся при этом увеличе-
ние размера кружка рассеяния на чувствительной площадке
приемника можно рассчитать по приближенной формуле [42]:
л = L), (3.1)
где Do6, /об — диаметр и фокусное расстояние объектива;
у — угол зрения прибора в плоскости сканирования; /?кр —
радиус кривизны изображения объектива; $ — расстояние ме-
жду сканирующим зеркалом и приемником излучения. Так,
например, для объектива с Do6 = 200 мм и fa6 = 320 мм
при у = 5° увеличение кружка рассеяния достигает не-
скольких миллиметров.
Оптическая схема системы сканирования с плоским зер-
калом, расположенным в сходящемся пучке лучей, приве-
дена на рис. 62, б. Тепловое излучение объекта фокусиру-
ется на приемник при помощи линзы из трехсернистого
мышьяка диаметром 95 мм со светосилой 1:2. Между лин-
зой и приемником находится сканирующее зеркало, уста-
новленное под углом 45°. Развертка поля зрения 2,7 х
х 2,7° осуществляется колебаниями зеркала под дейст-
вием электромагнитного устройства с частотой 800 Гц в го-
ризонтальной плоскости и 10 Гц — в вертикальной. Час-
тота развертки всего растра, состоящего из 80 горизонталь-
ных линий, 20 кадров/с. Ширина полосы видеочастоты,
требующейся для этой скорости развертки, равна 22 кГц.
Приемник излучения — сурьмянистоиндиевое фото-
сопротивление с чувствительной площадкой 0,5 х 0,5 мм,
охлаждаемое до температуры жидкого азота. При фокус-
ном расстоянии линзы 190 мм мгновенный угол зрения
прибора менее 10'.
В сканирующем устройстве предусмотрены элементы,
обеспечивающие электрическую синхронизацию кинескопа,
на который подаются выходные сигналы усилителя фото-
тока. Достаточно четкое изображение на экране кинеско-
па получается при наблюдении объектов с температурой,
отличающейся от температуры окружающей среды на 3°.
Оптическая система, приемник излучения и электронная
схема встроены в корпус с размерами 457 х 203 X 152 мм;
узлы питания и усилители образуют отдельный блок.
114
Следующая конструкция тепловизора с одноэлементным
приемником основана на способе сканирования, исполь-
зующем вращающиеся оптические клинья. Клин с прелом-
ляющим углом а, помещенный перед объективом, вызывает
отклонение пучка лучей на угол р « (п — 1) а, где п —
Рис. 63. Способ сканирования с вращающимися оптическими
клиньями (а) и общий вид передающей камеры (б):
/ — входное окно; 2 — вращающиеся оптические клинья; 3 — плос-
кое зеркало; 4 — зеркальный объектив; 5 — приемник излучения
с охлаждающим устройством; 6 —< элементы синхронизации; 7 —
электродвигатель.
показатель преломления материала клина. При вращении
клина с угловой скоростью вокруг оси 00, совпадающей с
осью объектива, луч, прошедший через клин, описывает
коническую поверхность, а точка М встречи луча с фокаль-
ной плоскостью — окружность (рис. 63, а).
Текущие координаты точки М:
и = a cos со/; 1
. . (3.2}
г = a sin со/. j ' '
Если два одинаковых клина вращать с разными скоростя-
ми coj и ю2 в противоположных направлениях, то точка М
115.
будет перемещаться по кривой, описываемой системой урав-
нений:
У = У1 + Уч = ai cos сог/ + «2 cos co2Z; 1
г = zx 4- z2 = оу sin 4- a2 sin co2Z. J '
Переходя от декартовых координат к полярным (р, <р), на-
ходим
р = V у2 + 22 =
= У (ах cos 4- а2 cos со2/)2 4- (ах sin сох/ 4- а2 siп со2/)2. (3.4)
В зависимости от отношений и сог/со2 получаются раз-
личные траектории сканирования (табл. 5) [30].
Таблица 5
Траектории сканирования, получающиеся при использовании враща-
ющихся клиньев
а>1/а>2
Уравнение траектории
Вид траектории
1
2
3
>4
3
0,25—4
1-1,1
1—1,1
со, — <в2
p=2acos^+^<p
р = а[5 4-
4- 4 cos — <в2) 0
р = а[104-
4- 6 COS (<»! — <и2) /] ’/•
Розеточная
<0,25
> — 0,25
Спиральная;
шаг спирали
. оу —ю2 ,
s = 4asln^+^<(P-''
ч . COt —ю2
+It>xs,ns^2It;
период полного цикла
(свертки и развертки)
<о? — <о2
2 (®i 4" мг)
Эпициклоидальная
Г ипоциклои дальная
К недостаткам способа сканирования с вращающимися
клиньями относятся нелинейность развертки во времени
и появление кружка рассеяния в изображении точки, обус-
ловленное движением клиньев.
В состав тепловизионной установки входят три блока:
1) передающая камера (рис. 63, б), содержащая механизм
вращения клиньев, приемник излучения с предусилителем
и элементы синхронизации; 2) усилитель, кинескоп и ор-
ганы управления установкой; 3) блок питания [35].
116
Передающая камера имеет форму цилиндра диаметром
200 мм и длиной 500 мм, масса ее около 35 кг. Защитное
окно расположено в передней части камеры. Сканирующее
устройство образовано двумя призмами диаметром 120 мм,
вращающимися в одном направлении с угловыми скоро-
стями 100 и 101 об/с. Это дает возможность получить спи-
ральную развертку, содержащую 50 витков. Разрешающая
способность вдоль диаметра составляет 100 точек, частота
кадров 2 кадра/с, угол зрения 32°. Так как призмы несим-
метричны, они должны быть механически сбалансированы.
Для этого служит вспомогательная балансировочная приз-
ма, имеющая форму диска. Оправы призм связаны с валом
электродвигателя мощностью 600 Вт.
Объектив — зеркальный и состоит из первичного пара-
болического и вторичного плоского зеркал. Диаметр па-
раболического зеркала 120 мм, фокусное расстояние
100 мм. Размер изображения в фокусе 0,4 мм, что меньше раз-
мера чувствительной площадки приемника излучения
(1 мм).
Приемником служит сурьмянистоиндиевое фотосопро-
тивление, работающее при температуре жидкого азота.
Пары азота подаются под давлением через отверстие к чув-
ствительной площадке приемника, находящейся в сосуде
Дьюара. Для предотвращения вибрации система охлажде-
ния помещена в корпус из виброзащитного материала (по-
лиуретановая пена). Внутреннее сопротивление приемника
порядка нескольких килоом, что позволяет согласовывать
его с предусилителем на транзисторах. Последний имеет
коэффициент усиления 20 000 и содержит схему повышения
контрастности, которая, изменяя порог детектирования,
увеличивает контрастность сигналов от низкотемператур-
ных объектов, находящихся на теплоизлучающем фоне.
Электрические фильтры, ограничивающие ширину полосы
пропускания системы усиления, содействуют процессу элек-
тронной фильтрации сигнала с выхода приемника. Общий
коэффициент усиления изменяется от 3 • 10е до 3 • 107;
полоса пропускания 25 кГц.
Изображение рассматриваемого объекта формируется
на экране электроннолучевой трубки с длительным после-
свечением. Синхронизация трубки со сканирующим устрой-
ством обеспечивается электромагнитными датчиками, рас-
положенными на оправе каждой из призм; за один оборот
выдается один импульс синхронизации.
117
Тепловизор позволяет обнаружить в ночных условиях
на открытой местности присутствие человека на расстоянии
600 м и автомашины на расстоянии нескольких километров.
Дальность обнаружения сопла самолета (диаметр 600 мм,
температура 600° С) порядка 100 км. Пороговый темпера-
турный контраст 0,02—0,03° при температуре окружающей
среды 20° С [35].
Известны также конструкции тепловизоров с одноэле-
ментным приемником и системой сканирования, состоящей
из колеблющегося плоского зеркала и вращающейся приз-
мы, расположенных в сходящемся пучке. Вращением че-
тырехгранной (или вообще 2п-гранной при п > 2) призмы
вокруг оси, перпендикулярной направлению развертки,
можно получить сканирование в одном направлении. При
этом неизбежно увеличение кружка рассеяния в изобра-
жении точечного источника. Даже в исходном положении,
когда грани призмы перпендикулярны оптической оси объ-
ектива, возникают большие аберрации, возрастающие с
увеличением толщины призмы (т. е. расстояния по перпен-
дикуляру между противоположными гранями), числа гра-
ней и угла сканирования. Так, например, при основной
длине волны четырехгранные призмы из Ge, Si и стекла
ИКС-23 толщиной около 30 мм увеличивают кружок рас-
сеяния в изображении точки на оси на 0,980; 1,55 и 2,3 мм
соответственно [42]. Эти аберрации можно уменьшить, при-
меняя сложную оптическую систему с несколькими линзами.
Формула, связывающая угол сканирования у с толщи-
ной призмы d, имеет вид:
d COS (Р + и) J____________cos (Р + »)____1 g
/об COSU [ /~1 sin-2 j’ • ’
где р — угол наклона грани к оси оптической системы; и —
угол между направлением луча, падающего на призму, и
осью объектива; п — показатель преломления материала
призмы. Максимальный угол наклона грани
Рмакс = Л -^2- , (3.6)
где k — число граней призмы.
Результаты расчета хода лучей через призмы, изготов-
ленные из различных материалов и расположенные за объек-
тивом, показали, что угол сканирования и угол поворота
призмы линейно зависимы. Аберрации при сканировании
11S
растут значительно. В изображении заданной точки кон-
центрируется не вся энергия, падающая на объектив, а
только часть ее; так при крайнем положении, когда углы
призмы совпадают с осью объектива, эта часть составляет
около 50%. Отмеченные недостатки способа сканирования,
основанного на использовании колеблющегося плоского
зеркала и вращающейся призмы, расположенных в сходя-
щемся пучке (увеличение аберраций, потеря энергии при
больших углах поворота призмы), окупаются его преиму-
ществами: простотой механических элементов, малой скваж-
ностью и небольшими размерами призмы.
Рис. 64. Схема передающей камеры тепловизора с вращаю-
щейся призмой:
/, 4 — электродвигатели; 2, 3 — фотодатчики синхронизирую-
щих сигналов; 5 — входное окно; 6 — колеблющееся плос-
кое зеркало; 7 — вращающаяся призма; 8 — зеркальный объ-
ектив; 9 — линзы; 10 — зеркало; 11 — приемник излучения с
охлаждающим устройством; 12 — предусилитель.
Схема передающей камеры тепловизора с рассмотрен-
ным способом сканирования показана на рис. 64. Кадро-
вая развертка изображения с частотой 16 кадров/с выпол-
няется колеблющимся плоским зеркалом, а строчная —
четырехугольной призмой. Последняя, вращаясь со ско-
ростью 400 об/с, обеспечивает развертку 1600 строк/с. Раз-
вертки синхронизируются с кинескопом фотодатчиками.
При использовании сурьмянистоиндиевого фотосопротивле-
ния, охлаждаемого до температуры жидкого азота, возмож-
но наблюдение объектов, температура которых отличается
от температуры окружающей среды на 0,1°.
Если тепловизор предназначен для работы на малых
дальностях, когда не требуется большая апертура входного
119
объектива, вращающаяся призма может быть помещена
перед объективом в пучке параллельных лучей. По такой
схеме построен французский тепловизор, предназначенный
для медицинских целей (рис. 65). Приведем некоторые его
параметры: количество строк разложения 100, частота кад-
Рис. 65. Схема тепловизора с вращающимся зеркальным
барабаном:
1 — излучение рассматриваемого объекта; 2 — приемник излу-
чения; 3 — охлаждающее устройство; 4 —- зеркальный барабан;
5 — двигатель привода барабана; 6. 12 — элементы синхрониза-
ция; 7, 11 — синхронизирующие сигналы; 8 — двигатель приво-
да сканирующего зеркала; 9 ~ кулачковый механизм; 10 —
сканирующее зеркало; 13 — зеркальный объектив; 14 — отра-
жательное зеркало; 15 — усилитель; 16 — видеосигналы для мо-
дуляции яркости кинескопа.
ров 2 кадра/с, полный угол зрения 24 X 32°, мгновенный
угол зрения 4 • 10~3 рад, пороговый температурный кон-
траст 0,026° для приемника излучения на основе германия,
легированного ртутью, и 0,058° — для сурьмянистоиндие-
вого приемника [108].
Рассмотрим тепловизоры с линейным многоэлементным
приемником и одномерным сканированием. Один из первых
таких тепловизоров разработан фирмой «Истмен-Кодак»
(США). Приемник излучения, представляющий набор из
50 сернистосвинцовых фотосопротивлений, смонтированных
120
в линию на твердом стержне, может поворачиваться отно-
сительно оси, проходящей через центр кривизны зеркаль-
ного объектива. Стержень колеблется в горизонтальной
плоскости с частотой 4—5 Гц при помощи кулачкового ме-
ханизма.
Каждый элементарный приемник излучения просматри-
вает участок фокальной плоскости, высота которого опре-
Рис. 66. Оптическая схема передаю-
щей камеры тепловизора с многоэле-
ментным линейным приемником излу-
чения:
/ —. приемник излучения с охлаждающим
устройством; 2, 10 — плоские зеркала;
5 — крутильная пружина; 4 — сканирую-
щее зеркало; 5 — элемент обратной связи
и синхронизации; 6 — усилитель мощнос-
ти; 7 — электромагнит; 8 — сигнал син-
хронизация; 9 — зеркальный объектив;
11 — перекрывающая диафрагма.
деляется шириной линии приемников, а длина — амплиту-
дой колебаний. Приемник визирует площадку изображения
10~3 X 10“3 рад ; поле обзора составляет 3 X 20° и про-
сматривается при каждом колебании стержня. Элементар-
ные приемники снабжены индивидуальными усилителями,
сигналы которых возбуждают неоновые лампы. Благодаря
этому удается получить видимое изображение объекта.
Прибор способен давать развертку с частотой до
10 кадров/с, которая обеспечивается тем, что для каждой
линии развертки используется отдельный приемник излу-
чения.
Рассмотренную конструкцию тепловизора нельзя счи-
тать удачной и современной. Наличие подвижных прием-
ников с большим числом усилителей приводит к низкой
надежности прибора, а изображение рассматриваемого
объекта, получаемое с помощью неоновых ламп, недостаточ-
но четкое.
В тепловизорах с многоэлементным приемником излу-
чения, разработанных в последние годы, чувствительные
элементы неподвижны; каждый элемент имеет свой пред-
усилитель, а видеоусилитель общий. Предусилители под-
ключаются последовательно к видеоусилителю посредст-
вом механического или электронного коммутатора.
121
Один из таких тепловизоров содержит многоэлементный
приемник, состоящий из 100 квадратных элементов InSb
размером 250 X 250 мкм и охлаждаемый до 77 К. Угловое
разрешение прибора 10~3 рад, поле зрения 26 • 10-2 рад
(15°) по горизонтали и 10-1 рад (6°) по вертикали [86].
В передающей камере тепловизора (рис. 66) излучение
фокусируется сферическим зеркалом, фокусное расстояние
которого 250 мм, диаметр 100 мм и пятно рассеивания по-
рядка 250 мкм. Сканирование по горизонтали производится
зеркалом диаметром 150 мм, движение которого подчиняет-
ся синусоидальному закону (частота 20 Гц) *. Если длина
линейки приемных элементов 30 мм, расстояние между фо-
кусирующим и сканирующим зеркалами 350 мм.
Частота колебаний сканирующего зеркала определяется
его моментом инерции и жесткостью крутильной пружины,
на которой оно подвешено. При движении зеркала некон-
тактный датчик выдает сигнал обратной связи, соответст-
вующий перемещению зеркала. Этот сигнал усиливается
усилителем мощности и подается на обмотку электромагни-
та, воздействующего на легкую железную арматуру, при-
крепленную к зеркалу. Фаза сигнала обратной связи вы-
брана такой, чтобы обеспечить незатухающие колебания
зеркала.
Выходной сигнал неконтактного датчика, соответствую-
щий определенному положению сканирующего зеркала,
используется одновременно для синхронизации горизон-
тального перемещения электронного пятна по экрану ин-
дикатора.
Сканирование выполняется по горизонтали в угле ±15°.
Поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной ли-
нейки элементарных приемников излучения.
Функциональная схема усилительно-индикаторного бло-
ка изображена на рис. 67. Элементы из сурьмянистого ин-
дия с сопротивлением порядка 1 кОм питаются постоянным
током и имеют емкостную связь с предварительными усили-
телями. Коэффициент усиления предусилителей по напря-
жению 1000, что позволяет усиливать минимальный сиг-
* Для того чтобы избежать потери времени на обратный ход, более
желательным было бы сканирование зеркала по пилообразному закону.
Однако практически такой закон движения зеркала, сравнительно
большого диаметра, реализовать не удалось вследствие возникающих
вибраций.
122
нал с элемента от 5 мкВ до уровня 5 мВ, при котором ком-
мутируются сигналы.
В качестве переключающего элемента использован
МОП-транзистор. Каждый блок переключателя содержит
10 таких транзисторов, соединенных последовательно с
10 приемными элементами, и один шунтирующий
МОП-транзистор, соединенный с общим выходом блока.
Назначение шунтирующего транзистора — мгновенное га-
шение сигнала и запирание канала в промежутках между
Рис. 67. Функциональная схема усилительно-индикаторного блока
Л _ усилитель; Б, В, Г — десятнканальные переключатели; Д — видеоуси-
литель; М — вход сигнала сканирования кадров; Л — вход сигнала сканиро-
вания строк; К — индикаторная трубка.
выборками. Десять выходных сигналов, полученных при
первой выборке, далее переключаются с помощью десяти-
позиционного группового переключателя.
Видеоусилитель, который стоит за переключателем, рас-
считан для работы в нелинейном режиме, что предотвра-
щает перегрузку индикаторной трубки при наблюдении
высокотемпературных объектов.
Индикаторная трубка с диаметром экрана 150 мм имеет
магнитную отклоняющую систему. Горизонтальное переме-
щение электронного пятна синхронизировано с движением
зеркала и должно быть синусоидальным для предотвра-
щения искажения изображения. Вертикальное перемеще-
ние пятна линейно и синхронизировано с циклом пере-
ключения.
При среднем значении обнаружительной способности
чувствительных элементов D* =4-1010 см — и при
отношении сигнал/шум, равном единице, разрешающая
способность тепловизора по температуре составляет 0,3°
без учета влияния атмосферы.
123
В схеме тепловизора фирмы «Plessy» используется мно-
гоэлементный линейный приемник излучения на основе
триглицинсульфата (ТГС) из 128 элементов, расположен-
ных совместно с МОП-усилителями и схемой выборки сиг-
нала на стеклянной подложке. С каждого элемента снимают-
ся сигналы, соответствующие одной строке 128-строчного
изображения. Развертка
лом
одновременном
при
68.
Система сканиро-
многогранной при-
Рис.
вания с
змой:
I — линейка чувствительных
элементов; 2 — объектив; 3 —
усеченная зеркальная пирами-
да; 4 — двигатель вращения пи-
рамиды.
всех строк осуществляется зерка-
облучении всех элементов прием-
ника. Преобразование парал-
лельного ввода в последова-
тельную развертку по кадру
выполняется схемой выборки,
которая синхронизирована с ме-
ханическим прерывателем, уста-
новленным перед многоэлемент-
ным приемником. Развертка
изображения осуществляется по
столбцам, каждый элемент столб-
ца отображается последователь-
но в направлении сверху вниз;
частота кадров 0,5 кадров/с.
Размеры элемента приемника
0,4 X 0,4 X 0,5 мм. Задние по-
верхности элементов укрепляют
на стеклянной подложке при по-
мощи электропроводящей смолы
и связывают общим электродом.
На переднюю поверхность эле-
ментов нанесены тонкопленоч-
ные индивидуальные электроды
из нихрома, имеющие высокую прозрачность в инфракрас-
ной области спектра.
Каждый индивидуальный электрод связан проводом
с МОП-усилителем, шириной не более 0,25 мм. Входная
емкость предварительного усилителя менее 1 пФ, коэффи-
циент усиления по напряжению 2,7, входное сопротивле-
ние более 1011 Ом. Регистр сдвига на 128 разрядов пооче-
редно опрашивает выходы усилителя, последовательно ге-
нерируя сигналы.
Новая система сканирования для тепловизора с много-
элементным приемником предложена М. М. Мирошниковым
и Е. Я. Кариженским [28J. Сканирующая усеченная пира-
мида (рис. 68), вращаемая двигателем, выполнена так, что
124
ее грани имеют разные углы наклона к оси. За один оборот
пирамиды, имеющей т граней, получается т строк разло-
жения. Максимальное значение углового размера строки
у зависит от числа граней и коэффициента k, связывающе-
го угол поворота пирамиды с углом отклонения оптиче-
ской оси прибора:
—. (3.7)
т
k
Этому значению угла соответствует время Тг обзора одно-
го поля кадра; полное время обзора кадра
(3-8)
где п — угловая скорость вращения пирамиды.
Коэффициент использования пирамидального зеркала
т]= 1 - arctg(^-- 1)-^-, (3.9)
где О — диаметр основания пирамиды; с/об — диаметр вход-
ного зрачка объектива.
При сравнительно малых габаритах еистемы = 2 -т-4\
\ “об /
большое значение ц возможно только при т < 3. При боль-
шем числе граней значительную величину коэффициента
использования можно получить при значениях отноше-
ния — > 4, что связано со значительными габарита-
ми зеркальной пирамиды.
Особенностью тепловизора (рис. 69), разработанного
советскими учеными Б. П. Козыревым и Б. В. Василье-
вым, является использование в качестве приемника излу-
чения линейки радиационных термоэлементов, последова-
тельно подключаемых через коммутатор к фотоэлектро-
оптическому усилителю (ФЭОУ) [33].
Излучение рассматриваемого объекта фокусируется зер-
кальным объективом в плоскости изображения, где распо-
ложена термобатарея, состоящая из сорока радиационных
термоэлементов, идентичных по параметрам. Элементы по-
следовательно подключаются вращающимся коммутатором
через общий компенсирующий термоэлемент к гальвано-
метру, являющемуся входным звеном ФЭОУ. Выходной
сигнал ФЭОУ снимается с дифференциально включенных
125-
кремниевых фотоэлементов и после усиления подается на
фотозаписывающее устройство с неоновой лампой. Запись
изображения объекта осуществляется на барабане с фото-
бумагой. Уровень сигнала контролируется миллиампер-
метром. В случае необходимости наблюдения на экране,
Рис. 69. Принципиальная схема тепловизора с радиаци-
онными термоэлементами и фотоэлектрооптическим уси-
лителем:
/ — зеркальный объектив; 2 — батарея термоэлементов; 3 —
вращающийся коммутатор; 4 — гальванометр; 5 — ФЭОУ; 6 —
кремниевые фотоэлементы; 7, 8 — усилители постоянного тока;
9 — миллиамперметр; 10 — неоновая лампа; 11 — барабан с
фотобумагой; 12 — электродвигатель привода барабана, комму-
татора, объектива и записывающего устройства; 13 — резистор
обратной связи; 14 — потенциометр компенсирующего сигнала;
15 — общий компенсирующий термоэлемент.
а не фотозаписи получаемого изображения, выходной сиг-
нал усилителя постоянного тока используется для моду-
ляции кинескопа.
За один оборот барабана коммутатор, кинематически
«вязанный с ним, последовательно подключает все сорок
термоэлементов к ФЭОУ. Одновременно с вращением ба-
рабана фотозаписывающее устройство перемещается вдоль
оси барабана, а зеркальный объектив поворачивается от-
126
носительно вертикальной оси, благодаря чему осуществ-
ляется сканирование по горизонтали.
С выхода усилителя 7 через делитель, образованный ре-
зистором и компенсирующим термоэлементом, на гальва-
нометр подается отрицательная обратная связь, которая
уменьшает постоянную времени ФЭОУ и повышает скорость
записи изображения.
С целью повышения чувствительности прибора при на-
блюдении элементов объекта, имеющих малую разность тем-
ператур при сравнительно высокой средней температуре
объекта, предусмотрена подача на вход ФЭОУ сигнала с
потенциометра, компенсирующего усредненный по всем
элементам разложения входной сигнал термобатареи.
Основные параметры элементов прибора:
фокусное расстояние объектива 500 мм, относительное
отверстие 1:2;
площадь чувствительной площадки отдельного термо-
элемента 1 X 1 мм2, сопротивление 4,2 Ом, чувствитель-
ность 0,22 В/Вт;
суммарный коэффициент усиления по напряжению для
ФЭОУ и усилителя 7 при отключенной обратной связи равен
10®, постоянная времени 0,18 с; при максимальной отри-
цательной обратной связи « 10® и 0,013 с соответственно;
угловая разрешающая способность (2 X 2) • 10 6 рад ,
число строк разложения 40, число столбцов 60, минималь-
ная регистрируемая разность температур соседних элемен-
тов объекта при работе коммутатора порядка 1°.
11. ТЕПЛОВИЗОРЫ С ФОТОЭЛЕКТРОННЫМИ
СИСТЕМАМИ СКАНИРОВАНИЯ
Сущность фотоэлектронной системы сканирования со-
стоит в том, что изображение исследуемого теплового поля
проецируется на чувствительную площадку приемника,
а затем «просматривается» электронным лучом, управляе-
мым электростатическим или магнитным полем. Эти систе-
мы сканирования достаточно перспективны, так как с их
помощью можно следить за кратковременно протекающими
процессами и за быстро перемещающимися объектами. Од-
нако недостатками таких систем являются сложность элект-
ронных схем и невозможность просмотра большого поля
127
из-за ограниченных размеров чувствительной площадки
приемника.
Приборы с фотоэлектронными системами сканирования,
предназначенные для получения телевизионных изображе-
ний низкотемпературных объектов в ночных условиях, мож-
но условно разделить на три группы:
телевизионные передающие трубки, основанные на ис-
пользовании отраженного (рассматриваемым объектом) из-
лучения Луны и звездного неба;
телевизионные передающие трубки, основанные на ис-
пользовании собственного теплового излучения объектов;
специальные приборы с фотоэлектронным сканирова-
нием для тепловизионных устройств.
Телевизионные передающие трубки, работающие при
низких уровнях освещенности. Телевизионные передаю-
щие трубки интегрируют и запоминают оптическую инфор-
мацию в интервалах между двумя последовательными ска-
нированиями их мишени считывающим электронным лу-
чом, благодаря чему они имеют высокую чувствительность.
Обычные телевизионные передающие трубки способны нор-
мально работать только при высоких уровнях освещенно-
сти объектов. Так, например, в случае применения объек-
тивов с относительным отверстием 1 : 2 минимальные зна-
чения освещенности составляют: для супериконоскопа
1000 лк, видикона 300 лк, ортикона 150 лк, суперортикона
Ли-201 60 лк, для суперортикона Ли-17 200 лк. Поэтому,
используя даже наиболее чувствительные передающие труб-
ки, невозможно наблюдать объекты в ночных условиях.
Основные факторы, ограничивающие чувствительность
телевизионных трубок,— шумы предварительного усили-
теля и коммутирующего электронного пучка. Поэтому для
повышения чувствительности трубок необходимо усилить
фототок, прежде чем электронный пучок скоммутирует за-
ряд, накопленный на мишени.
Одной из первых телевизионных передающих трубок,
предназначенных для работы при низких уровнях освещен-
ности, является суперортикон, соединенный с ЭОП (рис. 70);
разработан в 1955—1960 гг. [122]. Его чувствительность
при малых освещенностях превосходит чувствительность
всех известных приборов такого типа.
Элементы 1—5 образуют ЭОП, а элементы 6—12 — су-
перортикон. Экран преобразователя состоит из тонкой стек-
лянной подложки, на которую с одной стороны нанесен
128
алюминированный люминофор (сульфид цинка, активиро-
ванный серебром), а с другой — сурьмяноцезиевый фо-
токатод. С помощью алюминиевой пленки улучшается
оптический контакт между люминофором и фотокатодом
вследствие отражения света от ее поверхности и устраняет-
ся обратная связь между люминофором и первичным фото-
катодом.
Фотоэлектроны, испускаемые первичным многощелоч-
ным фотокатодом при попадании на него оптического изоб-
Рис. 70. Схема суперортикона, соединенного с ЭОП:
/ — фотокатод; 2 фокусирующая система; 8 — элек*
тронное изображение объекта; 4 — анод (алюминиевая
трубка); 5 ** экран; в — кялъъ суперортикона; 7 — ус-
тройство для формирования вторичного электронного
изображения; 8 — анод; 9 — стеклянная мишень; 10> //—-
электронный луч; 12 фотоэлектронный умножитель.
ражения объекта, ускоряются высоким напряжением и
фокусируются на экране ЭОП электростатической линзой.
Пробивая тонкую пленку алюминия, фотоэлектроны воз-
буждают люминофор, свечение которого вызывает эмиссию
фотоэлектронов со вторичного фотокатода. Благодаря
устройству 7 фотоэлектронное изображение переносится на
стеклянную мишень суперортикона, создавая на ней по-
тенциальный рельеф, считываемый электронным лучом.
На мишени в местах с наибольшим положительным по-
тенциалом, соответствующих наибольшей освещенности на-
блюдаемого объекта, электронный луч, компенсируя этот
потенциал, оставляет большое число электронов, но часть
их возвращается обратно и попадает на фотоэлектронный
умножитель. Для участков мишени, подвергшихся воздей-
ствию меньшего числа первичных электронов фотокатода,
т. е. соответствующих меньшей освещенности объекта, не-
обходимо меньшее число электронов для компенсации по-
тенциала, и число возвратившихся в луче 11 электро-
нов будет большим. Таким образом, поток электронов,
5 5-2
129
возвращающихся с мишени на фотоэлектронный умножитель,
оказывается промодулированным в соответствии с осве-
щенностью. отдельных участков фотокатода. Усиленный
умножителем поток электронов создает телевизионный сиг-
нал.
Если спектральные характеристики экрана ЭОП и вто-
ричного фотокатода согласованы, то при ускоряющем на-
Рис. 71. Кривые зависимости
разрешающей способности су-
перортиконов от освещенности
фотокатода:
/ — суперортикон с двухкаскадным
ЭОП; 2 — суперортикон с однокас-
кадным ЭОП; 3 — суперортикон с
мишенью нз окиси магния; 4 — су-
перортнкон стандартный.
пряжении 10 кВ однокамер-
ный ЭОП обеспечивает усиле-
ние по току в 10—20 раз, а
двухкамерный — в 300 раз.
Количество каскадов усиле-
ния яркости ограничивается
падением разрешающей спо-
собности, которая зависит от
аберраций электроннооптиче-
ской системы и от рассеяния
света на пути между люми-
несцирующим слоем и фото-
катодом. При оптимальной
толщине слоя люминофора и
подложки удается достичь раз-
решающей способности в цен-
тре поля зрения 600—650 ли-
ний при одном каскаде усиле-
ния яркости, а при двух
каскадах — 450 линий. Опытный американский образец
трубки дает хорошее изображение предметов в условиях
ясного звездного неба и удовлетворительное изображение
при облачности и отсутствии луны [5]. Уровень освещен-
ности, характерный для этих условий, колеблется в преде-
лах 0,01—0,001 лк. Трубка позволяет получить изобра-
жение с разрешающей способностью, соответствующей
100-строчному разложению, и освещенностью на фотокато-
де 5 • 10~7 лк [291.
На рис. 71 приведены кривые зависимости разрешающей
способности R от освещенности Еф фотокатода для супе-
рортиконов с одним и двумя каскадами усиления (81].
При высоких уровнях освещенности кривая разрешающей
способности суперортикона с двухкаскадным ЭОП прохо-
дит немного ниже, так как дополнительный каскад вызы-
вает потерю разрешающей способности. При низких уров.
нях освещенности введение даже одного каскада ЭОП силь-
130
но повышает разрешающую способность по сравнению с
обычным суперортиконом, а введение второго каскада дает
небольшое увеличение разрешающей способности.
Для сравнения на том же рисунке приведена характе-
ристика высокочувствительного суперортикона с мишенью
из окиси магния и многощелочным фотокатодом. При
низких уровнях освещенности такой суперортиконзначитель-
но более чувствителен, чем стандартный.
Рис. 72. Схема трубки со вторично-электронной проводимостью
(ВЭП):
/ — волоконный светопровод; 2 •— фотокатод; 3 — фокусирующий
электрод; 4 — сигнальная пластина; 5 — КС1; 6 —• экран» нанесенный
на стенку колбы; 7» 8, 9 — фокусирующие электроды; 10 — видеосиг-
нал; 11 — нагрузочный резистор.
Иногда, например при астрономических наблюдениях,
когда освещенность незначительна, целесообразно перед
считыванием накапливать заряды в течение длительного
времени. Одной из разработанных для этого трубок явля-
ется телевизионная передающая трубка с вторично-элект-
ронной проводимостью (ВЭП) *. В этой трубке в качестве
механизма накопления заряда на мишени, вместо вторичной
электронной эмиссии, как в обычном суперортиконе, ис-
пользуется эффект проводимости в диэлектрике, наведен-
ной электронной бомбардировкой.
Схема трубки с ВЭП приведена на рис. 72 [135, 1371.
Конструктивно она выполнена в виде двух секций А и В,
между которыми расположена мишень. Секция А — одно-
камерный ЭОП с электростатической фокусировкой, <|юр-
мирующий электронное изображение рассматриваемого
* В отечественной литературе распространено также другое назва-
ние такой трубки — секои.
5* 131
объекта. Проектируемое на экран трубки плоское изобра-
жение передается по волоконному светопроводу на фотока-
тод, где создается искривленное изображение, что необхо-
димо для компенсации кривизны поля за счет электроста-
тического фокусирующего действия электрода. Потенциал
фотокатода 8 кВ, поэтому эмиттированные фотоэлектроны
ускоряются и при соударении с мишенью имеют энергию
8 кэВ.
Мишень состоит из основания в виде слоя А1аО3 толщи-
ной 700 А, слоя алюминия толщиной 500 А и слоя КС1 ма-
лой плотности. Слой алюминия служит сигнальной пласти-
ной и осаждается испарением в вакууме на слой А1аО3.
После этого на алюминий испарением осаждается слой КС1.
Плотность этого слоя составляет около 2% от плотности
монолитных образцов К.С1, толщина слоя 25 мкм, что соот-
ветствует поверхностной плотности 10~8 Н/см2. Мишень
укрепляют на металлическом кольце диаметром 20—25 мм.
Фотоэлектроны с энергией 8 кэВ проходят через слои
А1аО3 и А1 и теряют значительную часть своей энергии в
слое КО, образуя большое число медленных вторичных
электронов. Но потенциальный рельеф на мишени созда-
ется не только этими электронами. Под действием электри-
ческого поля большинство вторичных электронов первона-
чально собирается сигнальной пластиной, благодаря чему
положительный заряд слоя КС1 возрастает. Вторичные
электроны, прошедшие через этот слой, отбираются экра-
ном, нанесенным на стенку колбы, продолжая увеличи-
вать положительный потенциал слоя. Потенциальный
рельеф на мишени представляет собой аналог исходного оп-
тического изображения и сохраняется без разрушения в
течение длительного промежутка времени, достигающего
30 мин.
Секция В — электронное коммутирующее устройство
с электронной пушкой и электромагнитной системой для
отклонения луча. Во время коммутации мишени разверты-
вающим электронным лучом происходит электрический
разряд мишени последовательно от одной ее точки к другой.
При этом возникают импульсы тока, создающие напряже-
ние видеосигнала на нагрузочном резисторе. Перед ми-
шенью установлены две сетки: одна служит для замедления
развертывающего электронного луча, другая предотвра-
щает повреждение мишени при чрезмерной засветке фото-
катода.
132
В состав устройства обработки видеосигнала входят ви-
деоусилитель с логарифмической амплитудной характери-
стикой и импульсный демодулятор, который устанавливает
определенный уровень сигнала по постоянному току и по-
давляет сигналы помех.
По данным американских специалистов трубка с ВЭП
и кислородноцезиевым фотокатодом чувствительностью 4 X
X 10-5А/лм позволяет получать изображение предметов,
создающих освещенность на фотокатоде 3 • 10 лк. Это
почти в 200 раз меньше необходимой освещенности при пере-
даче изображений обычным суперортиконом. В случае при-
менения сурьмяноцезиевого фотокатода чувствительность
трубки увеличивается и минимально необходимый уровень
освещенности фотокатода уменьшается до 10-5 — 10~б лк,
что позволяет вести наблюдение объектов в ясную безлун-
ную ночь.
Благодаря большой длительности запоминания сигнала,
можно использовать трубку в телевизионных камерах с
медленной разверткой. Такие камеры действуют как фото-
аппараты, работающие с короткими экспозициями и медлен-
ной разверткой считывания. В промежутках между экспо-
нированием изображение хранится на поверхности мишени
трубки аналогично'тому, как хранится изображение на не-
проявленной фотопленке. Параметры одной из опытных
телевизионных установок для космического летательного
аппарата: формат кадра 3X4, светосила объектива 1 : 1,4,
число строк разложения 248, число элементов в строке 180,
диапазон освещенности 5,4 • 1СГ4—1,1 • Ю-4 лк, масса
около 4 кг, потребляемая мощность 3,3 Вт [136].
Основной недостаток трубки с ВЭП — значительное
время, требующееся для стирания предыдущего электронно-
го изображения дотого, кактрубка примет следующий кадр.
К недостаткам следует также отнести появление ореола
на экране при резких изменениях уровня освещенности.
Отношение сигнал/шум на выходе передающей теле-
визионной трубки с накоплением зарядов для точечного
объекта на однородном фоне
N
Ф = —7=-, (3.10)
ид'ф
где No и Л’ф — среднее количество фотонов соответственно
от объекта и от фона в зоне накопления, под которой
133
понимают площадь фотокатода, соответствующую площади
действующей части считывающего электронного пучка.
Если считать, что весь световой поток от точечного объек-
та сосредоточен в зоне накопления, то за время экспози-
ции t среднее количество фотонов от такого объекта
No= —~Eaxt, (3.11)
где £>об — диаметр объектива; Е — освещенность, созда-
ваемая точечным объектом в плоскости входного зрачка;
т — коэффициент пропускания объектива; а = 1,3 х
X Ю16 фотон/лм • с.
Среднее количество фотонов от фона за время экспози-
ции в зоне накопления
= -----(3.12)
/об
где Вф — яркость фона; — фокусное расстояние объек-
тива; — эффективная площадь зоны накопления.
С учетом квантового выхода фотокатода У находим
♦ = Т8Г- (ЗЛЗ>
Из формулы (3.13) видно, что отношение сигнал/шум рас*
тет пропорционально произведению диаметра объектива на
его фокусное расстояние и падает с увеличением зоны на-
копления, так как число квантов фона, попадающих в зону
накопления, увеличивается, в то время как число квантов
объекта при сделанном ранее допущении сохраняется неиз-
менным. Отношение сигнал/шум прямо пропорционально
квадратному корню из времени экспозиции и обратно про-
порционально квадратному корню из яркости фона.
Максимальное время экспозиции определяется допу-
стимой глубиной потенциального рельефа /7ДОП, так как
при больших экспозициях может произойти насыщение и
дальнейшее накопление зарядов приостановится.
Условие отсутствия насыщения [60]:
Сдоп > Сф, (3-14)
где (2ДОП и фф — величины допустимого заряда в зоне на-
копления и заряда, обусловленного фотонами от фона.
Обозначив С — емкость единицы площади мишени, е —
134
заряд электрона и G — коэффициент усиления мишени,
получим:
Qppn — СС/доп^эф!
nD1 2
<2ф = gY eG 2— тВф/Одф;
4/об
t ___________СС/д0П______
‘макс — Т~г> V
А-аУСН-т^-) тВф
4 \ /об
(3.15)
При обнаружении движущихся объектов время накоп-
ления должно удовлетворять дополнительному условию:
(3-16)
где v — скорость движения изображения объекта на фото-
катоде трубки.
Из новейших разработок можно отметить телевизионную
трубку SEM (Silicon Electron Multiplication), способную
на катоде порядка 10~5 лк
2
работать при освещенностях
[120]. Трубка (рис. 73) со-
стоит из двух секций: сек-
ции переноса изображения
и секции сканирования.
Первая представляет собой
однокамерный ЭОП с элек-
тростатической фокусиров-
кой, создающий электрон-
ное изображение рассмат-
риваемого объекта. Размер
электронного изображения
на мишени 9,5 X 12,7 мм.
Считывание изображения
производится медленными
электронами.
электронного луча и его
фокусировка осуществляют-
ся так же, как и в види-
коне, магнитным полем.
Главным элементом труб-
ки является мишень (рис.
73, 6). Одна сторона мише-
ни выполнена из кремния
Развертка
S
/мкН
20мк».
Рис. 73. Схема телевизионной пе-
редающей трубки SEM (а) и попе-
речное сечение мишени (6):
1 *—* объектив; 2 — секция электронно-
го переноса изображения; 3 — секция
сканирования; 4 —. выходной сигнал;
5 — светопоглощакмцнЙ слой; 6 — пр-
елой; 7 — островки р-тнпа; 8 крем-
ний л-тнпа; 9 -* окись кремния SiO7.
135
n-типа, в который вкраплены островки p-типа, получающиеся
диффузией бора через отверстия диаметром 6 мкм и глубиной
15 мкм. Островки разделены между собой окисью кремния
SiOa и образуют с основой элементарные диоды. На другой
стороне п+-слой получен диффузией фосфора на глубину
от 0,1 до 0,3 мкм. Поглощающий слой представляет собой
тонкую металлическую пленку, расположенную перпенди-
кулярно потоку фотоэлектронов, образующемуся в первой
секции. Диапазон освещенностей фотокатода, при которых
трубка может работать, 10~2 —10-5 лк.
Телевизионные передающие трубки, чувствительные в
ИК-области спектра. В последние годы разработано много
новых образцов телевизионных передающих трубок, чув-
ствительных к излучению в инфракрасной области спектра.
Несмотря на различные названия, все они имеют однотип-
ную схему устройства, аналогичную видикону, и отличают-
ся только конструкцией и материалом мишени.
Область спектральной чувствительности видиконов за-
висит от свойств применяемого полупроводника, который
выбирается в зависимости от назначения прибора. Для хо-
рошего накопительного действия слоя его удельная про-
водимость должна быть порядка 10-11 Ом-1 • см~‘. Это ус-
ловие является довольно тяжелым для слоя, чувствитель-
ного к инфракрасным лучам, так как его проводимость и
длинноволновая граница чувствительности связаны между
собой и определяются через энергию перехода АД: чем
меньше АД, тем больше проводимость и длинноволновая
граница. Расширение спектральной области чувствитель-
ности видикона можно получить с помощью слоя зернистой
структуры, запорного слоя, или вводя в слой низкоомный
материал, чувствительный к ИК-лучам.
Принцип работы видикона с монокристаллической по-
лупроводниковой мишенью иллюстрируется рис. 74, а.
В вакуумированном баллоне с прозрачным для инфракрас-
ных лучей входным окном расположена полупроводнико-
вая мишень. Толщина мишени выбирается настолько малой,
что возможна ее работа «на прострел», т. е. излучение рас-
сматриваемого объекта фокусируется объективом на лице-
вую сторону, а развертка электронным лучом производится
с тыльной стороны. Даже с учетом потерь на оптическое из-
лучение в толще полупроводника эта конструкция обеспе-
чивает высокую чувствительность в заданной области спек-
тра.
136
Для развертки тыльной поверхности мишени внутри труб-
ки располагается электронный прожектор, состоящий из
катода, управляющего электрода и трех анодов. Третий
анод 8 выполнен в виде цилиндра и заканчивается мелко-
структурной тормозящей сеткой, благодаря которой на-
правление движения электронов к мишени перпендикуляр-
но всей поверхности.
Развертывающий луч отклоняется и фокусируется с по-
мощью отклоняющей и фокусирующей катушек, располо-
женных на баллоне. Корректирующая катушка служит для
совмещения оси электронного пучка с осью магнитного
фокусирующего поля.
Рис. 74. Схема видикона, чувствительного к ИК-облас-
ти спектра:
/ — объектив; 2 входное окно; 3 — мишень; 4 — тормозя-
щая сетка; 5 — фокусирующая катушка; 6 — стеклянный ва-
куумированный баллон; 7 — отклоняющая катушка; 8, 9,
10 — аноды; 11 — корректирующая катушка; 12 — управляю-
щий электрод; 13 — катод; 14 — видеосигнал.
Эквивалентная схема мишени (рис. 74, б) может быть
представлена в виде элементарных емкостей Cl, С2, .... Сп,
зашунтированных резисторами Rl, R2, ..., Rn, сопротив-
ление которых зависит от интенсивности излучения, по-
павшего на элемент. При коммутации мишени разверты-
вающий луч заряжает элементарную емкость, доводя по-
тенциал правой пластины до нуля. Ток заряда протекает
через резистор Rlt, создавая падение напряжения (видео-
сигнал). Для участка мишени, на который не попадает
137
излучение, зарядный ток равен нулю; для участка наи-
большей облученности ток максимальный. С нагрузочного
резистора Дн снимается видеосигнал, представляющий со-
бой серию импульсов, площадь которых пропорциональна
интенсивности излучения, попадающего на данный элемент
мишени.
Одна из конструкций видикона изображена на рис. 75.
Мишень изготовлена из монокристалла германия с длин-
новолновой границей чувствительности около 2,5 мкм.
Для того чтобы слой не разрушался электронным лучом,
Рис. 75. Видикон с мишенью из моно-
кристалла германия:
/ — модулятор; 2 — коллимирующая ка-
мера; з — световой луч накаленного като-
да; 4 — замедляющая сетка; 5 — вывод
видеосигнала; 6 — трубопроводы с расши-
рительными соплами для подачи жидко-
го азота; 7 входное окно; 8 — контур
охлаждения; 9 — мишень; 10 — электрон-
ный луч; 11 — электроннооптическая сис-
тема; 12 катод.
сканирование осуществляется медленными электронами.
Равномерное тормозящее поле перед мишенью обеспечи-
вается сеткой.
Разработка эффективной и несложной системы охлажде-
ния мишени оказалась сложной задачей. После опробова-
ния ряда вариантов была выбрана система охлаждения
продуктами испарения жидкого азота, непрерывно посту-
пающего в трубопровод из сосуда Дьюара. Температура
78 К поддерживается при расходе жидкого азота 30 см3/ч.
Для устранения термических напряжений все детали
системы охлаждения изготовлены из одного металла, дета-
ли соединяются автогенной сваркой. В качестве термоизо-
ляции используется вакуум; конденсация инея на поверх-
ности входного окна трубки устранена.
Эффективное считывание теплового изображения объек-
та на мишени (при скорости развертки 50 кадров/с) оказа-
лось возможным при высоком значении электронного тока
138
луча (2,5 мкА). Последнее обусловило конструкцию элект-
ронного прожектора со сравнительно большими отверстия-
ми в модуляторе и электроде, благодаря чему используется
значительная часть эмиттирующей поверхности катода.
Излучение, создаваемое накаленным катодом, приводит
к засветке мишени. Это явление можно устранить, накло-
няя ось электроннооптической системы относительно гео-
метрической оси трубки на угол 4°; при этом световые лучи
катода не попадают на мишень. «Выпрямление» электрон-
Рис. 76. Мишень на основе InAs (а) и спектральная характе-
ристика видикона (б):
I — падающее тепловое излучение; 2 — л+-область; 3 — п-область;
4 — сканирующий электронный луч; 5 — р-область.
ного луча производится поперечным магнитным полем, а его
фокусировка перед мишеиью — аксиальным полем.
Крутизна характеристики трубки 1,9 мкА/B при токе
луча 5,7 мкА и напряжении на мишени 5В. При относитель-
ном отверстии объектива 1 : 4,5 с помощью трубки разли-
чаются объекты с температурой поверхности 180° С; для
объектива с относительным отверстием 1 : 1,5 пороговая тем-
пература снижается до 150° С. При меньшей температуре
трубка может различать только подсвечиваемые объекты.
Советскими специалистами разработан видикон с моно-
кристаллической полупроводниковой мишенью для работы
в области до 4 мкм. При испытании трубки получены теле-
визионные изображения объектов, нагретых до темпера-
туры 125° С и выше. Пороговая мощность облучения при
этой температуре составляет 1 • 10~5 Вт/см2. Получаемое
изображение практически безынерционно 11].
К числу новейших разработок относятся видиконы с
мишенью на основе InAs, а также видиконы с пироэлек-
трической и матричной мишенями. В первых (рис. 76, а)
139
n-область обращена к теплоизлучающему объекту, р-область
сканируется электронным лучом. Спектральная характе-
ристика видикона изображена на рис. 76, б. Максимум спек-
тральной чувствительности приходится на длину волны
X = 3,25 мкм ШИ.
В инфракрасном видиконе Р-8090 английского произ-
водства применена мишень из пироэлектрического матери-
ала. Известно, что если к кристаллу на основе титаната ба-
рия или ниобата бария, модифицированного стронцием,
, _L 1 Выходной
।—1 Я П сигнал
Я® т 1
5
бп\ К J Выходной
1Д сигнал
Нагрузочный
резистор
Рис. 77. Пироэлектрический элемент (а), принци-
пиальная (б) и эквивалентная (в) схемы формирова-
ния выходного сигнала:
1 — задний электрод; 2 — пироэлектрический кристалл;
3 — передний полупрозрачный электрод; 4 — падающее
тепловое излучение.
приложить электроды (рис. 77, а), то при изменении темпе-
ратуры кристалла на электродах появляется электрический
сигнал (рис. 77, б), причем систему кристалл — электроды
можно рассматривать как емкостный источник сигналов
(рис. 77, в). При проецировании на пироэлектрическую ми-
шень оптического невидимого изображения теплоизлучаю-
щего объекта на поверхности мишени формируется потен-
циальный рельеф, который развертывается медленными
электронами. С выхода видикона снимается видеосигнал, ис-
пользуемый для модуляции яркости кинескопа.
Разрешающая способность видикона Р-8090 составляет
100 линий/мм, спектральный диапазон чувствительности от
2 до 20 мкм и ограничивается свойствами материала, из ко-
торого выполнено входное окно видикона; максимум чувст-
вительности приходится на длину волны около 9 мкм
(рис. 78), диаметр мишени 16 мм; напряжение накала 6,3 В;
140
ток накала 95 мА. Другие электроды находятся под напря-
жением от —70 до -f-200 В [106].
В стандартных видиконах мишень выполняют из тонких
аморфных полупроводниковых пленок, чувствительных
к механическим нагрузкам, вследствие чего долговечность
этих трубок ограничена. В новейших разработках видико-
нов мишени выполнены в виде диодной матрицы, отличаю-
щейся высокой прочностью и большой чувствительностью.
Созданию таких видиконов способствовали достигнутые ус-
пехи в технологии производства планарных кремниевых
полупроводниковых структур.
Рис. 78. Спектральная характе-
ристика видикона с пироэлек-
трической мишенью.
Рис. 79. Спектральные характе-
ристики видикона с мозаичной
мишенью (/) и стандартного ви-
дикона (2).
Мозаику кремниевых диодов толщиной порядка 0,1 мм
получают методом фототравления отверстий в слое двуоки-
си кремния, образованного на поверхности основного ма-
териала — кремния n-типа. Затем в отверстия диффузией
вводят кремний p-типа, в результате чего образуются дио-
ды. На площади 13 X 10 мм2 размещается до 1 млн. пла-
нарных диодов диаметром 5 мкм каждый; расстояние между
центрами соседних диодов 10 мкм. Когда на такую мишень
со стороны основного материала проецируют изображение,
в диодной мозаике происходит распределение электриче-
ских зарядов, соответствующее распределению освещенно-
сти по поверхности изображения. Электронный луч обегает
и стирает это электронное изображение, переводя его в ви-
деосигнал.
Чувствительность видикона с мозаичной мишенью при-
мерно в 20 раз больше, чем у стандартного видикона, так
как квантовый выход монокристаллического кремния
141
значительно больше, чем у аморфных полупроводниковых
пленок с множеством центров рекомбинации. Остальные па-
раметры видикона следующие: спектральный диапазон чувст-
вительности 0,4—1,1 мкм; длина волны, соответствующая
максимуму чувствительности, 0,65 мкм; пороговая чувст-
вительность 0,4 лк; срок службы 10 000 ч; разрешающая
способность 600 линий 195].
В инфракрасном видиконе американского производства
мишень выполнена в виде матрицы, состоящей из 780 X 600
кремниевых фотодиодов; диаметр каждого диода 7,6 мкм,
расстояние между центрами двух соседних диодов 20,3 мкм;
разрешающая способность 350 линий при толщине мишени
30,4 мкм и 550 линий при толщине 25,4 мкм. Максимальная
чувствительность соответствует длине волны около 0,9 мкм
[961.
Известная голландская фирма «Philips» разработала ви-
дикон с мишенью, сформированной из 480 тысяч кремние-
вых диодов. Диаметр каждого диода 8 мкм, расстояние меж-
ду двумя соседними диодами 20 мкм. Видикон отличается
высокой чувствительностью в красной и инфракрасной
областях спектра. На рис. 79 приведена спектральная
характеристика разработанного видикона; для сравнения
на том же рисунке изображена характеристика обычного
видикона. По данным фирмы «Philips» новая трубка пока
не пригодна для применения в телевизионных камерах из-за
чрезмерной зависимости темнового тока от температуры,
однако она может быть использована в приборах ночного
видения и в диагностической аппаратуре 196].
Специальные устройства с фотоэлектронным сканиро-
ванием. К этой группе устройств относятся фотоэмиссион-
ный преобразователь и трубка «фильтерскан». Основной
деталью фотоэмиссионного преобразователя, разработан-
ного Гербани, Фоглем и Хэнсеном [97], является чувстви-
тельный элемент в виде тонкой прозрачной пленки, покры-
той с одной стороны веществом, поглощающим тепловое
излучение, а с другой — фотоэмиттером, чувствительным
к изменению температуры.
Малая инерционность чувствительного элемента достиг-
нута за счет уменьшения его теплоемкости и уменьшения
толщины составляющих компонентов. В качестве основы
выбрана пленка из SiO толщиной 50 А или из А12О3 толщи-
ной 200 А. Поглощающий слой наносится напылением в
вакууме золота или серебра на толщину 100—200 А. Коэф-
142
фициент поглощения такого слоя примерно одинаков в диа-
пазоне длин волн от 3 до 15 мкм. Толщина фотослоя, нане-
сенного на пленку с противоположной стороны, 400 Д;
суммарная толщина чувствительного элемента 500—700 А,
что обеспечивает постоянную времени около 30 мс. В ка-
честве материала для фотоэмиттера выбраны висмутоце-
зиевые и висмуторубидиевые фотослои, нанесенные на под-
слой из окиси олова. В диапазоне температур 150—170 К
температурный коэффициент фототока этих слоев достигает
5—7 К-1. Диаметр чувствительного элемента 30 мм.
Рис. 80. Схема тепловизора с термоэмиссиониым преобразо-
вателем:
/ — объект наблюдения; 2 — зеркальный объектив; 3 плоское зер-
кало; 4 — входное окно из фтористого бария; 5 — холодильник; 6 «
чувствительный элемент; 7 — корпус преобразователя (диаметр 85 мм*
длина 285 мм); 8 — фотоумножитель; 9 — предусилитель; 10 — глав-
ный усилитель; // — кинескоп наблюдения; 12 генератор разверт-
ки; 13 кинескоп, создающий бегущий световой луч; 14 — фильтр,
поглощающий тепловое излучение; 15 объектив.
Схема тепловизора с термоэмиссионным преобразовате-
лем изображена на рис. 80. Тепловое излучение рассматри-
ваемого объекта фокусируется зеркальным объективом на
чувствительный элемент. Одновременно посредством линзы
и зеркала на нем отображается интенсивное световое пятно
от вспомогательного кинескопа, которое благодаря воздей-
ствию генератора развертки обегает рабочую поверхность
чувствительного элемента. Фотоэмиссия происходит из тех
участков чувствительного элемента, которые освещены
световым пятном вспомогательного кинескопа. Интенсив-
ность пятна постоянна, но фототок модулируется тепловым
изображением объекта на чувствительном элементе вслед-
ствие изменения температуры фотоэмиссионного слоя.
143
Эмиттируемые электроны усиливаются фотоумножителем,
выходной сигнал которого модулирует по интенсивности луч
основного кинескопа синхронно с бегущим световым пятном,
создавая видимое изображение объекта.
Для тепловой изоляции чувствительного элемента в кор-
пусе создается глубокий вакуум (1,5 • 10~4 Па), что необ-
ходимо также для нормальной работы фотоумножителя.
Поле зрения ограничивается диафрагмой, охлаждаемой жид-
ким азотом, которая задерживает излучение от стенок труб-;
ки и одновременно охлаждает чувствительный элемент.
Рис. 81. Схема трубки «фильтер-
сканъ:
1 — объектив; 2 — силиконовое окно;
3 — конусообразная часть; 4 — вы-
ходное окно из материала, прозрачно-
го для инфракрасных лучей; 5 — при-
емник излучения; 6 — зеркально-лин-
зовый объектив; 7 •— электронная пуш-
ка; 8 — фокусирующая и отклоняющая
катушки; 9 — электронный луч.
Входное окно, через которое проходит излучение от рас-
сматриваемого объекта, изготовлено из кристалла BaF2,
прозрачного для инфракрасных лучей с длиной волны до
15—16 мкм. Во избежание растрескивания окна при охлаж-
дении корпуса прибора окно приваривают к корпусу через
переходное кольцо из хлористого серебра — эластичного
и прочного материала.
Параметры первых образцов тепловизоров с фотоэмис-
сионными преобразователями: частота повторения кадров
30 Гц, число строк 200, постоянная времени 0,1 с, пороговый
температурный контраст 10° при средней температуре объек-
та наблюдения 300 К. Ухудшив качество изображения за
счет уменьшения частоты повторения кадров до 15 Гц и чис-
ла строк до 50, можно получить пороговый температурный
контраст Г.
Тепловизоры с фотоэмиссионным преобразователем яв-
ляются в настоящее время одними из наиболее совершенных
инфракрасных устройств для получения изображений дви-
жущихся объектов по их собственному тепловому излуче-
нию. По быстродействию, разрешающей способности и по-
роговому температурному контрасту (в совокупности) они
превосходят другие приборы аналогичного назначения.
Классический пример системы с электронным сканиро-
ванием— трубка «фильтерскан», разработанная в 1959 г.
144
П16]. Она состоит из конической и цилиндрической частей,
оси которых расположены под углом (рис. 81, 82). Инфра-
красное изображение наблюдаемого объекта фокусируется
на силиконовое входное окно конической части трубки.
Прошедшее через окно излучение выходит через второе
окно, прозрачное для инфракрасных лучей, и фокусируется
при помощи зеркально-линзового объектива на чувстви-
тельную площадку внешнего приемника излучения.
Рис. 82. Общий вид трубки «фильтерскан».
В цилиндрической части трубки размещена электронная
пушка. Электронный луч направлен на внутреннюю поверх-
ность полупроводникового (силиконового) окна. В точке,
где сфокусированный электронный луч попадает на окно,
образуются свободные носители в полупроводнике, увели-
чивающие его проводимость, вследствие чего появляется
небольшое непрозрачное пятно.
Отклоняющая система пушки заставляет электронный
луч и создаваемое им пятно перемещаться по полупровод-
никовому окну, образуя растр. Так как величина лучистой
энергии, поглощаемой бегущим пятном, определяется яр-
костью закрываемого им участка инфракрасного изображе-
ния наблюдаемого объекта, то выходной сигнал приемника
излучения зависит от изменения яркости по площади изоб-
ражения. Подавая этот сигнал на приемный кинескоп, раз-
вертка которого синхронизирована с движением электрон-
ного луча, можно воспроизвести визуальное (негативное)
изображение объекта.
Для случая удаленных объектов, излучение которых
подчиняется закону Ламберта, лучистый поток на входном
окне трубки (без учета излучения фона)
F = ц. °б -£-- пр , (3.17)
где — площадь поверхности излучения объекта; 30б —
площадь входного объектива; в и Т — коэффициент излу-
чения и абсолютная температура поверхности излучения
145
соответственно; а — постоянная Стефана — Больцмана; та,
тпр — коэффициенты пропускания атмосферы и объектива;
L — расстояние между прибором наблюдения и объектом.
Обозначив s — площадь поглощающего (бланкирующе-
го) пятна, создаваемого электронным пучком пушки, Do6
и /об — диаметр и фокусное расстояние входного объекти-
ва, получим лучистый поток, приходящийся на площадь s:
Р^80гТ>ГаТпр
с
(3.18)
а лучистый поток, падающий на всю площадь SBX входного
окна,
Fs = . (3 19)
4/об
В выражениях (3.18), (3.19) величины Tt и Ts введены
вместо Т, чтобы отличить температуру на участке поля
зрения, соответствующем бегущему пятну (Тг), от темпера-
туры, усредненной в пределах всего поля зрения (7\).
Лучистый поток на входе приемника излучения пропор-
ционален разности Fs — Fs. Если бланкирующее пятно
неподвижно, выходной сигнал приемника имеет постоянное
значение. Когда же бланкирующее пятно осуществляет
развертку по площади входного окна трубки, величина вы-
ходного сигнала приемника определяется величиной вос-
принимаемого им лучистого потока, который, в свою оче-
редь, зависит от температуры и коэффициента излучения
разных участков просматриваемого поля зрения.
Параметры экспериментального образца тепловизора
с трубкой «фильтерскан»: площадь бланкирующего пятна
s = 3,1 • 10“4 см2, площадь растра (входного окна) SBX —
= 2,24 см2, площадь чувствительной площадки приемника
излучения </п = 0,1 см2, частоты горизонтальной и верти-
кальной развертки 1 кГц и 30 Гц, относительное отверстие
передней и задней фокусирующих систем 1 : 3 и 1 : 0,75
соответственно, ширина полосы частот усилителя фототока
приемника излучения А/ — 30 кГц, ток электронного
луча 0,5 мА, анодное напряжение 25 кВ.
Недостаток тепловизора с трубкой «фильтерскан» —
его невысокая чувствительность. Для того чтобы приемник
воспринимал излучение от всего развертываемого поля,
он должен иметь сравнительно большую площадь чувст-
146
вительной площадки, а чувствительность приемника обрат*
но пропорциональна корню квадратному из этой площади.
В частности, для приемника излучения из антимонида ин-
дия пороговая температурная чувствительность теплови-
зора 100°.
12. ПРИМЕНЕНИЕ СКАНИРУЮЩИХ ТЕПЛОВИЗОРОВ
Появление и развитие тепловидения позволило реали-
зовать идею использования инфракрасного диапазона длин
волн для медицинской диагностики. Первое сообщение о
возможности радиометрического обнаружения опухоли мо-
лочной железы содержалось в работах Лоусона [117], ко-
торый показал, что температура над опухолью может
отличаться от температуры тела в среднем на 1°. При клини-
ческих исследованиях была получена некоторая корелля-
ция между ростом температуры и степенью развития зло-
качественной опухоли. В некоторых исследованиях Лоусон
применял эвапорограф, высказав предположение, что по-
следний может быть использован для проведения профилак-
тических обследований, подобно тому, как флюорография
применяется при обнаружении ранней стадии туберкулеза.
Измерения температуры проводились при помощи тер-
мопары, помещаемой прямо на кожу пациента. Применение
тепловизоров для исследования собственного излучения
тела человека позволило установить ряд показателей фи-
зиологического состояния его организма, связанных с рас-
пределением температуры по поверхности кожного покрова.
Большие исследования в этом направлении были проведены
советскими учеными М. М. Мирошниковым, Ю. И. Трапез-
никовым, М. А. Собакиным, Н. Г. Выховской и др. Пробле-
мы использования тепловидения для медицинских целей
широко обсуждались на 8-й Международной конференции
по медицинской и биологической технике, проходившей
в Чикаго в 1969 г.
В настоящее время тепловидение используется для
определения диагностических признаков: рака груди на ран-
них стадиях; воспалительных процессов, таких как ревма-
тоидные артриты; появление метастазов в регионарных
лимфоузлах; наступления беременности на ранних ее ста-
диях; нормального процесса заживления поврежденных
тканей; нарушения периферического кровообращения [28].
147
Методы тепловидения не опасны для организма человека,
что определяет перспективность их внедрения в практику
медицинской диагностики.
Одной из наиболее распространенных за рубежом камер
для медицинских исследований является «термовизионная
система 680» фирмы AGA (Швеция). Камера состоит из оп-
тической головки и индикаторного блока и позволяет вос-
производить на экране кинескопа термальное изображение
предметов, используя их собственное тепловое излучение.
Приведем основные параметры блоков системы.
Оптическая головка (рис. 83)
Основной объектив:
фокусное расстояние ....................... 134 мм
светосила............................. 1,8
угол зрения.................................. 10°
Дополнительные объективы:
углы зрения ............................. 25 и 45°
пределы фокусировки................... от 1 м до беско-
нечности
Площадь развертки на расстоянии 1м .... 11,5x11,5 сма
Мгновенный угол зрения.................... 1,3 • 10~3 Рад
Спектральный диапазон чувствительности прием-
ника излучения (InSb)..................... 2—5,6 мкм
Развертка (оптико-механическая с помощью
призм):
число линий в кадре (через строку) ... 210
частота кадров ....................... 16 кадров/с
Габаритные размеры ....................... 200x240x550 мм
Масса .................................... 13,5 кг
Индикаторный блок (рис. 84)
Диапазон измеряемых температур (в виде 10 сту-
пеней) ................................... От 30 до 850°С
Минимально различимая разность температур при
температуре предмета 30° С ............... 0,2°
Размеры изображения....................... 90x90 мм
Габаритные размеры........................... 450x200x530 мм
Масса............................................ 23,7 кг
Образцы изображений, получаемых с помощью тепло-
визора, показаны на рис. 85. Нормальное изображение
(рис. 85, а) иллюстрирует относительные изменения темпе-
ратур в виде серых тонов различной плотности. Диапазон
температур составляет 20° С (шкала слева от изображения).
Распределение температур в этом диапазоне характеризует-
ся шкалой серости, расположенной снизу от изображения.
На рис. 85, б показан образец изображения с одинарной изо-
термой, наложенной при значении коэффициента серости
148
Рис. 83. Общий вид оптической головки тепловизора фир-
мы AGA.
Рис. 84. Общий вид индикаторного блока тепловизора фирмы
AGA:
1 — фокусировка изображения объекта; 2 — уровень расположения
изображения; 3 — контрастность изображения; 4,5 — расположение
изображения по горизонтали и по вертикали; 6 — включение прибора;
7 — дистанционная установка степени черноты; 8, 9 — белый и чер-
ный уровни шкалы черноты; /0 — включение сетки; 77# 12 — ширина
и высота изображения объекта; 13 — ширина изотермической диафраг-
мы; 14 — включение шкалы черноты; 15 — яркость изображения
объекта; 16 — включение изотермической диафрагмы; 17 — чувстви-
тельность прибора; 18 « уровень изотермической диафрагмы; 19 —
штепсельный разъем.
0,55. Если температура уровня сигнала при коэффициенте
серости, равном единице, отрегулирована, например, на
20° С, то зоны с температурой 31° С (20 4- 0,55 • 20) будут
казаться белыми. Изотерма может смещаться вдоль шкалы;
при этом на изображение наносятся яркие пятна, соответ-
ствующие любым уровням температур внутри выбранного
диапазона. Аналогично можно получить изображения с
дв.ойной изотермой.
Другой весьма важной областью применения сканирую-
щих тепловизоров является диагностика электронной
аппаратуры. Надежность работы электронных схем во мно-
гом определяется их температурным режимом, для реги-
страции которого используются неконтактные методы, ос-
нованные на применении сканирующих тепловизоров или
радиометров. С помощью этих методов можно обнаружить
дефекты в схеме, которые не выявляются при обычных
электрических методах контроля. ИК-методы оказались
особенно удобными для контроля интегральных схем. При-
менение термопар для измерения температуры в различных
точках интегральной схемы практически невозможно из-за
больших размеров термопар и изменения контактного со-
противления. Кроме того, по проводникам термопары от-
водится тепло от участка измерения.
Температурный градиент, необходимый для работы ска-
нирующего тепловизора, обычно создается за счет нагрева
элемента благодаря рассеиванию в нем электрической энер-
гии. Сигнал на выходе тепловизора фиксируется на экране
в виде изображения поверхности наблюдаемого объекта,
150
или по прибору в цифровой форме. Последнее обеспечивает
возможность обработки данных на ЭВМ и сравнения полу-
ченных результатов с информацией, хранящейся в блоке
памяти ЭВМ, для определения рабочего режима исследуе-
мого объекта.
На рис. 86 для примера показаны две термограммы угле-
родистого резистора и схема его включения. Как видно из
Рис. 86. Термограммы углероди-
стого резистора (а) и схема его
включения (б):
/ — батарея; 2 — теплоотвод; 3 —
испытуемый резистор; 4 — линия
сканирования; 5 — термограмма
эталонного резистора; 6 — термо-
грамма дефектного резистора.
Рис. 87. Термограмма плав-
кого предохранителя.
термограммы эталонного ре-
зистора, его температура мак-
симальна в центре. Спад тем-
пературы по обе стороны от
центра одинаков; кривая симметрична, температура проволоч-
ных выводов равна 35° С. Максимум температуры дефект-
ного резистора, рассеивающего ту же мощность, смещен от
центра и приблизительно на 10° С превышает максималь-
ную температуру эталонного резистора. Кроме того, тем-
пература правого вывода приближается к окружающей
температуре. Диагноз в данном случае ясный: между телом
резистора и правым проволочным выводом плохое механи-
ческое соединение, что препятствует передаче тепла к пра-
вому выводу путем теплопроводности и вызывает перегрев
тела резистора. В то время как обычные методы испытаний
электронных схем и их элементов не позволяют выявить
дефекты такого рода, при ИК-методах их можно обнару-
жить.
Аксиальное сканирование элемента позволяет обнару-
живать наличие вызванных уменьшением поперечного се-
чения участков перегрева, которые в конечном счете могут
151
быть причиной выхода элемента из строя при токовых на-
грузках ниже номинальных. Например, сканирующий теп-
ловизор позволяет вскрыть сечения плавкого предохрани-
теля (рис. 87), которые могут привести к его перегоранию
при токах, значительно меньших номинального уровня;
в большинстве случаев причиной такого перегорания пре-
Рис. 88. Термо-
граммы 60-строчно-
го растра, получен-
ные при сканиро-
вании электронной
схемы.
дохранителя считается выброс напря-
жения.
При использовании ИК-методов кон-
троля необходимо проявлять известную
осторожность. Данные проверки иден-
тичных узлов можно сопоставлять толь-
ко в том случае, если геометрическая
конфигурация узлов совершенно одина-
кова, температура окружающего возду-
ха постоянна, а способ крепления ис-
следуемых объектов неизменен. Коэф-
фициент излучения поверхности объек-
та знать не обязательно, но только в тех
случаях, когда он все время остается
постоянным. Это условие обычно выпол-
няется для изделий, изготовляемых по
одному и тому же технологическому
процессу.
На рис. 88 представлены термо-
граммы 60-строчного растра, получен-
ные при сканировании электронной схе-
мы, на которую поданы рабочие напря-
жения [9]. Геометрическая конфигура-
ция термограмм от одного исследуемого
узла к другому сохраняется неизмен-
ной, поскольку расположение компонен-
тов фиксировано печатной платой. Для
простоты показаны 15 первых и 12 по-
следних строк растра. Горячие компо-
ненты, в которых рассеивается излишне
большое количество тепла, проявляются
на термограммах в виде выбросов (пиков) и легко обнару-
живаются.
Аналогичный метод контроля может быть применен и
для интегральных схем; он позволяет выявлять такие фи-
зические и электрические изъяны, как повышение плотно-
сти тока, вторичный пробой, некачественное присоединение
152
матрицы, трещины, неоднородности и дефекты в осажден-
ных материалах.
Для выполнения задачи обнаружения скрытых дефек-
тов электронных и интегральных схем тепловизионная
контрольная аппаратура должна обладать высоким разреше-
нием по температуре и пространству. Скорость сканиро-
вания должна быть переменной: малая для объектов с уста-
новившимся тепловым режимом и большая для исследова-
ния нестационарных тепловых полей. Юстирующие и
фокусирующие устройства должны обеспечивать проведение
повторяющихся измерений в идентичных условиях.
Этим требованиям удовлетворяет аппаратура, разрабо-
танная фирмой «Рэйтеон» (США). Аппаратура состоит из
трех основных блоков: поворотного стола с непрерывной
подачей исследуемых узлов, оптической головки и электрон-
ного блока обработки данных [62].
Печатные узлы устанавливают на 16 позициях поворот-
ного стола. В зависимости от типа исследуемого узла на
контакты разъема подводятся соответствующие напряже-
ния, что осуществляется посредством коммутационной мат-
рицы с программным управлением.
Оптическая головка содержит приемник излучения —
германий, легированный ртутью, устройство для охлажде-
ния приемника и сканирующую систему, состоящую из
колеблющихся зеркал. Расстояние между линиями разверт-
ки 1 мм, скорость сканирования 4 линии/с. Выходной сиг-
нал формирует растровое изображение, представляющее
распределение температуры по поверхности схемы. Точ-
ность измерения температуры 0,05Q, полное время скани-
рования 100 с.
Электронный блок обработки данных состоит из запо-
минающего устройства (ЗУ) на магнитных сердечниках,
перфоратора, устройства считывания с перфоленты и пуль-
та управления. Устройство считывания считывает програм-
му из ЗУ для конкретной схемы, пульт управления и пер-
форатор служат для записи дополнительных условий в
программы или для обновления эталонных диаграмм.
Во время прямого хода развертки данные измерений
вводятся в ЗУ и затем поступают на перфоратор, печатая
на ленте информацию в цифровой форме, либо на схему
автоматического сравнения, где они сопоставляются
с данными, хранящимися в ЗУ. При сканировании схемы
в устройство обработки данных поступают сигналы только
153
от запрограммированных точек, координаты которых опре-
деляются номерами элементов разрешения. Растр состоит
из 17 460 элементов (180 строк, 97 элементов в каждой
строке), но емкость ЗУ ограничивается 250 знаками; это
позволяет регистрировать всего 130 точек на панели со
стороной 175 мм.
Рис. 89. Узел печатной электронной схемы (затемненными ква-
дратами обозначены точки, в которых фиксируется температура).
Напряжение выходного сигнала изменяется от 0 до 10 В.
Для калибровки аппаратуры на 1-м и 97-м элементах фик-
сируются опорные уровни напряжений (0—10 В), проградуи-
рованные в градусах Цельсия. Благодаря высокой разре-
шающей способности аппаратуры по температуре диапазон
изменения выходного напряжения можно разбить на 64
уровня. Значение напряжения, соответствующее темпера-
туре в измеряемой точке, вводится в устройство обработки
данных. Результаты печатаются на ленте во время обратно-
го хода развертки. Этот способ измерения применяется в
тех случаях, когда об исследуемом печатном узле нет пред-
варительной информации. В противном случае номера то-
чек, в которых регистрируются результаты измерений,
печатаются вместе с разностями уровней температур эта-
лонной диаграммы и полученных величин.
На рис. 89 показан печатный узел электронной схемы;
затемненными квадратами обозначены точки, в которых
154
фиксируется температура. Соответствующие номера строк
и элементов разложения запрограммированы на перфолен-
те. Типичная профилограмма, полученная за одну строку
развертки по всем 97 элементам разложения, изображена
на рис. 90. За полный цикл сканирования печатной схемы
получается 180 таких профилограмм.
Напряжения в выбранных точках измерения, отмечен-
ные на рисунке соответствующими уровнями, вводятся
в ЗУ. Левый и правый уровни являются опорными и служат
для непрерывной тарировки профилограмм.
Рис. 90. Профилограмма, полученная за одну строку раз-
вертки:
/ — левый опорный уровень; 2—7 — уровни напряжений (температур)
в выбранных точках измерения; 8 «• правый опорный уровень.
Фирмой AGA разработан микроскоп-тепловизор для
обнаружения «горячих точек» в интегральных схемах и
других элементах радиоэлектроники. В тепловизоре ис-
пользуются три сменных объектива: 15, 50 и 125х, что поз-
воляет исследовать тепловые поля объектов размером от
40 X 40 мм до 0,6 X 0,6 мм. При использовании объектива
с увеличением 15х, минимальная разрешающая способ-
ность тепловизора по температуре 0,6° (температура объекта
70° С). Применяя объектив с увеличением 125х, можно ре-
гистрировать минимальную разность температур 2,5°.
Частота кадровой развертки 16 с-1, частота строк 1600 с-1.
Области использования микроскоп-тепловизора: изучение
соединений в опытных образцах интегральных схем, нераз-
рушающий контроль тонкопленочных резисторов и других
микроэлектронных элементов, микробиология.
Тепловизоры применяются также в промышленности
для обнаружения зон чрезмерного нагрева неподвижных и
движущихся элементов, в частности, электроэнергетических
155
установок и линий электропередач, обмуровки пла-
вильных печей, ковшей и конвертеров, металлорежущих
станков и обрабатываемых деталей. Намечается использо-
вание тепловизоров в технологических процессах, связан-
ных с обработкой листового стекла, резины, пластмасс, и
при исследованиях процессов теплопередачи в аэродина-
мических трубах и космических тренажерах.
13. НЕСКАНИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ИЗОБРАЖЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ,
РАБОТАЮЩИЕ В ДИАПАЗОНЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ
ВОЛН
Одним из первых несканирующих преобразователей
изображения является эвапорограф, предложенный Черни
в 1929 г. [91, 19, 37]. Принцип действия эвапорографа ос-
нован на зависимости толщины пленки сконденсированных
паров масла от температуры подложки, на которой проис-
ходит конденсация.
Основной элемент преобразователя — вакуумная ка-
мера, разделенная на две части мембраной из нитроцеллю-
лозы толщиной около 1 мкм (рис. 91). На одну из сторон
мембраны, покрытую золотой чернью, фокусируется неви-
димое изображение объекта. Фокусирующая система со-
стоит из зеркального объектива (фокусное расстояние
200 мм, относительное отверстие 1 : 2,5, угол зрения 50°)
и отклоняющего зеркала.
Излучение проникает внутрь камеры через входное окно,
выполненное из флюорита, пропускающего 90% излучения
с длинами волн до 7,5 мкм. Перед поглощающей стороной
мембраны размещается электрическая лампа, служащая
для «стирания» изображения. Другая сторона мембраны
освещается параллельным пучком света через противопо-
ложное стеклянное окно во второй половине камеры, в ко-
торой помещается небольшое количество полиметилсило-
ксанового масла. Камеру откачивают форвакуумным
насосом до давления 1,3 Па, а корпус ее подогревают до тем-
пературы, при которой упругость паров масла достигает
необходимой величины.
Пары масла конденсируются на поверхности мемб-
раны и образуют пленку, толщина которой зависит от тем-
156
пературы мембраны. Без масляной пленки мембрана имеет
желтый цвет; в процессе конденсации масла мембрана с
пленкой вследствие интерференции видимого света в тон-
кой пленке окрашивается в оранжевый, красный, голубой
и другие цвета. Тепловое излучение наблюдаемого объекта,
поглощенное мембраной, изменяет ее локальную темпера-
туру, Это приводит к испарению масла и к изменению
2 3 4 5 6 18 17 16 15
Рис. 91. Принципиальная схема эвапорографа:
/ — зеркальный объектив; 2 — отклоняющее зеркало;
3 —«стирающая» лампа; 4 — входное окно из материа-
ла, прозрачного для инфракрасных лучей; 5 — мембра-
нз; 6 — стеклянное окно; 7 — отвод к вакуумному насосу;
8 — линзы,- формирующие изображение; 9 —• фотокаме-
ра; 10 — полупрозрачное зеркало с коэффициентом от-
ражения 0,8; // — окуляр; 12 — зрительная труба; 13 —
лампа; 14 — ПК-фильтр; 15 — отклоняющее зеркало;
16 — коллимирующая линза; 17 —• полупрозрачное зер-
кало с коэффициентом отражения 0,8; 18 — зеркало.
толщины пленки, сопровождающемуся изменением цвета мем-
браны, причем различия в цвете изображения соответствуют
различиям в интенсивности излучения объекта. Полу-
чается видимое изображение объекта, которое наблюда-
ется через стеклянное окно или фотографируется. Для того
чтобы на окне не было конденсации паров масла, его до-
полнительно нагревают электрическим током, проходящим
по токопроводящему покрытию.
В процессе работы эвапорографа шторка между отража-
тельным зеркалом и «стирающей» лампой периодически
закрывается и лампа синхронно включается; это вызывает
испарение масляного слоя и очистку пленки, которая вновь
становится желтой. Масло начинает конденсироваться,
когда лампа выключается и на пленку поступает излучение
от рассматриваемого объекта. Такой режим работы
157
эвапорографа называется режимом конденсации; скорость
конденсации меньше на нагретых частях мембраны и боль-
ше — на относительно холодных, что приводит к неравно-
мерной толщине образующейся масляной пленки.
Эвапорограф может работать также в режиме испарения,
который заключается в том, что перед экспонированием
«а мембране уже имеется однородная пленка масла. В про-
цессе экспонирования толщина пленки на более нагретых
участках мембраны соответственно уменьшается. Режим
Рис. 92. Частотно-контраст-
яая характеристика эвапо-
рографа с зеркально-линзо-
вым объективом.
С помощью эвапорографа
•ной темноте человека на
1800 м.
испарения применяется при ре-
гистрации объектов, температу-
ра поверхности которых превы-
шает 350 К; режим конденсации
более чувствителен и использу-
ется для регистрации слабо из-
лучающих объектов.
Параметры эвапорографа сле-
дующие: пороговая разность
температур 0,2—Г, постоянная
времени 5—10 с (при температур-
ном контрасте 1°), разрешаю-
щая способность 10— 14 ли-
ний/мм, диаметр мембраны 30 мм.
можно сфотографировать в пол-
удалении 180 м, а здание — на
К факторам, влияющим на качество эвапорографиче-
•ского изображения, относятся:
качество оптического изображения, создаваемого объек-
тивом;
теплопроводность в плоскости слоя золотой черни и мем-
браны;
теплопроводность масла;
сглаживающее влияние теплоты, выделяющейся при
конденсации масла, на температурный рельеф;
сглаживающее влияние поверхностного натяжения на
жидкостный рельеф;
влияние зернистости слоя жидкости на изображение
мелких и малоконтрастных деталей.
Качество изображения, создаваемого эвапорографом,
может быть охарактеризовано частотно-контрастной харак-
теристикой (рис. 92) [59].
Другим прибором, принадлежащим к группе нескани-
158
рующих преобразователей изображения, является эджео-
граф [102]. Принцип действия его основан на температурной
зависимости длинноволновой границы полосы собственного
поглощения некоторых материалов: край полосы погло-
щения смещается при изменении температуры (рис. 93, а).
Такое явление наблюдается у всех полупроводников и, в
частности, у аморфного селена. Если через пленку селена
Рис. 93. График зависимости коэффициента пропускания по-
лупроводника от длины волны (а) и схема эджеографа (б):
1 — линия излучения натриевой лампы; 2, 3 — график соответст-
венно для полупроводника, нагретого на 5% и охлажденного на
Ю%; 4— падающее излучение; 5 — зеркало; 6 — натриевая лампа;
7 — полупрозрачный слой хрома; 8 — пленка селена.
пропускать от вспомогательного источника монохромати-
ческое излучение с длиной волны, близкой к длинновол-
новой границе полосы поглощения, то интенсивность про-
шедшего через пленку излучения будет зависеть от ее тем-
пературы. Схема эджеографа показана на рис. 93, б. Под
действием излучения на пленке селена, покрытой со сто-
роны падающего лучистого потока полупрозрачным слоем-
хрома, создается температурный рельеф. Пленка дополни-
тельно освещается натриевой лампой, длина волны излу-
чения которой лежит вблизи границы поглощения селена
(X == 0,59 мкм). В зависимости от распределения темпера-
туры по чувствительному элементу через равные участки
его будет проходить большая или меньшая часть излучения,,
так что изображение объекта может непосредственно рас-
сматриваться наблюдателем.
Эджеограф дает возможность фиксировать перепады
температур 10° при разрешающей способности 2 линии/мм
и постоянной времени 0,5 мс. Пороговую чувствительность
прибора можно повысить почти в два раза, применив бино-
кулярную систему.
159
В термолюминесцентном преобразователе изображения
(рис. 94) используется температурная зависимость интен-
сивности люминесценции в видимой области цинк-кадмий-
сульфидных фосфоров, облучаемых ультрафиолетовым ис-
точником излучения [128]. При изменении температуры
на 1Q интенсивность свечения лю-
Рис. 94. Схема термолюми-
несцентного преобразовате-
ля:
/ — падающее излучение; 2 —*
зеркальный объектив; 3 -• зер-
кало; 4 -=• люминесцентный эк-
ран; 5 —• окуляр; 6 « ультра-
фиолетовая лампа.
минофора изменяется на 20%.
Прибор позволяет различать
объекты с температурным кон-
трастом-50 при разрешающей спо-
собности 0,5 линий/мм. Порог
чувствительности порядка 5 х
X 10~4 Вт/см2.
В последние годы усиленно
разрабатываются твердотельные
электролюминесцентные преоб-
разователи изображения (рис.
95, а), представляющие собой
распределенную многослойную
структуру, которая преобразует
рельеф на фотослое в световой рельеф на люминесцентном
экране.
Преобразователь представляет собой прозрачную для
видимых или инфракрасных лучей пластину, которая по-
крыта прозрачным токопроводящим слоем, подключенным
Рис. 95. Структура электролюминесцентного преобразова-
теля на основе CdS (а) н его спектральная характерис-
тика (б):
1 — падающий световой поток; 2,- 8 ~ стеклянные пластины; 3.
7 — токопроводящие слои (электроды); 4 — фотослой; 5 — опти-
ческий экран; 6 — электролюминофор; 9 — излучение экрана.
к одному полюсу источника переменного тока повышенной
частоты.
На контактный слой нанесен слой электролюминофора.
Изображение рассматриваемого объекта проецируется
на полупроводниковый фотослой через верхний прозрачный
160
электрод, который подключен ко второму полюсу источника
питания. Непрозрачный оптический экран предотвращает
обратную оптическую связь между электролюминофором
и фотослоем. Для защиты чувствительного слоя от влаги
и механических повреждений служит специальная пласти-
на. Изображение объекта рассматривается со стороны лю-
минесцентного слоя через подложку и прозрачный электрод.
Если фотослой не облучается, напряжение, приложен-
ное к преобразователю, падает на полупроводниковом слое,
сопротивление которого намного больше сопротивления
последовательно соединенного с ним электролюминофора.
При облучении полупроводника его сопротивление умень-
шается и в местах облучения значительная часть напряже-
ния оказывается приложенной к слою электролюминофора,
что вызывает его свечение.
В первых образцах электролюминесцентных преобра-
зователей применялись монокристаллы сернистого кадмия
CdS (толщиной 500 мкм) и электролюминофор ZnS (50 мкм).
Спектральная характеристика таких преобразователей
(рис. 95, б) показывает, что их можно было использовать
только как усилители света. Коэффициент усиления до-
стигал 101 при пороговой освещенности 10-4 лк.
Для повышения чувствительности были предложены так-
же твердотельные преобразователи с управляющей сеткой,
преобразователи на основе порошковых слоев (с сетчатым
электродом) и тонких пленок, гибридные структуры, пред-
ставляющие собой комбинацию сублимированного фото-
слоя с порошковым электролюминофором, и т. д. Однако все
они предназначались для работы в видимой и ближней ин-
фракрасной областях спектра и представляли определенный
интерес в связи со следующими преимуществами по сравне-
нию с ЭОП:
низкий порог чувствительности и высокий коэффициент
усиления на каскад (104—105);
конструктивная простота, малые габариты, высокая
механическая прочность;
большая рабочая поверхность экрана;
низкие рабочие напряжения (100—200 В).
По быстродействию твердотельные преобразователи изо-
бражения уступали ЭОП в лучшем случае на 3—4 порядка
(10-3 с).
В последующих разработках вместо CdS и CdSe начали
применяться другие полупроводниковые материалы и, в
'Д 6*5-2 161
частности, легированный германий, что позволило перейти
к инфракрасному диапазону спектра и создать преобразо-
ватели-, способные визуализировать изображение низкотем-
пературных объектов. Один из таких преобразователей
[92] предназначен для работы в диапазоне 2—5 мкм и со-
стоит из монокристаллической пластины легированного
германия и электролюминесцирующего экрана. Установ-
лено, что наилучшие спектральные и энергетические харак-
теристики у германия, легированного золотом или никелем.
Рис. 96. К описанию принципа работы твердотельного
преобразователя изображения (а) и его схемы (б):
/ — падающее излучение с длиной волны М; 2 — фоторезистор;
3 — светодиод; 4 — излучение светодиода с длиной волны Х2.
В качестве электролюминесцентного материала выбран
титанат бария, обладающий хорошей яркостью при ком-
натной температуре.
В окончательном варианте преобразователь выполнен
в виде сэндвича из пластины монокристаллического герма-
ния, легированного никелем (толщиной 350 мкм), и люми-
несцентного экрана из титаната бария (толщиной 20 мкм).
Для повышения чувствительности преобразователь поме-
щен в вакуумированный сосуд Дьюара с охладителем.
Величина приложенного напряжения 175 В при частоте
1 кГц, разрешающая способность 2,5 линий/мм.
Интерес представляет твердотельный преобразователь
(рис. 96, а), описанный в работе [54]. В качестве приемника
излучения взят фоторезистор на основе германия, легиро-
ванного медью и сурьмой. В спектральном диапазоне 1,5—
4,2 мкм порог чувствительности германиевого фоторези-
стора 1О-10—Ю-11 Вт, удельное сопротивление 108—10®
Ом • см. Излучателем видимых лучей является электролю-
минесцентный полупроводниковый диод из карбида крем-
ния. Прохождение тока в прямом направлении в электрон-
но-дырочном переходе диода вызывает видимое рекомбина-
ционное излучение. Максимум излучения находится в
162
области 0,5—0,7 мкм и зависит от свойств исходных кристал-
лов карбида кремния.
При облучении фоторезистора в цепи возникает элект-
рический ток тем больший, чем больше интенсивность па-
дающего потока. Появление тока вызывает излучение све-
тодиода. При малом токе оно линейно связано с мощностью
падающего излучения, при больших сигналах — нели-
нейно. Кроме того, характеристика светодиода также не-
линейна, поэтому зависимость интенсивности излучения
Рис. 97. Схема твердотельного ана-
лога передающей телевизионной
трубки:
/ — фотопреобразователь; 2 — падаю-
щее излучение; 3 — коммутатор.
светодиода от мощности падающего излучения имеет слож-
ный характер.
Для преобразования ИК-изображения в видимое необ-
ходимо электрически объединить многоэлементное поле
фотосопротивлений и поле светодиодов, что возможно с
помощью фотолитографической техники. По мнению авто-
ров [54], экран с полем из 600—900 светодиодов (рис.
96, б) позволит легко осуществить преобразование.
Параллельно с твердотельными преобразователями изо-
бражения ведутся интенсивные разработки твердотельных
аналогов передающих телевизионных трубок [56, 61, 118].
В таких устройствах с помощью фотоэлектрического преоб-
разования трансформируется оптически сформированный
рельеф на полупроводнике во временную последователь-
ность электрических импульсов. В соответствии с этим в
их структуру должны входить собственно фотоэлектриче-
ские преобразователи и элементы коммутации, поочередно
«опрашивающие» их (рис. 97). При этом возможны два ре-
жима работы фотопреобразователя: с накоплением и без
накопления заряда. Если время установления тока в преоб-
разователе меньше времени его коммутации, видеосигнал
состоит из серии импульсов, амплитуда которых пропор-
циональна локальной освещенности чувствительной пло-
щадки. Если же время установления тока в преобразователе
V26* 163
значительно больше времени его коммутации, то за комму-
тационный период емкость С преобразователя успевает
лишь зарядиться. За время коммутации других преобразо-
вателей емкость разряжается через резистор R, величина
которого соответствует входной освещенности. При комму-
тации каждого преобразователя происходит дозарядка
емкости; ток при дополнительной зарядке создает на нагру-
зочном резисторе /?„ сигнал, пропорциональный интеграль-
ной освещенности преобразователя за время образования
кадра.
Один из опытных образцов твердотельной передающей
телевизионной трубки скомпонован из трех идентичных
секций, в каждую из которых входит 32 преобразователя.
Секции снабжены выходным диодом и могут работать са-
мостоятельно, как 32-элементный преобразователь, либо
в комбинации с другими секциями. Элементарные преобра-
зователи выполнены в виде кремниевой структуры р-типа
с удельным сопротивлением 20—40 Ом • см. Ширина эле-
мента 50 мкм, длина 10 мкм; расстояние между центра-
ми элементов 12,5 мкм. Секции смонтированы на метал-
лизированной керамике. Для переключения преобразова-
телей разработана специальная логическая схема. Полное
время опроса секции 0,25—0,65 мс [72].
В другом образце трубки преобразователи выполнены
из плоского кристалла кремния, покрытого изолирующей
оксидной пленкой, поверх которой расположена решетка
металлических электродов. Ширина каждого электрода
9 мкм, расстояние между ними 20 мкм, количество элемен-
тарных светочувствительных преобразователей 128 X
X 106, активная площадь рецептора 15 мм2.
Падающее на чувствительную площадку излучение по-
глощается, генерируя электрический заряд, который ло-
кально накапливается на поверхности кремния под метал-
лическими электродами. Величина накопленного заряда
пропорциональна интенсивности падающего потока. Из-
меняя напряжение на электродах, расположенных на по-
верхности оксидной пленки, можно передвигать заряд по
определенному пути к выходному электроду. Здесь заряд
превращается в аналоговый электрический сигнал, про-
порциональный изменению лучистого потока вдоль строки.
Для образования видеоизображения оптическая система
фокусирует изображение объекта на половину кремниевой
пластины (64 X 106 элементов)^ Накопленный заряд пе-
164
редается на площадь запоминания — вторую половину
кремниевой пластины и выводится построчно для считыва-
ния с помощью последовательного регистра. В это время
на площади изображения накапливается новый заряд.
Частота повторения этого цикла 60 Гц.
Если первый из рассмотренных образцов твердотельных
передающих трубок нуждался в сложных цепях для раз-
вертки изображения, то второй образец является самораз-
вертывающимся и обеспечивает получение более однород-
ного изображения с помощью простых внешних цепей.
Новая камера работает безынерционно, без размазывания
изображения и не подвержена выжиганию электронным
лучом [126].
Принципиально новый метод преобразования невиди-
мого изображения в видимое, основанный на нелинейных
эффектах взаимодействия излучения со средой, предложен
Дж. Уорнером [123]. Известно, что коэффициент прелом-
ления некоторых кристаллов зависит от напряженности
приложенного к ним электрического поля. Если поле со-
здается падающим на кристалл световым потоком, то воз-
можно смешение оптических сигналов и образование излу-
чения с суммарными или разностными частотами.
Одна из особенностей смешения волн оптического диа-
пазона состоит в том, что скорость распространения свето-
вых волн в кристаллах изменяется с длиной волны, а иног-
да и с направлением распространения. Поэтому эффективное
смешение возможно лишь при вполне определенной ориен-
тации кристалла, которая должна регулироваться до тех
пор, пока процесс смешения не окажется согласованным по
фазе (сфазированным).
Для преобразования невидимого теплового излучения
в видимый свет оно смешивается с излучением оптического
квантового генератора (ОКГ), длина волны которого выби-
рается таким образом, чтобы длина волны смешанного излу-
чения лежала в видимом участке спектра.
Эффективность преобразования пропорциональна мощ-
ности излучения ОКГ, квадрату длины кристалла и увели-
чивается с повышением нелинейного коэффициента связи,
который для данного кристалла является величиной по-
стоянной.
Основные компоненты и схема реализации устройства,
основанного на преобразовании изображения методом повы-
шения частоты, показаны на рис. 98. Нелинейный кристалл,
165
например ниобат лития (LiNbO3) или прустит (Ag3AsS3),
размещают в резонаторе ОКГ, где плотность мощности до-
стигает наибольшего значения. Одно из зеркал резонатора
имеет высокий коэффициент отражения для падающего
излучения, а другое—высокий коэффициент отражения
для излучения ОКГ и большой коэффициент пропускания
для падающего теплового излучения от рассматриваемого
объекта. Отмеченное выше требование согласования по фа-
зе заключается в данном случае в том, что луч суммарной
\\v< Рис. 98. Схема устройства для преоб-
V/ разования изображения методом повы-
\ yV шення частоты:
\ \ \ / — оптическая система; 2 — полосовой
2 фильтр суммарной частоты; 3 — тепловое
излучение объекта; 4 — зеркало, прозрач-
8 ное для падающего теплового излучения;
/ • \ 4 * 5 — нелинейный кристалл; 6 — стскляи»
\ _____ V/ иая пластина, установленная под углом
n ["" •""[ __ | 1 и —г- Брюстера; 7 — активное вещество ОКГ;
рч L-J р — зеркало с высоким коэффициентом от-
1 i \ I ражения.
7 ь а _ 5 -----------------------------------
частоты и луч ОКГ должны быть ортогонально поляризова-
ны. Стеклянная пластина, размещенная в резонаторе под
углом Брюстера, прозрачна для излучения ОКГ и отражает
большую часть излучения суммарной частоты. После про-
хождения суммарного излучения через оптический фильтр
его непосредственно наблюдают с помощью оптической си-
стемы.
Характерным для предложенного устройства, помимо
отсутствия механически сканирующих компонентов и ох-
лаждаемых приемников излучения, является простота пе-
рестройки длины волны в пределах нескольких микрон,
которая осуществляется простым изменением ориентации
кристалла относительно луча ОКГ.
Узкая спектральная полоса не позволяет эффективно
применять этот метод для видения теплового излучения в
окнах пропускания атмосферы (3—5 и 8—13 мкм), однако,
по мнению иностранных специалистов, он может оказаться
перспективным для использования в системах, где источни-
ком подсвета объектов является ОКГ на СО2.
Рассмотрим преобразователи изображения, работаю-
щие в диапазоне миллиметровых волн. Максимальная даль-
ность действия приборов ночного видения инфракрасного
диапазона сильно зависит от метеорологических условий.
В снег, дождь и туман дальность действия аппаратуры
166
уменьшается настолько, что ее использование становится
практически невозможным. Перед конструкторами и ис-
следователями уже давно возникла задача создания прибо-
ров ночного видения, способных удовлетворительно функ-
ционировать в сложных метеорологических условиях. Один
из путей решения этой задачи основывается на взаимодей-
ствии электромагнитного поля с неравновесными носите-
лями тока в полупроводниках. Метод, который вначале
был предложен для визуализации инфракрасных изобра-
жений [116], оказался приемлемым и для микроволновых
полей [103, 107].
Сущность метода заключается в следующем. Отражен-
ное от объекта направленное излучение генератора милли-
метровых или субмиллиметровых волн фокусируется лин-
зой, создающей изображение на полупроводниковой пане-
ли с малым темновым возмущением. Световой луч, сфо-
кусированный на поверхность панели, приводит к местному
образованию неравновесных носителей тока, которые вы-
зывают локальное изменение всех электродинамических
параметров материала панели (коэффициентов отражения,
преломления и пропускания электромагнитных волн).
Построчное сканирование возбуждающего луча поочеред-
но изменяет проводимость различных участков полупровод-
никовой панели, что позволяет визуализировать простран-
ственное распределение анализируемого поля. Проведенные
экспериментальные исследования [103, 107] подтвер-
дили принципиальную возможность практической реали-
зации этой идеи. Схема установки показана на рис. 99.
В качестве источника излучения взят клистрон (% =
= 4,28 мм, f — 20 Гц). Выбор источника на такой длине
волны обусловлен только наличием необходимых узлов.
С точки зрения оптимальных условий работы системы
в сложных метеорологических условиях, целесообразно
использовать диапазон длин волн чуть меньше 1 мм, одна-
ко в этом диапазоне пока отсутствуют мощные источники
излучения и чувствительные приемники.
Излучение клистрона направляется с помощью парабо-
лического отражателя диаметром 76 мм на объекты — пло-
ские металлические диски диаметром 25 мм. Отраженное
дисками излучение собирается люситовой линзой диамет-
ром 250 мм в пятно диаметром 23 мм на полупроводниковой
панели, помещенной за линзой. Панель освещается проек-
тором с вольфрамовой лампой (рис, 99, б) и развертывается
167
теневым (бланкирующим) пятном. Перед проектором дви-
жется непрерывная прозрачная лента с темными квад-
ратами размером 17 X 17 мм, расположенными так, что
движущееся теневое пятно сканирует полупроводниковую
Рис. 99. Схема установки для видения на миллиметровых
волнах (а) и аппаратура преобразования изображения (б):
/ — смесительный диод; 2 — рупор диаметром 20 мм; 3 — полупро-
водниковая панель; 4 — темное (бланкярующее) пятно; 5 — вспо-
могательная линза для фокусировки бланкирующего пятна; 6 —
непрерывная движущаяся лента; 7 — непрозрачные участки; 8 —
проектор; Р — объект наблюдения (плоские металлические диски);
10 — люситовая линза; 11 — параболический отражатель; 12 —
клистрон; 13 — предусилитель; 14 — усилитель; 15 — электрон-
нолучевая трубка; 16 — блок развертки.
панель, создавая телевизионный растр. Количество строк
в кадре 34, частота кадров 2—4 кадра/с.
Освещенная проектором панель непрозрачна для мил-
лиметрового излучения в связи с увеличением проводимости
полупроводника; но проводимость затененной области
уменьшается настолько, что излучение свободно проходит
через панель. Благодаря перемещению бланкирующего
пятна последовательно выбираются области радиоизобра-
жения. Миллиметровое излучение, пройдя через полупро-
168
водниковую панель, собирается и детектируется. Величина
выходного сигнала пропорциональна интенсивности излу-
чения, прошедшего через бланкирующее пятно на панели.
Выходной сигнал модулирует электронный луч кинескопа,
развертка которого синхронизирована с разверткой панели.
Панель для преобразования изображения изготовлена
в виде решетки из 36 монокристаллов германия размером
17 X 17 X 4,28 мм, уложенных на пластине из люсита
толщиной 3,2 мм. Толщину панели следует выбирать крат-
ной половине длины волны. Длина панели 107 мм, толщина
равна четырем длинам волн. Темновое удельное сопротив-
ление 40 Ом • см, что соответствует коэффициенту пропу-
скания по мощности 0,237 или потерям 6,25 дб. В условиях
освещения панели видимым светом потери превышают
30 дб. В качестве полупроводниковых панелей могут быть
также использованы монокристаллы кремния п-типа
(удельное сопротивление 150—200 Ом • см, время жизни
неравновесных носителей тока » 45 мкс) и поликристаллы
на основе селенида кадмия [51].
Собирающее устройство выполнено в виде конусообраз-
ного рупора длиной 40 мм и диаметром отверстия 200 мм.
Отверстия располагаются на оптической оси за плоскостью
изображения на расстоянии 100 мм от нее.
Величина мощности в различных точках установки,
Вт/см2: на входе люситовой линзы 1,12 • 10-5, на входе
полупроводниковой панели 1,02 • 10-5, на входе рупора
3,15 • 10“6. на коллекторном диоде приблизительно 10“7,
на выходе параболоида 70 МВт.
Частота развертки 4 кадра/с не является предельной.
Принципиально этот предел зависит от времени жизни не-
равновесных носителей тока в панели. Установлено, что
для времени жизни от 100 до 200 мкс в панели размером
100 х 100 мм достижимая скорость развертки равна 30-
кадр ов/с при 30 строках на кадр.
Важным достоинством рассматриваемого метода явля-
ется его широкополосность (от сантиметрового до субмил-
лиметрового диапазона), характерная для поглощения
неравновесными носителями тока.
Другой метод использования отраженного излучения
радиоволн миллиметрового диапазона для воспроизведе-
ния изображения объектов основан на применении эвапо-
рографа Черни, описанного в предыдущем параграфе-
16»
Схема соответствующей установки изображена на рис. 100.
СВЧ-антенна, выполненная в виде кругового конического
рупора, и полиэтиленовая линза (Оое = 200 мм, /об =
= 150 мм) фокусируют энергию СВЧ-излучения (f ~ 35 Гц,
X = 8,6 мм) на термочувствительную пленку на нитроцел-
люлозной основе диаметром 40 мм и толщиной 0,1 мкм.
Пленка помещена в вакуумный сосуд, закрытый с обоих
Рис. 100. Схема установки для визуализации СВЧ-изображе-
ний:
/ — лампа с вольфрамовой нитью; 2,4 — фокусирующие линзы; 3 —
диафрагма; 5 — полупрозрачное зеркало; 6 — отвод к вакуумному
насосу; 7 — электронагреватель для испарения масла; 8 — пленка на
нитроцеллюлозной основе; 9 — вакуумный сосуд (р = 0,65 Па); 10 —
стеклянные входные окна; 11 — полиэтиленовая линза (£об = 200 мм,
f06 ®= 150 мм); 12 — рупорная антенна; 13 — СВЧ-излучение (Л =
=8,60 мм).
концов стеклянными окнами толщиной 5 мм. Передняя по-
верхность пленки, обращенная к антенне, покрыта тонким
слоем напыленного в вакууме металла с низкой проводи-
мостью (висмут, свинец). Этот слой поглощает 10—50%
мощности падающего излучения и передает тепловой рельеф
на тонкий слой гексадеканового масла, который осажда-
ется на задней поверхности пленки вплоть до наступле-
ния равновесного состояния между конденсацией и повтор-
ным испарением. При освещении задней поверхности плен-
ки параллельным пучком видимого света от яркого точечного
источника слой масла в исходном состоянии создает для на-
блюдателя однородную интерференционную картину. Под
воздействием же локального нагрева передней поверхности
пленки интерференционная картина становится неодно-
родной и появляется видимое изображение картины рас-
470
пределения СВЧ-поля. Необходимое время воздействия
СВЧ-облучения 1—3 мин.
Результаты первых опытов оказались положительными,
но, по мнению разработчиков, для практического исполь-
зования предложенного метода необходимо создать меха-
нически устойчивые пленки эвапорографа, увеличить их
рабочую площадь и повысить чувствительность системы
в целом [115].
Глава 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
14. ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН
ДЛЯ ИХ РАСЧЕТА
Эффективность применения приборов ночного видения
характеризуется совокупностью определенных параметров,
которые можно разделить на общие и частные. Общими для
всех приборов являются следующие параметры:
спектральная чувствительность — область (или области)
длин волн электромагнитного спектра, в пределах которых
прибор воспринимает излучение наблюдаемых предметов
и окружающего их фона;
угол зрения — телесный угол с вершиной в центре вход-
ного отверстия объектива, в пределах которого предметы
и фон могут наблюдаться с помощью прибора;
мгновенный угол зрения — телесный угол с вершиной
в центре входного отверстия объектива, в пределах кото-
рого предметы и фон наблюдаются в данный момент време-
ни;
максимальная дальность действия, зависящая от харак-
теристик прибора, объекта наблюдения, фона и среды, че-
рез которую распространяется излучение;
пространственная разрешающая способность — наи-
меньший угол между двумя объектами, которые можно на-
блюдать раздельно с помощью прибора;
171
передаточная функция — математическое описание ди-
намических свойств прибора, т. е. его способности точно1
воспроизводить заданные изменения входного сигнала во
времени и в пространстве;
пороговая чувствительность—наименьший лучистый
поток, при котором с заданной вероятностью при опреде-
ленном времени наблюдения создается выходной сигнал,
равный напряжению шумов или превышающий его в т раз.
Остановимся подробнее на понятии «пороговая чувст-
вительность», так как она является одним из главных пара-
метров, определяющих дальность действия прибора и воз-
можность наблюдения с его помощью низкотемпературных
объектов. Заметим, что в определении пороговой чувст-
вительности под выходным сигналом можно понимать не
только электрический сигнал, но и изображение объекта,
точнее яркость этого изображения, а под термином «шу-
мы» — яркость фона экрана, на котором рассматривается
изображение, или статистическая характеристика яркости
фона. Хотя пороговая чувствительность характеризует
прежде всего приемник излучения, нельзя отождествлять
понятие пороговой чувствительности приемника с поро-
говой чувствительностью прибора наблюдения в целом.
Когда фон равномерный, то сигнал на выходе приемника
излучения содержит флуктуационную составляющую,
обусловленную собственными шумами приемника (для
ЭОП, например, собственными шумами является яркость
экрана, вызванная термоэлектронной эмиссией). Шумы,
создаваемые усилителем фототока, при правильном под-
боре элементов схемы меньше шумов приемника, однако
электронная схема усиления увеличивает шумы послед-
него.
Основным видом шума фотосопротивлений считается
генерационно-рекомбинационный шум, обусловленный слу-
чайным характером генерации и рекомбинации электронов,
т. е. флуктуацией их времени жизни.
Энергетический спектр генерационно-рекомбинацион-
ного шума можно считать равномерно распределенным в
широком диапазоне частот, который определяется приро-
дой и чистотой полупроводника. Уменьшение спектраль-
ной Плотности шума начинает происходить на частотах,
сравнимых с величиной, обратной времени жизни носите-
лей.
Спектральная плотность сигнала на входе электронной
172
схемы
U2
ст — пр
ивх — , 2 . г >
йрд/
(4.1)
где j/np средний квадрат напряжения генерационно-
рекомбинационного шума; kp—коэффициент пропорцио-
нальности между выходным напряжением приемника и
падающим лучистым потоком.
Спектральная плотность сигнала на выходе электронной
схемы усиления (если считать ее линейной и не изменяю-
щейся во времени)
Овых (со) = I W (Joi) |2 <твх, (4.2)
где W (/со) — комплексная передаточная функция схемы.
Интегрируя спектральную плотность <тВых (со) по всем
частотам, получим средний квадрат напряжения шумов:
СО
__ (7 f*
и2ш = -~ J |^(/со)|Чсо. (4.3)
—00
В то время, как пороговая чувствительность приемника
О Г г2
излучения определяется величиной Unp, пороговая чувст-
вительность прибора в целом—величиной U‘m.
Для нахождения пороговой чувствительности прибора
его подвергают воздействию излучения модели абсолютно
черного тела, расположенного на небольшом расстоянии
/ч.т от объектива прибора. Если известны температура T4.t
и площадь 5ч.т выходного отверстия черного тела, при кото-
рых на выходе прибора возникает сигнал, превышающий
в заданное число раз напряжение шумов, то пороговая
чувствительность прибора
Достаточно низкая пороговая чувствительность прибо-
ра, определяемая по формуле (4.4), еще не означает, что
он удовлетворяет всем предъявляемым к нему требовани-
ям. В самом деле, при испытаниях прибор с приемником
излучения, работающим в широкополосном спектре длин
волн, может показать лучшую чувствительность, чем при-
бор с приемником, работающим в узкополосном спектре.
Тем не менее, на практике узкополосная система может
173
оказаться эффективнее широкополосной в силу двух при-
чин;
излучение наблюдаемого объекта отличается по своему
спектральному составу от излучения черного тела, исполь-
зуемого при лабораторных испытаниях;
излучение неравномерного фона способно создать в
широкополосной системе значительно большие шумы, чем
в узкополосной.
В современных хорошо спроектированных инфракрас-
ных устройствах шумы, создаваемые неоднородностью из-
лучения фона, являются преобладающими среди других
шумов, поэтому оценка пороговой чувствительности прибора
по излучению черного тела, либо по чувствительности прием-
ника излучения, дает лишь приближенное представление
о возможностях работы прибора в реальных условиях.
Приборы ночного видения отдельных типов характери-
зуются не только общими, но и частными параметрами, ко-
торые были отмечены при рассмотрении устройства этих
приборов (например, коэффициент усиления яркости,
электроннооптическое увеличение, время послесвечения —
у приборов с электроннооптическими преобразователями;
пороговый температурный контраст — у радиометров;
число строк разложения, частота строк и кадров — у теп-
ловизоров и т, д.). Зная параметры приборов ночного
видения, можно сравнивать последние между собой и опре-
делять целесообразность использования того или иного
прибора в конкретных условиях.
Для определения параметров приборов в дальнейшем
используется следующая система обозначений величин и
единиц их измерения:
Объект наблюдения
Зц — площадь излучающей поверхности, см2;
Гц — абсолютная температура, К;
е>.ц — спектральный коэффициент излучения;
П. — спектральная интенсивность плотности излучения
(при данной температуре), Вт/см2 • мкм;
R —• плотность излучения, Вт/см2;
Fa — лучистый поток, излучаемый в направлении, харак-
теризуемом углом а, Вт;
а — угол между нормалью к поверхности излучения
(отражения) и линией дальности;
L — расстояние между объектом наблюдения и прибором
(линия дальности), см;
174
/ — сила излучения, Вт7ср;
/Л — спектральная плотность силы излучения, Вт/ср • мкм;
— сила излучения в диапазоне длин волн, соответст-
вующем спектральному диапазону чувствительности прием-
ника излучения, Вт/ср;
В — яркость, кд/м2;
рц — коэффициент диффузного отражения;
та — коэффициент пропускания излучения слоем атмо-
сферы между объектом наблюдения и прибором.
Прибор
Do6 — диаметр объектива, см;
/об — фокусное расстояние объектива, см;
So6 — площадь объектива, см2;
Умгн — мгновенный угол зрения, ср (плоский угол б'мгн)',
у — угол зрения, ср (плоский угол 0°);
тпр — коэффициент пропускания оптической систе-
мы;
^пор — пороговая чувствительность приемника излу-
чения, Вт/см • Гц1/*, (или Вт);
<?п— площадь чувствительной площадки приемника,
см2;
/п — постоянная времени приемника, с;
D* — обнаружительная способность приемника,
см • Гц‘/*/Вт;
S-K — спектральная чувствительность приемника;
М — Л,2 — диапазон длин волн, в пределах которого S?. =£
=# 0;
А/ — ширина полосы пропускания электронной схе-
мы усиления сигнала приемника, Гц;
Г’обз — период обзора поля зрения, с;
4гн — время просмотра мгновенного поля зрения, с;
ч = —¥ число элементов поля обзора; Ymfh
т ~ : отношение сигнал/шум по напряжению;
Вт; ГОб—лучистый поток, прошедший через объектив,
Гпр — лучистый поток, воспринятый приемником
излучения, Вт.
Источник подсвета 7?п •— рабочий диаметр прожектора, см; тп — коэффициент пропускания оптической системы
прожектора (включая инфракрасный фильтр);
175
Sn — площадь источника света, см2;
Вп—яркость источника света, кд/м2;
Ф1( — световой поток, излучаемый лампой прожекто-
ра, лм;
F„3„ — средняя по времени мощность излучения опти-
ческого квантового генератора, Вт;
Ф— угол расходимости излучения ОКГ;
®изл — телесный угол, в котором распространяется
излучение ОКГ, ср;
г?.„ — спектральная интенсивность плотности лу-
чистого потока, испускаемого прожектором, Вт/см2 • мкм.
15. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ
ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ С ЭОП
Выведем уравнение, определяющее максимальную даль-
ность действия приборов ночного видения с однокаскадным
ЭОП (активного типа), в предположении, что объектом
наблюдения является одиночный малоразмерный предмет
плоской формы, установленный перпендикулярно линии
визирования. Если нормаль к поверхности объекта обра-
зует угол а с линией визирования, то вводится множитель
cos а.
Предположим, что источником подсвета является ин-
фракрасный прожектор; тогда создаваемая им облученность
объекта, удаленного на расстояние L от прожектора,
Еа = тпталВп sin2 и, (4.5)
где и — апертурный угол выхода зрачка (рис. 101). Так как
L » Dn, то
Г) тптяО2,Фп
= = (4.6)
где Sn — ab — площадь светящегося элемента прожектора.
Лучистый поток, отраженный объектом и заключенный
в телесном угле со, опирающемся на рабочую площадь объек-
тива прибора наблюдения (рис. 101), рассчитывается на
основании закона Ламберта:
Р = .РцЕцЗ^ = рЦ5цТпф|фп50б
Л а 4nL4Sn ' '
176
Лучистый поток, воспринимаемый фотокатодом ЭОП,
РцЗцТпТ^т npD^PnSo6
Fn₽ --------(4-8’
где коэффициент использования излучения
^-2
У (гХп)оти
К = -------------- (4.9)
f (^Хп)отн
X,
рассчитывается графо-аналитическим путем. Для этого
в одном масштабе строят кривые (гхп)отн и S?., а коэф-
'Sn=ab ,_________________________L______________ _
Рис. 101. К расчету дальности действия прибора ноч-
ного видения с ЭОП:
/ — светящийся элемент прожектора; 2 — зеркальный отра-
жатель прожектора; 3 — объект наблюдения; 4 — объектив
прибора ночного видения; 5 —* приемник излучения.
фициент использования определяется из отношения К =
= -21-, где 01 — площадь, ограниченная ординатами Xlf Х2,
^2
осью % и кривой f (X) = (>\п)отн Sx; а2 — площадь, огра-
ниченная ординатами Х1( Х2, осью % и кривой (гхп)оти. Мето-
дика расчета коэффициента Д'будет проиллюстрирована ни-
же на численном примере.
Кривую (гхп)оти строят при помощи специальных таб-
лиц [6], в которых Хм обозначена длина волны, соответст-
>/2 12 5-2
177
вующая максимальному значению спектральной интен-
сивности плотности лучистого потока, испускаемого про-
жектором.
Согласно закону Вина
(4.10)
* п
где С = 2898 мкм • град.
Яркость изображения на экране ЭОП, имеющего~коэф-
фициент преобразования г],
В = — Н3 л5из т]рц5цТптатпр£>пФп5об 4n2L4SnSH3 (4.Н)
Так как
— Д2
^из г2 р2 ’ /об* э
где Г3 — электроннооптическое увеличение ЭОП, то
R rz
из 16л£25пЛ2/о2б
(4.12)
На зрительное восприятие изображения объекта на
экране ЭОП оказывают влияние многочисленные факторы,
главные из которых — яркость фона, контраст изображе-
ния относительно этого фона, время инерции зрения,
скорость перемещения изображения и угловые размеры
объекта. При высоких яркостях фона (от 1 до 1000 кд/ма)
и больших угловых размерах объекта (0,5—3°) справедлив
так называемый психофизиологический закон Вебера —
Фехнера, согласно которому различие в зрительных ощу-
щениях при рассматривании двух поверхностей с различ-
ной яркостью прямо пропорционально контрасту яркости
этих поверхностей (Виз—Вф)/Вф; пороговый контраст яр-
кости принимается равным 0,02—0,05. Для яркостей фона,
меньших 1 кд/ма, или при угловых размерах объекта,
меньших 0,5°, пороговый контраст плоского объекта в ви-
де равнояркого диска рассчитывают по формуле А. В. Луи-
зова [44]: _
/ Внз — ВФ \ _ В 1'Ч> /41оч
\ Вф /пор Оа]АзрВфР
где D — диаметр зрачка, см; тзр — время инерции зре-
ния, с; р — чувствительность сетчатки в относительных
единицах; Вф — яркость фона, кд/м2; а— угловой размер
178
объекта, рад; п0 — минимальное число фотонов, необходи-
мое для восприятия контраста, равного единице (принима-
ют = 2,5); В — коэффициент, равный 3,77 • 10-6 см х
X (с • кд/м2)1/г для сумеречного и 2,44 • Ю~' см • (с х
X кд/м-)1/2 для дневного времени.
Таблица 6
Значения параметров зрительного восприятия
Яркость фона Вф, кд/м2 Диаметр зрачка D, см . i Время инер- ции зрения *зр* с Ч увствитель- ность сетчат- ки р Яркость фона Вф, кд/м1 Диаметр зрачка D, см Время инер- ции зрения тзр* с Чувствитель- ность сетчат- ки р
3,2 • 10~5 0,72 0,200 0,200 13,2 • 10-1 0,63 0,115 0,017
3,2 • 10~4 0,72 0,197 0,133 3,2 0,52 0,082 0,010
3,2 .10~3 0,70 0,180 0,069 32 0,37 0,054 —
3,2 • 10-2 0,68 0,150 0,033
Значения параметров, необходимых для выполнения
расчетов по формуле (4.13), приведены в табл. 6. Вычислен-
ные по этой формуле пороговые контрасты соответствуют
вероятности обнаружения
объекта порядка 0,8.
Для того чтобы глаз на-
блюдателя мог не только за-
фиксировать наличие предме-
та, но и различить его струк-
туру, при рассматривании
изображения на фоне с яр-
костью Вф необходимо, чтобы
выполнялось условие Берека
[70]:
-#-<£• (4.U)
Рис. 102. График зависимости
коэффициента £ от яркости фо-
на для углового размера объек-
та 2' (/) и 10' (2).
График зависимости коэффициента £ от яркости фона изобра-
жен на рис. >-102 [63].
Яркость фона зависит от термоэлектронной эмиссии и
лучистого потока прожектора, рассеянного атмосферой
и распространяющегося в обратном направлении. При хо-
роших атмосферных условиях первый фактор является оп-
ределяющим. Яркость фона, создаваемого термоэлектронной
‘/2 12*
179
эмиссией,
(4.15)
о . Ч/
---------ТТ*
лфхЧ
где /— плотность тока термоэлектронной эмиссии фотокато-
да; <р2 — интегральная чувствительность фотокатода.
Решая совместно уравнения (4.12) и (4.15) с учетом нера-
венства (4.14 ), находим _________________
Г ^,п^,обта 1 Г РцтпТпрФпф2^ .
”аКС~ ifo6 V iSnj
Уравнение (4.16) показывает, как влияют различные фак-
торы на максимальную дальность действия прибора ноч-
ного видения с ЭОП.
.Sk Г
0,8
0,6
0,4
0,2
Пример 1. Рассчитать максимальную дальность действия при-
бора ночного видения с однокаскадным ЭОП активного типа при под-
свете объекта наблюдения ин-
фракрасным прожектором.
Дано:
диаметр прожектора £>п=450 мм;
диаметр объектива прибора
£>об — 12® мм; фокусное расстоя-
ние объектива /об = 200 мм; ко-
эффициент диффузного отраже-
ния объекта рц = 0,4; коэффи-
циенты пропускания: тп = 0,8
(с фильтром), тпр= 0,7, та=0,6;
поток, излучаемый лампой про-
жектора, Фп = 3 • 104 лм; инте-
гральная чувствительность фото-
катода ЭОП ф2 =
£ = 40; / = 10~12
щадь излучающей
лампы 14 X 15 мм2;
излучающей поверхности Т„ — 2890 К; фотокатод ЭОП
цезиевый.
Решение:
1. Находим длину волны, соответствующую максимуму спектраль-
ной интенсивности плотности лучистого потока, излучаемого прожектор-
ной лампой:
О
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 11 Л.мнм
Рис. 103. К расчету коэффициента
использования излучения:
1 ? РХп^отн’ 8 — f (А,).
10 5 А/лм;
А/см2; пло-
поверхностн
температура
кислородно-
, С 2898
Тп ~ 2890 МКМ’
2. Составляем таблицу исходных данных (табл. 7).
3. Строим графики (/\п)отн и / (X) (рис. 103) и находим коэффициент
использования излучения:
а2 340
|80
Исходные данные для расчета коэффициента
использования излучения
Таблица 7
X, мкм хм п)отн ; (кнслород- । но-цезиевый фотокатод) << S о 115 г!1 X, мкм X В О Н (кислород- но-цезневый фотокатод) S о “7
0,5 0,5 0,22 0,5 0,11 0,9 0,9 0,97 0,7 0,68
0,6 0,6 0,47 0,7 0,33 1,0 1,0 1,00 0,4 0,40
0,7 0,7 0,70 0,9 0,63 1,1 1,2 1,1 1,2 0,98 0,2 0,20
0,8 0,8 0,88 1,0 0,88 0,93 0 0
4. Определяем максимальную дальность действия прибора
, OnD^Ta РцТпТпрФпф2К
4/об |/
45 • 12 • 0,6 , f 0,4 • 0,8 0,7 3 • 104 • 10~5 • 0,5~
= 4-20 |/ 40-2.1- 10"12
1 Ю СМ, ИЛИ ^-мэкс ;=« 800 м.
Как показывают расчеты, при удовлетворительных ус-
ловиях видимости лучистый поток, рассеянный атмосферой
и распространяющийся в обратном направлении (к прибору
наблюдения), создает яркость фона, на три порядка мень-
шую яркости фона термоэлектронной эмиссии кислородно-
цезиевого фотокатода и практически не оказывает влияния
на максимальную дальность действия прибора.
При использовании ЭОП с мультищелочным фотокато-
дом фон, создаваемый рассеянным потоком (условия види-
мости те же), приблизительно равен фону термоэлектронной
эмиссии. В этом случае максимальная дальность действия,
прибора уменьшается приблизительно на 30% [63].
Рассмотрим случай, когда наблюдаемый объект под-
свечен оптическим квантовым генератором. Облученность
объекта, создаваемая ОКГ,
Т^пр^издЮц изл
шизл*5ц <0изл^'2
(4.17}
где тпР1 — коэффициент пропускания излучения ОКГ фор-
мирующей оптической системы.
181
После отражения от объекта некоторая часть лучистого
потока возвращается к прибору наблюдения. В первом
приближении будем считать, что объект представляет со-
бой плоскую Отражающую поверхность, характеризуемую
коэффициентом лучистости Ь. По определению b равно
отношению лучистости В данной поверхности к лучистости
5дИф диффузно отражающей поверхности, имеющей такую
же облученность и коэффициент отражения (для исполь-
зуемого диапазона длин волн), равный единице:
6 = -^— = -^-. (4.18)
йдиф Е
Лучистый поток, отраженный объектом и распростра-
няющийся в телесном угле Sot>IL\ опирающемся на объек-
тив прибора наблюдения,
, __ bESuSo6 _ &т^тпр1Визл5и5об ,,
Гпр - ----------------
С учетом ослабления излучения ОКГ оптической систе-
мой прибора наблюдения (с интерференционным фильтром)
р &татпр^изл‘5ц‘30б ,.
Опр =------——р--------, (4.20)
лшизль
где тпр = тПр1ТПр2; тпР2 — коэффициент пропускания оп-
тической системы прибора наблюдения.
Используя формулы (4.11), (4.14) и (4.20), находим:
В Л^пр "П^а^пр^об^изл (4.21)
°из Л5из лЧзл^Г2 ’
Виз ^таТпр^изл*$об(Р2 (4.22)
Вф Л^изл^макс./ об^'
Диаке — ТаРоб । / ^тпр^излФ2 2/об V ®излК (4.23)
Наличие дымки и тумана уменьшает максимальную
дальность действия прибора, так как излучение ОКГ рас-
сеивается атмосферой и некоторая часть этого рассеянного
излучения попадает на фотокатод ЭОП, вызывая допол-
нительную засветку экрана. Предположим, что рассеяние
в направлении к источнику излучения является изотроп-
ным и что световой пучок, излучаемый ОКГ, и пучок, рас-
сеиваемый в направлении к прибору, перекрываются. Тогда
182
лучистый поток на расстоянии L от ОКГ определим по фор-
муле
.Fl = = Ризл -10 10 , (4.24)
где X— постоянная, характеризующая состояние атмо-
сферы; о — затухание лучистого потока в децибелах на
единицу длины, связанное с коэффициентом X соотношени-
ем X = 0,043 о.
В направлении к прибору наблюдения падает лучистый
поток, образующийся в результате рассеяния слоем ат-
мосферы толщиной ct„, где с — скорость света, — дли-
тельность импульса излучения ОКГ. Величина этого лу-
чистого потока пропорциональна толщине слоя и величине
потока, поступающего в слой; коэффициентом пропорцио-
нальности служит коэффициент ослабления потока X.
Лучистый поток, воспринимаемый фотокатодом ЭОП,
2oL
ю~~. (4.25)
Затухание лучистого потока а, км-1, и метеорологи-
ческая дальность видимости I связаны такой приближенной
зависимостью: о 20//. Под величиной I понимают наиболь-
шую дальность видимости днем темных предметов с угло-
выми размерами, превышающими 30', и проектирующихся
на фоне неба у горизонта. Метеорологическая дальность
видимости характеризует замутненность атмосферы; ее
значения определяют по таблицам [38]. Очевидно, лучи-
стый поток, воспринимаемый фотокатодом ЭОП,
40
0,86Fn,„cZHSnfi -т-
=-----4^^- 10 • <4-26)
Поток Л’пр вызывает дополнительную яркость фона
о* Л^пр Л^изл 0>86cZHSo6 I
в> = 10 • <4-27>
где Зэкр — площадь экрана ЭОП. Суммарная яркость
фона
о ,« о* л/ । °-86’1^изЛ^и50б -- /д 9о\
в*+в*=+ 10 <4-28’
С учетом соотношений (4.21) и (4.28) уравнение, определяю-
щее максимальную дальность действия прибора, запишем
183-
в виде
&из _____ Л^а^пр^изл^об , 1]/____।
Вф + Вф "* Л4зл£макс/обгэ ’ ЛФ2ГЭ
л 40
o.WhsA об ! 0“ — = g (429
4я^аксяЗэкр
откуда
__40
2 ^Ф2татпр^изл^об ^и^об^эФЕ^изл /дол
Г-макс = 2 1 Qi о • (4.OU
4/®изл/об? |Ь‘\кр
Второй член правой части уравнения (4.30) характери
зует уменьшение дальности, вызванное обратным рассея.
нием лучистого потока ОКГ.
16. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ
ДЕЙСТВИЯ НЕСКАНИРУЮЩИХ ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРОВ
Максимальная дальность действия несканирующего
теплопеленгатора при наблюдении объекта на неизлучаю-
щем фоне определяется внутренними шумами приемника
излучения и усилителя фототока.
Предположим, что объект представляет собой плоский
«серый» излучатель; нормаль N к поверхности излучения
образует угол а с линией дальности L (рис. 104). Элемен-
тарный лучистый поток dFa, испускаемый площадкой по-
верхности излучения в телесном угле со, опирающемся на
объектив прибора, определим по закону Ламберта:
dFa = dF^ cos асо = —— со cos а, (4.31)
dF
где dFx = —-------лучистый поток, испускаемый элемен-
тарной площадкой с13ц в направлении нормали. Часть лу-
чистого потока dFa, ограниченная спектральным диапазо-
ном чувствительности приемника излучения,
dFa = dsu J wdK. (4.32)
184
Считая в первом приближении 8хц = 8ц и тпр независимы-
ми от длины волны 1, а также заменяя со отношением
5Об/Л2, получаем выражение для лучистого потока, вос-
принимаемого приемником излучения:
(4.33)
Fnp = Тпр^об-Ц [ SxVxdl J -^dSu.
>.1 sn'
При больших дальностях направления осей пучков,
исходящих из любых элементарных площадок dSa поверх-
Рис. 104. К расчету дальности действия иескаиирую-
щего теплопеленгатора.
ности излучения и опирающихся на площадь So6, почти
совпадают. Это позволяет считать углы а и дальности L
одинаковыми для всех элементарных площадок и относить
их к геометрическому центру поверхности излучения,
С учетом этого допущения находим
FnnS_xeuSu cos а г „
Fnp = ------J r^adk. (4.34)
Обозначим
M A
С--------
Д’ = 1. ('х)макс (4.35)
тогда формула (4.34) преобразуется к виду
Fnp = K^dl. (4.36)
ЛЬ» v
Л|
7 52
185
• Коэффициент К -использования излучения играет важ-
ную роль при расчете величины лучистого потока, воспри-
нимаемого от теплризлучающего объекта приемником из-
лучения прибора ночного видения. С помощью этого крэфт
фициента учитываются спектральный состав лучистого
потока, излучаемого ' объектом, спектральная характери-
стика приемника излучения и функция пропускания
инфракрасных лучей слоем атмосферы между прибором и на-
блюдаемым объектом. Коэффициент К рассчитывают графо-
аналитическим путем. Для этого в одних и тех же коор-
динатных осях строят кривые
О./(О.)макс = /1 (X), SK = f2 (X) И Та = f3 (X).
Затем коэффициент К определяют из отношения
°2
где 01 — площадь, ограниченная ординатами Хъ Х2, осью
X и кривой f (X) = (k)f2 (X) f3 (X); ст2 — площадь, ограни-
Гу
ченная ординатами Хь Х2, осью X и кривой (X) = -—--------.
Подынтегральная функция выражения (4.36) представ-
ляет софой закон Планка: .
rK = CJT5 (exp — Ip', (4.37)
где Ci = 3,74 • 1СГ12 Вт • см2; С2 = 1,439 см • град.
Интеграл f r>.dX рассчитывают с помощью таблиц [6],
в которых входной величиной является
х
' ' 1 1 \ -
-----• (4-38)
" ’ . 0
Величина Хм и знаменатель формулы (4.38) определяются
законами Вина и Стефана— Больцмана:
Хм = -£-; (4.39)
1 ц
со
JadX = (Tn (4.40)
где d = 4898 мкм • град; о = 5,673 • 10-12 Вт/см2 • град4,
186
Заменяя в формуле (4.36) интеграл
5 И-Ы ЧЧ
получаем выражение для величины лучистого потока,
воспринимаемого приемником излучения:
fn>= (4.41)
Из этого выражения находим максимальную дальность
действия теплопеленгатора. Для этого предположим, что
объект обнаруживается с заданной вероятностью, если
выполняется условие
Дф — «iFпор!
(4.42)
где т — коэффициент, больший единицы; FnOp — мини-
мальный (пороговый) лучистый поток, в качестве которого
берется пороговая чувствительность приемника излучения.
В каталогах приводится пороговая чувствительность
приемника Fnop, Вт/см • Гцг\ применительно к черному
телу с заданной температурой Т*, или обратная ей величи-
на D* = —. В условие (4.42) необходимо подставлять
4ор
величину
Fпор = Fпор^ Г?ПАЛ (4.43)
где
х,
[ гк,Т*^К^
*=4--------------- (4.44)
У г^j-,dK
о
коэффициент использования приемника излучения.
После несложных преобразований выражение
преобразуется К. виду
SKdk
(гХ.Г*)макс
X = —----------------—
(4.44)
х.
—а
q vX, Г’) макс
х,___________
5,673 10~12Г*4
1,289 • 10-11Г^
X. -
У* f
• “ 0^4 J ГОтА<Д.
X. j *
(4,45)
7*
187
Окончательно получаем
г 2 тпрЗоб8ц$цcos
^макс— _/-—тгг*
ли у qabf Fnopx
ММ-2 ("Ml- (4-46)
' ЛМ / ' 'J
Полученное выражение (4.46) показывает, что на мак-
симальную дальность действия теплопеленгатора оказы-
вают влияние три группы факторов, определяемых:
характеристиками наблюдаемого объекта (£ц, ец, Тц);
конструкцией прибора (50б. тпр, М, Хг, Sx, qn, F*nop, &[)',
метеорологическими условиями (та).
Наибольшие трудности при практическом использова-
нии формулы (4.46) возникают в связи с расчетом коэффи-
циента та пропускания излучения атмосферой. Излуче-
ние инфракрасного диапазона при прохождении через
атмосферу поглощается парами воды, углекислым газом
и озоном, а также рассеивается молекулами воздуха и мель-
чайшими частицами, размер которых значительно меньше
длины волны излучения. В диапазоне длин волн свыше
1 мкм наибольшее значение имеет селективное поглощение
излучения, вследствие которого существуют участки
спектра, соответствующие сильному поглощению излуче-
ния, и так называемые «окна прозрачности»—участки \
спектра, соответствующие слабому поглощению.
Для расчета коэффициентов пропускания излучения ат-
мосферой существует много методов, достаточно полно
описанных в современной литературе по инфракрасной тех-
нике. Все эти методы являются приближенными, так как
для точного решения задачи о прохождении излучения че-
рез слой атмосферы необходимо знать подробные сведения
о конкретных метеорологических условиях, в которых при-
меняется аппаратура.
В инженерной практике применяется табличный метод
определения спектральных коэффициентов пропускания
инфракрасных лучей парами воды и углекислым газом.
Вначале по таблице [17, 38, 67] определяют коэффициенты
пропускания излучения парами воды (без учета рассеяния
лучистого потока). Входной величиной в таблице является
так называемое количество осажденной воды W, которое
представляет собой высоту водяного столба (в миллиметрах),
получающегося в результате превращения в воду водяных
паров, находящихся в столбе атмосферы заданной длины
L и сечением 1 см2. Входную величину рассчитывают по
188
формуле
W = wL, (4.47)
где
ш = -^--Ж104е- <4-48^
количество осажденной воды, мм/км, на длине L = 1 км;
Тв — температура воздуха, К; f — относительная влаж-
ность воздуха, %; е — упругость насыщающих паров,
Па, определяемая по таблице, принятой в 1946 г. Между-
народным соглашением [38].
вочных коэффициентов
для расчета коэффициен-
тов пропускания излуче-
ния парами воды (feB) и
углекислым газом (Ау г).
от длины волны (при различных
дальностях видимости).
Зная W, можно найти коэффициент тв пропускания
монохроматического излучения парами воды на уровне мо-
ря. Если наблюдение объектов проводится на горизонталь-
ной трассе, но на высоте Н над уровнем моря, то коэффи-
циент пропускания монохроматического излучения пара-
ми воды
т" = (1 - kB) + Vb, (4.49)
где kB определяют из графика на рис. 105, а тв— из таб-
лицы, приведенной в работах [17, 38, 67].
Спектральные коэффициенты пропускания излучения
углекислым газом на уровне моря т°.г определяют также
по таблице в зависимости от толщины L слоя атмосферы [17,
38, 67]. При наблюдении объектов на высоте Н над уровнем
189
моря величина L, с которой надо входить в таблицу,
уменьшается в йу.г раз (#у.г определяют из графика на
рис. 105). Так, например, толщина слоя атмосферы L на
высоте 6000 м (fey.r = 0,3) эквивалентна толщине слоя
0,3 L на уровне моря.
В верхних слоях атмосферы, где содержание паров
воды незначительно, следует учитывать поглощение тепло-
вого излучения озоном, окисью углерода и другими газами.
Основная часть атмосферного озона находится в слое ат-
мосферы на высоте от 10 до 40 км с наибольшей концентра-
цией в диапазоне высот 20—30 км. Этот слой поглощает
излучение главным образом в области 9,6 мкм со слабыми
полосами поглощения при 4,7 и 14,2 мкм. Полоса поглоще-
ния окиси углерода находится в области 4,7 мкм, у закиси
азота заметны слабая полоса поглощения при 4 мкм и
сильные полосы при 4,5 и 7,8 мкм. У метана — две линии по-
глощения на участке от 3,1 до 3,5 мкм и узкая полоса при
7,7 мкм. На практике поглощением излучения этими газами
можно пренебречь.
Кроме селективного поглощения различными компонен-
тами атмосферы, излучение объекта ослабляется за счет
рассеяния на молекулах газа (молекулярное рассеяние)
и на мельчайших частицах (аэрозольное рассеяние). В то
время как коэффициенты пропускания атмосферой моно-
хроматического лучистого потока с учетом молекулярного
рассеяния можно рассчитать достаточно точно, расчет
коэффициентов пропускания потока с учетом аэрозольного
рассеяния практически невозможен, так как для этого
необходимо знать количество, размеры, форму и состав
вещества аэрозольных частиц, на которых происходит
рассеяние излучения. Поэтому рассеяние лучистого пото-
ка в окнах пропускания атмосферы учитывают на основа-
нии результатов экспериментальных исследований, которые
показывают, что коэффициент тр.э рассеяния атмосферой
монохроматического лучистого потока с учетом молекуляр-
ного и аэрозольного рассеяния зависит от длины волны
излучения и метеорологической дальности видимости.
- Значения коэффициентов трэ при различных X и I на-
ходят из графика на рис. 106*. Он построен для случая,
* Пунктирные линии на графике проведены предположительно, так
как в соответствующем спектральном диапазоне отсутствуют экспери-
ментальные данные. . - - -
190,
когда расстояние между объектом наблюдения и прибором
L — 1,83 км, а количество осажденной воды W = 17 мм.
Если реальная дальность отлична от 1,83 км, а количество
осажденной воды не равно 17 мм, то коэффициент рассея-
ния определяют из соотношения
. L
тр = (тр.э)1,83 • 0,998м17-1171 (4.50)
Окончательно получаем выражение для коэффициента
пропускания атмосферы:
Та — Тв^У-Г^р-
Этот коэффициент зависит от расстояния L, поэтому
расчет максимальной дальности действия теплопеленгатора
по формуле (4.46) необходимо проводить методом последо-
вательных приближений или графо-аналитическим путем.
Пример 2. Рассчитать дальность действия теплопеленгатора,
применяемого для предупреждения столкновений пассажирских самоле-
тов в воздухе; в качестве источника теплового излучения принять сопла
излучения = 1 м2, температуру
0,8
0,5
0.4
0,2
0
2,0 8,0 . 4,0 5,0 Л,мкм
Рис. 107. Пример численного рас-
чета коэффициента К использова-
ния излучения:
/ — f, (М; 2 - f. (Mi з, 4, 5 — f, (M
при L в 10» 20 н 40 км соответственно.
20°; теМперату-
ь f = 70%;
двигателей, имеющие поверхность
/ц -= 527° С и коэффициент из-
лучения ?ц = 0,90. Высота по-
лета Н = 9 км.
Дано:
площадь входного отверстия объ-
ектива So6 = 200 см2; коэффи-
циент пропускания оптической
системы тпр = 0,80; приемник
излучения — фотосопротивление
на основе InSb, площадь чувст-
вительной площадки <?л = 5 мм2,
полоса пропускания частот уси-
лителя Д/ = 103 Гц, пороговая
чувствительность применительно
к черному телу с температурой '
Т* = 573 К составляет F*op =
= 5 • 10“9 Вт/см. Гц1/2, границы
чувствительности: \ = 2 мкм,
= 6 мкм; спектральная ха-
рактеристика /2 (7) чувствитель-
ности изображена на рис. 107; угол визирования d =
ра воздуха у Земли tB = — 25° С; относительная влажность f -------
метеорологическая дальность видимости I = 20 км.
Решение:
1. Находим длину волны, соответствующую максимуму спектраль-
ной интенсивности плотности лучистого потока, излучаемого объектом:
С 2898 -
Та ~ 273 + 527
= 3,62 мкм.
191
2. Составляем таблицу исходных данных для построения кривой
спектральной интенсивности плотности лучистого потока в относитель-
ных единицах (табл. 8).
(X
—
^•м
-^-=^- = 1,66; г (1.66) =0,610;
1 о П
= 0,552; г (0,552) = 0,020.
Лцд о , DZ
4. Рассчитываем коэффициенты пропускания излучения атмосфе-
рой, задавшись тремя значениями возможной дальности действия тепло-
пеленгатора (10, 20 и 40 км):
Таблица 8
Исходные данные для построения графика спектральной
интенсивности плотности лучистого потока
К, мкм К ^м 1 макс 1 К, мкм У. и х: то К мкм X Ч, | (гХ)макс | К, мкм X С* I эявя(ч4
2,0 0,552 0,34 3,2 0,883 0,96 4,2 1,16 0,95 5,4 1,49 0,72
2,2 0,609 0,49 3,4 0,940 0,99 4,4 1,22 0,91 5,6 1,55 0,67
2,4 0,663 0,62 3,62 1,000 1,00 4,6 1,27 0,88 5,8 1,60 0,64
2,6 0,718 0,74 3,8 1,05 0,99 4,8 1,33 0,84 6,0 1,66 0,60
2,8 0,774 0,84 4,0 1,10 0,98 5,0 1,38 0,80
3,0 0,829 0,91 5,2 1,43 0,76
а) по формулам (4.47) и (4.48) находим количество осажденной воды
на дальностях 1, 10, 20 и 40 км, определив сначала по заданной темпера-
туре воздуха tB = — 25° С упругость насыщающих паров (е = 0,807 X
X Ю-4 Па):
216,7 70 п ап-? п к мм .
и>1 = ----ЛР----ГХ7Г • 0,807 = 0,5 -----;
273 — 25 100 км
Й71о = к> • 10 = 5 мм;
Й72() = и: • 20 = 10 мм;
U74ft = tv • 40 = 20 мм.
Вписываем в табл. 9 значения спектральных коэффициентов пропус-
кания излучения парами воды в диапазоне чувствительности приемника
(без учета поправок на высоту);
б) по графику (рис. 105) определяем коэффициенты поправок для
высоты Н — 9000 м: kB = 0,55; ky r = 0,17. Используя соотношение
(4.49), находим спектральные коэффициенты пропускания излучения
парами воды иа заданной высоте и результаты расчета записываем в
ту же таблицу;
192
193
в) определяем эквивалентную толщину слоя атмосферы для трех
значений дальности:
Lj «= 0,17 • 10=1,7 км;
Д2 — 0,17 • 20 = 3,4 км;
L3 = 0,17 • 40 = 6,8 км
и вписываем в табл. 9 значения спектральных коэффициентов пропус-
кания излучения углекислым газом т^г;
г) пользуясь графиком (рис. 106) и соотношением (4.50), определя-
ем спектральные коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассея-
ния тр для трех значений дальности;
так как в рассматриваемом диапазо-
не спектра 2—6 мкм коэффициен-
ты Тр слабо зависят от длины вол-
ны, возьмем их средние значения}
Рис. 109. К численному расчету
коэффициента х использования при-
емника излучения:
Рис. 108. Пример численного
расчета максимальной дальнос-
ти действия несканирующего
теплопеленгатора.
' - sk = W; 2 -
= ft (X); 3 — ,\(W (X).
rk
макс
д) находим спектральные коэффициенты пропускания атмосферы
та — Туг Тр и результаты расчета заносим в таблицу;
е) по формуле (4.35) рассчитываем коэффициенты К для трех зна-
чений дальности. Для этого строим в одном масштабе кривые: спектраль-
ной чувствительности приемника излучения S = /2 (X), спектральной
функции пропускания атмосферы та = /3 (X) и спектральной плоскости
г,
лучистого потока в относительных единицах -— = Д (X) (рис. 107).
v V макс
В результате графо-аналитического расчета получаем
33
^»“-32Г“°-103;
^20 = 320 “ 0,|72:
84
“ -320- " °’263>
194
ж) представляем выражение (4.46) в виде
тл/^д7хГ*о0^акс-
Г / 1 \ /1X1
= Tnpso6eusu cos аоТ*К г 1-гМ ~ z I-уМ (4.51)
L \ ЛМ / \ ЛМ / J
и строим по трем точкам кривую зависимости правой части уравнения
(4.51) от дальности L (рис. 108):
ф1 (О = TnpSoeeuSn cos аоТ’цК [г ("^") — г
= 0,8 • 200 • 0,9 • 104 cos 20° - 5,67 - 10~12 • 8004 0,59К( = 1,77- 10’/Q;
з) рассчитываем коэффициент использования приемника излучения
х при тарировке по черному телу с температурой 300° С, для чего строим
в одном масштабе кривые —-—^2 =, (X) н SK = /6 (X) (рис. 109).
'гХ.573'макс
Интеграл, входящий в формулу (4.45), определяем графически. Полу-
чаем х = 0,69;
и) строим кривую зависимости левой части уравнения (4.51) от
дальности L (рис. 108), принимая коэффициент т = 5:
Ф2 (L) = тп V^Kf xF’opL2aKC =.
<=5-3,14 У 5 10~2 • 10» • 0,69 • 5 • 10~9Х2 '
к) в точке пересечения кривых Фг (L) и Ф2 (L) получаем искомую
дальность X = 34 км.
Рассмотрим теперь случай, когда объект наблюдается
на однородном излучающем фоне (неравномерность кото-
рого не может быть выявлена прибором). При наличии по-
стоянной засветки чувствительной площадки приемника,
вызванной излучением однородного фона, максимальная
дальность действия теплопеленгатора уменьшается за счет
ухудшения пороговой чувствительности приемника и умень-
шения величины полезного сигнала.
Определим величину лучистого потока, воспринимае-
мого приемником, без учета экранирования части фона
наблюдаемым объектом, так как последний предполагает-
ся малоразмерным. Воспользовавшись ранее полученным
выражением (4.41), запишем
гФ _ Ч^Шф cos аоТ’ф г / х2 \ / Xj \1
ГпР ттг - Лф 2 I I 2 1, •
л 1 \ Ам.ф / \ Лм.ф /J
195
Согласно рис. 110,
кроме того, Sod = —~ и г (-у1—j г (-/2 j
температура фона мала, а Лм.ф велико, поэтому
= Тпр^2°б<?П cos ™ ( "Г2—) #ф-
^/об ' М*Ф '
так как
(4.53)
Выражение (4.41) получено в предположении, что ве-
личины а и L одинаковы для всех участков поверхности
Рис. 110. К расчету лучистого потока, воспринимае-
мого приемником от фона.
излучения. Если угол зрения прибора мал, это условие
практически выполняется; при больших углах зрения необ-
ходимо площадь фона, охватываемую углом зрения теплопе-
ленгатора, разбить на несколько участков, в пределах кото-
рых величины а и L изменяются несущественно, и рассчи-
тывать величину Епр по участкам.
Засветка чувствительной площадки приемника излу-
чения приводит к возрастанию его порогового потока.
Описание этой зависимости для фотосопротивлений в ана-
литической форме затруднительно и возможно только в не-
которых частных случаях. Чаще влияние засветки на
чувствительность приемника учитывают, пользуясь экспе-
риментально полученными данными. Так, например, на
рис. 111 изображен график, показывающий зависимость
р<$>
коэффициента ft* = от величины лучистого потока
Г пор
/"пр, воспринимаемого приемником от фона, для неохлаждае-
мых и охлаждаемых фотосопротивлений [55].
По данным работы [4] кривую, характеризующую за-
висимость чувствительности фотосопротивлений на основе
PbS от облученности фона и построенную в логарифмичес-
196
ких координатах, можно разбить на три участка: постоян-
ной чувствительности (Еф < 10~4 Вт/см2), нелинейного
спада чувствительности (1СГ4 <_ Еф <_ 10-3 Вт/см2) и ли-
нейного уменьшения чувствительности (Еф > 10-3 Вт/см2).
Тангенс угла наклона линейного участка у восьми образ-
цов фотосопротивлений с размерами чувствительных пло-
щадок 1 X 1 мм; 1,7 X 1,4 мм и 3 X 3 мм примерно оди-
наков и в среднем близок к единице.
При больших значениях потока Ffip коэффициент йф =
= (5 — 8), что приводит
к
Рис. 111. График зависимос-
ти коэффициента ft* =
= fnop/fnop от величины лу-
чистого потока, воспринимае-
мого охлаждаемым (/) и не-
охлаждаемым (2) приемником
от фона.
уменьшению максимальной
Рис. 112. График зависимости
выходного напряжения прием-
ника от падающего лучистого
потока.
дальности действия в ]//?* раз.
Уменьшить коэффициент А* мож-
но, уменьшая величину ftp. Как
следует из формулы (4.53), этого можно достичь при про-
чих равных условиях уменьшением площади qn чувстви-
тельной площадки приемника излучения (что выгодно
также с точки зрения уменьшения собственных шумов при-
емника) и увеличением фокусного расстояния объектива /об-
Лучистый поток FnP, определяемый по формуле (4.53),
влияет не только на пороговую чувствительность приемни-
ка, но и ведет к уменьшению величины полезного сигнала.
В самом деле, рассмотрим график зависимости выходного
напряжения приемника от падающего лучистого потока
(рис. 112).”У фоторезисторов, которые чаще всего приме-
няют в теплопеленгаторах, этот график имеет линейный
участок, простирающийся до значений лучистых потоков
порядка (104—105) Епор. При работе фоторезистора в ре-
жиме линейного участка характеристики приращение
19/
лучистого потока на величину AF вызывает изменение выход-
ного напряжения на At/. Обнаружение теплоизлучающего
объекта возможно при условии, что величина At/ превы-
шает определенный уровень. В том случае, когда в поле
зрения теплопеленгатора попадают фон и объект одновре-
менно, приемник излучения находится под воздействием
суммарного лучистого потока от объекта и фона. Разност-
ный лучистый поток, определяющий сигнал At/ на выходе
приемника,
AF = F„P* + F„p — Ftp, (4.54)
где г пр — лучистый поток от фона с учетом того, что часть
его площади, равная площади 5Ц наблюдаемого объекта,
экранируется последним.
Используя формулы (4.41), (4.52) и считая, что
z(-M—i 2 6 ~/'2 V получаем
\ ^м.ф / \ ^м.ф /
сФ* _ ₽Ф _ тпр5обеФ5цcos аа7ф „ / Х2 \ Г Г.
Г пр — 'пр----------I , (Ч.О0)
(«6)
Относительное уменьшение лучистого потока и рабочего
сигнала
6=]-------------к-21Ф L . (4.57)
ецКц7> -А-)
Наиболее сложным случаем для расчета максимальной
дальности действия теплопеленгатора является такой, когда
наблюдаемый объект расположен на неравномерном тепло-
излучающем фоне. При последовательном просмотре та-
кого фона в поле зрения прибора попадают участки с раз-
личной лучистостью, и поток, воспринимаемый приемни-
ком излучения от фона, можно представить как сумму двух
составляющих: постоянной F„p и переменной AFjp. Первая
составляющая обуславливает ухудшение чувствительности
приемника излучения, вторая участвует в образовании на-
пряжения шумов, которое обычно превышает напряжение
198
собственных шумов, создаваемых приемником и электрон-
ной схембй усиления рабочего сигнала.
Для уменьшения влияния переменной составляющей
потока AFnp приходится снижать чувствительность прибо-
ра, хотя это и ведет к уменьшению дальности действия теп-
лопеленгатора. Можно также уменьшать мгновенный угол
зрения прибора за счет площади чувствительной площадки
приемника излучения.
Для расчета дальности действия теплопеленгатора по
объектам, расположенным на неравномерном теплоизлучаю-
щем фоне, необходимо знать статистические характеристики
фоновых ансамблей. В общем случае такой расчет представ-
ляет трудную задачу, решение которой выходит за рамки
данной книги.
17. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ
ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
СКАНИРУЮЩИМИ ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРАМИ И
ТЕПЛОВИЗОРАМИ
Поле обзора при последовательном просмотре можно
рассматривать как совокупность отдельных элементов,
угловой размер которых равен мгновенному углу зрения
прибора. Когда в мгновенном поле зрения появляется объ-
ект наблюдения, на выходе электронной схемы возникает
рабочий сигнал. Максимальная дальность действия, на ко-
торой может быть обнаружен объект, зависит от отношения
сигнал/шум. В том случае, когда шумы прибора определя-
ются главным образом шумами приемника излучения, от-
ношение напряжения рабочего сигнала Uc к среднеквадра-
тическому напряжению шумов U2W определяется зависи-
мостью [100]:
_ ЯТаТпр/ДХ . п sin У°об / Чф \~2~ ,4 5g,
ж Fnop \ 0. ] ’ 1 '
где п — показатель преломления среды, окружающей при-
емник излучения; 0 = $ = $1ТОб3',
(4.59)
199
— коэффициент различимости; Unm пиковое значение
выходного сигнала; £/уст — установившееся значение вы-
ходного сигнала; — длительность импульса, равная
времени нахождения объекта в мгновенном угле зрения.
Коэффициент различимости ф зависит от параметров оп-
тимального фильтра, который используется для получения
Рис. 113. График зависимости ф
от х = /и/Д для электронного
фильтра:
/ — шумы определяются флюктуа-
циями излучения фона; 2,3 — шу-
мы определяются собственными шу-
мами приемника при tn/tK = 0,1 и
~ соответственно.
максимального отношения
UJUw и описывается уравне-
нием
^вых
UBX
/l+(2nfa)a
1 + (2л^ф)2
(4.60)
где t„ и Гф — постоянные вре-
мени приемника излучения и
фильтра соответственно.
Если постоянная времени
t„ приемника мала по срав-
нению с длительностью им-
пульса t„, то, как показывают
расчеты, коэффициент разли-
чимости принимает макси-
мальное значение при = 3
(рис. 113, кривая 2). При таком
выборе /ф обеспечивается хорошее воспроизведение формы
импульса. Если /п//и велико (рис. 113, кривая 3), то величи-
ну ф невозможно максимизировать путем изменения и
сохраняя в то же время должную разрешающую способность
фильтра.
Из формулы (4.58) получаем следующее выражение для
идеализированной дальности Lo, т. е. дальности, при ко-
торой отношение напряжения сигнала к среднеквадратиче-
скому напряжению шумов равно единице:
2 _ лп/sin ©Г»0бТ3ТПр / \ 1
0 2fnop ( ₽ )
(4.61)
Для случая, когда шумы прибора определяются глав-
ным образом флуктуациями излучения фона, отношение на-
пряжения рабочего сигнала к среднему квадратическому
напряжению шумов выражается другой зависимостью:
=--------------------------TaW^ . (4>62)
^]/2а^МГ[1
200
где ов — спектральная плотность шумов, вызванных нерав-
номерной лучистостью фона *.
Для прямоугольного поля обзора, прямоугольного им-
пульса и оптимального электронного фильтра, описываемо-
го уравнением (4.60), коэффициент различимости
(9 YP&
—
’ 3 1
*--2~ "I—2~ (ж + 3) е
(4.63)
где х = . При t„ отношение UJU2W мало; при
/ф =-g- /н это отношение достигает максимума (рис. 113,
Рис. 114. График распределения
плотности вероятности шумов со
средним квадратическим откло-
нением Z7UI при отсутствии (/) и
при наличии (2) рабочего сиг-
нала.
кривая /).
Идеализированная даль-
ность действия прибора за-
висит в рассматриваемом слу-
чае от новых переменных:
(4.64)
ВычнсликГзависимость ве-
роятности обнаружения оди-
ночного малоразмерного объ-
екта от дальности действия
прибора и числа элементов
разложения. Предположим,
что напряжение шума на выходе прибора за время просмотра
одного элемента изменяется случайным образом и характе-
ризуется вероятностью достижения им определенного зна-
чения. Считаем, что плотность вероятности подчиняется
нормальному закону распределения (закону Гаусса) со
средним значением, равным нулю, и со средним квадрати-
ческим отклонением Um (рис. 114, кривая /). Если задаться
каким-либо относительным значением напряжения шума,
например то площадь, расположенная под кривой
* Коэффициент пропускания оптической системы прибора не учи-
тывается, так как сигнал и шум подвергаются одинаковому ее воз-
действию.
201
/ слева от ординаты, проходящей через точку
определяет вероятность того, что напряжение шума меньше
а площадь справа от ординаты, проходящей через
ту же точку,— вероятность того, что напряжение шума
больше и*1йш. При наличии рабочего сигнала UcIUm кри-
вая 2 плотности вероятности сдвинется вправо относитель-
но кривой 1 на величину б/с/(7ш. Площадь, расположен-
ная под кривой 2, слева от ординаты, проходящей через
точку и*Ц]ш, характеризует вероятность того, что напря-
жение сигнала и шума меньше и*1иш, а справа от ордина-
ты, проходящей через ту же точку,— вероятность того,
что напряжение сигнала и шума больше
Вероятность того, что за время просмотра одного эле-
мента поля обзора напряжение шума превысит заданную
величину И*/иш; определяется выражением:
J е !* = o’5-5;J ' ’* <4-65)
т о о
Вероятность того, что за время просмотра всего поля
зрения напряжение шума будет меньше и*/йш, т. е. веро-
ятность отсутствия ложного сигнала
Рл.с — (1 —р) ’
(4.66)
/ Й \2
где ч = ---
\ имги /
Так как в сканирующих системах тепловизоров и тепло-
пеленгаторов ч^> 1, то
> <4-67)
^л.с
Задаваясь различными значениями вероятности рлс,
можно вычислить соответствующие значения р, 1/*/иш и
U*, при которых напряжение шума не превысит значе-
ние и*1Уш за все время обзора.
202
Вероятность того, что суммарное напряжение сигнала
и шума превысит величину и*1Уш,
1
/2л
СО Z9
( е 2 dz.
% иш
(4.68)
Пример 3. Рассчитать вероятность обнаружения одиночного
объекта, находящегося на различных расстояниях от прибора с различ-
ным числом элементов разложения.
Зададимся вероятностью того, что за время просмотра всего поля об-
зора не возникнет напряжение шума, превышающее значение и*/иш,
т. е. вероятностью отсутствия ложного сигнала рл с = 0,5. Тогда в со-
. /л атч 0,693 п
ответствии с формулой (4.67) получим р — —-—. По таблицам
интеграла вероятности находим величину и*/иш. Так, при ч = 100
_ _z’_
р = 6,93 • 10—3; —U— С е 2 dz = 0,5—р = 0,4931, что соот-
I 2л о’
ветствует U*/Uw = 2,48. При LMaKC = £0 UJUm = 1, поэтому по фор-
муле (4.68) находим
со z’ 2,48—1,0 _ z*
р2 = L_ f е 2 dz-----------Ur- С в 2 dz =»
J /2л J
1,48 z*
= 0,5------Ur- f e 2 dz^ 0,07.
/2л J
При ^-макс “ O,5io UCIUW — 4,
p2 = 0,5 4
1
/2л
4—2,48 z*
J a 2dz =
о
= 0,5 + 0,4357 = 0,9357.
Результаты расчета веро-
ятности обнаружения объек-
та на различных расстояни-
ях от прибора и при разных
Рис. 115. График зависимости ве-
роятности обнаружения объекта от
дальности L/Lo и числа ч элемен-
тов поля обзора.
203
ч=(-л—। показаны графически на рис. 115. Как видим,
с увеличением расстояния вероятность обнаружения объек-
та уменьшается и тем сильнее, чем больше элементов раз-
ложения поля обзора, т. е. чем больше отношение ШМГи.
Пример 4. Рассчитать предельную 'дальность действия скани-
рующего теплопеленгатора (т. е. дальность действия, когда отношение
UjUm = 1 и коэффициент пропускания атмосферы равен единице)
и вероятность обнаружения объекта при указанных ниже условиях, а
также вычислить дальность действия теплопеленгатора при вероятности
обнаружения объекта роби = 0,8.
Дано:
угол зрения прибора у = 0,378 ср (плоский угол О = 40°); мгновенный
угол зрения умгн = 6 • 10—5 ср (плоский угол Омгн = 0,5°); Р =
40
= О/Омгн = -p-г- = 80; период обзора поля зрения Тобз = 1 с; число эле-
и,О
I 40 \2
ментов поля обзора ч = (07Фмги)2 = (g g I = 6,4 • 103; коэффициент
различимости ф = 0,5; время просмотра мгновенного поля зрения
т*
<Мги==_уда '’б ’ I®””4 с’ веР0ЯТН0СТЬ отсутствия ложного сигнала
рл с = 0,7; диаметр объектива Do6 = 30 см; коэффициент пропускания
оптической системы тпр = 0,6; приемник излучения — фотосопротивле-
ние на основе InSb, границы чувствительности \ = 2 мкм, = 6 мкм,
пороговая чувствительность Рпор = 0,5 • 10—10 Вт/см • Гц1/2; объект
наблюдения: = 0,5 м2; /ц = 227° С; ец = 0,9.
Решение:
1) определяем длину волны, соответствующую максимуму спект-
ральной интенсивности плотности лучистого потока, излучаемого объек-
том:
, С 2898 _ 0
Хм “ Тц = 273 + 227 5,8 МКМ’
2) рассчитываем приведенную силу излучения объекта, т. е. силу
излучения с учетом спектральной характеристики чувствительности
приемника излучения:
204
Величину К находим графо-анали-
тическим методом (рис. 116):
Рис. 116. К численному расче-
ту коэффициента использования
излучения:
гц) .
('%, Гц 'макс
2-SK; 3-
8Кгк,Тц
('X Гц) макс
. 0,5 • 104 • 0,9 • 5,67 • IO"12 • 5004 . 07 . _ .. _ ,
“ —-----------------„------------------°-27 • °*7 <=*80 Вт7ср;
3) определяем по формуле (4.61) предельную дальность действия
теплопеленгатора в предположении, что его шумы определяются соб-
ственными шумами приемника излучения:
/ 1^клп sin ООобтпр \—
° = \ 2^пор )
/80 • 3,14 • 1 • 0,64 • 30 • 0,6 т f 0,5 • 80
2 • 0,5 • IO'10 • ' 0,5/57,2
= 78,5 • 10* см = 78,5 км;
4) находим вероятность обнаружения объекта на дальности
Lo = 78,5 км. Для этого определяем вначале по формуле (4.67) вероят-
ность того, что за время просмотра одного элемента напряжение шума
превысит заданное значение U*!UW‘
1 . 1 1
р = —In
ч
М7ТОГ1"Т7— S.7. 10-»;
__1
/2л
Рл.с
у’/77ш _2L
е 2 da = 0,5 — р<=> 0,4999.
о
205
По таблице значений интеграла вероятности при р = 0,4999 [У*/£7Ш =
= 3,68.
Для дальности L — Lg 1-~ = 1) по формуле (4.68) находим
\ /
со г2 со z!
рх = — L f е 2 dz = — L- f е 2 d2 =
/2л у, ис , /2я 3,68-1
= 0,5 — 0,4963 = 0,0037 (0,37 %);
5) рассчитываем дальность действия теплопеленгатора при вероят-
ности обнаружения объекта ро6и = 0,8: 0,8 = 0,5—х; х = — 0,3.
Воспользовавшись таблицей значений интеграла вероятности, находим
иш иш ’ '
U*
Так как -=— =3,68, то
иш
-£^- = 3,68 + 0,84 = 4,52.
ит
/ £ \2
Известно, что I j
, поэтому L = Lo
V ТБГ^0’47"»-
/о
В заключение приведем приближенные формулы для рас-
чета максимальной дальности действия сканирующих теп-
лопеленгаторов с многоэлементными приемниками излу-
чения. Одна из них [26]
7-макс — 1/0,31 ТпрОоб-р , (4.69)
Г ь г пор"1 и мгн "
где п— число чувствительных элементов приемника.
Так, при тпр = 0,6, Doe = 30 см, /д>. = 80 Вт/ср,
^по? — 0,5 • 10~'°Вт/см • Гц4/ т = 4, умги = 8,73 • 10~3 рад,
/мги = 0,05 с и п = 12 получаем LMaKZ — 43,5 X 10е см
(или да 45 км).
В работе [5] приводится номограмма для расчета мак-
симальной дальности действия сканирующих ИК-приборов,
в основу которой положена следующая расчетная формула:
^Х.татпр
F
1 пор
(4-70)
206
Пример 5. Рассчитать максимальную дальность действия ска-
нирующего ИК-прибора при следующих исходных данных.
/об
= 1 ср, tn = ЮГ4с,
ЛТ А
—^-=Ю\ (/х)Ср=200Вт/ср,
»*п
^пор = ’0~9 Вт-
Та = тпр = °>70-
На рис. 117 показана методика
расчета при этих данных. Так как
все спектральные величины даны
средними значениями, то
f /^аТпр JA (^cpVnp
i —------йл =---------------=
и глор глор
200 -0 7-0 7 чета максимальной дальности
------——— гг-- 1011 Вт/cd действия сканирующих ИК-при-
10-9 и' боров.
^Об ,
На номограмме проводим линию между точками ~— = 5 и
/об
п7’обз
—-— = 105; на шкале а получаем вспомогательную точку с, которую
соединяем прямой линией с точкой Ь, соответствующей j/х^Прта^Впор —
— 1011. В точке пересечения этой прямой со шкалой 7-макс получаем
7-макс — 26 морск. миль (48 км).
18. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКАНИРУЮЩИХ
ТЕПЛОВИЗОРОВ;
Чувствительность сканирующих тепловизоров, предназ-
наченных для наблюдения низкотемпературных объектов,
оценивается минимальным значением температурного кон-
траста (АТ)МИИ последовательно визируемых элементов
поля зрения, при котором рабочий сигнал в заданное число
раз превышает пороговую чувствительность приемника
излучения.
207
Для расчета величины (АТ^мин воспользуемся выраже-
нием (4.34), определяющим величину лучистого потока,
воспринимаемого приемником излучения от теплоизлучаю-
щего объекта:
Р ТррЗ^ецЗцСОБа >
'пр — -^2 J Ал.ТааЛ.
Если предположить, что наблюдаемый объект полно-
„ S„ cos а
стью заполняет мгновенный угол зрения, то—— = ТмгВ
и
Fnp= -Т^8цТмгн (4.71) ;
При сканировании поля зрения величина Епр изменяет-
ся на АЕпр за счет изменения температуры и коэффициента
излучения последовательно визируемых элементов поверх- I
ности объекта, так как остальные величины, входящие в J
уравнение (4.71), можно считать неизменными. Следова- j
тельно, j
dF dF I
ДЕпр = A7\ + Ae = ДЛ + AF2. (4.72)
Предполагая, что объекты наблюдения являются низко- ?
^2 }
температурными, можно допустить, что е1Гц^>1. Вса- 1
мом деле, даже при /ц = 127°СиА.„акс = 10 мкм = j
1 439 в '!
=---------г2--------= 3,6. Поэтому, с достаточной для I
10 • Ю"4 (273 + 127) J !
практики точностью, можно представить выражение спект-
ральной интенсивности плотности лучистого потока в виде
а,ти = С^~5е КТ* (4.73) I
(по закону Планкагх,г = ц—1)“"'). .Очевидно, J
с, \
\г Тпр^обЕц7мгн*-'г АТ1 С, С _ /Л
AFi =--------—2----------AT j а,тц5лта -у-. (4.75)
И
208 •
Воспользовавшись теоремой о среднем, находим
Л/?1 = дг J r S)^dK. (4.76)
В соответствии с формулой (4.72),
* <? х’
AF2 = .. Тпр5об7мп;_ Де J rKTSkTadK. (4.77)
Обозначая, как и раньше,
к — _21___ ' « макс______ (Л 7R1
х, Тумаке
и считая г (для низкотемпературных объ-
ектов Хм велико), находим:
AFX = д? ... РТпрКг I М . (4 79)
ЛАср V Ам /
ДГ2 = Де П^пр^обТмгн Кг /ф_\ . (4 8
Л \ Ам /
AFnP = ДГХ + Др2 = Д’? (А-) (Де >
\ лм / \
। ЕцСа Д уЛ Тпр^обУмгнр^ц (481)
' X Т2 / л ’ ' ’
псрл ц 1
Очевидно, при A7\ = (АТ^мин А/'пр = mFnOp, поэтому
(АТ)мин =-------- ---------4?Г-А8- <4-82)
Vnp^oeTMru^^a2 \~Х^ /
При As = 0, т. е. когда рассматривается объект, поверх-
ность которого имеет одинаковый коэффициент излучения,
или когда коэффициент излучения объекта равен коэффи-
циенту излучения фона
(АТ)МИВ =-----------ЯтРпор^ ----------• (4.83)
еЦгпр'^обТмгн^(-'2г J р^ц
209
ЛИТЕРАТУРА
1. Артемьев Н. Л., Корнилов Б. В. Новая передающая
телевизионная трубка —инфракон.— «Радиотехника и электрони-
ка», 1965, № 10.
2. Артишкин В. М., В а ню ков М. П. и др. Наблюдение и
фотографирование предметов на местности при освещении их лу-
чом ОКГ.— «Оптико-механическая промышленность», 1967, № 9.
3. Арцимович Л. А. Электроннооптические свойства эмис-
сионных систем.— «Известия АН СССР. Серия физическая», 1944,
№ 8.
4. Астафьев А. И., Холопов Г. К- Зависимость вольтовой
чувствительности сернистосвинцовых фоторезисторов от фоновой
; засветки.— «Оптико-механическая промышленность», 1969, № 10.
б. Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М.,
«Наука», 1964.
6. Брамсон М. А., Каликеев А. Е. Инфракрасная техни-
ка капиталистических стран. М., «Советское радио», 1960.
7. Б у т с л о в М. М. и др. Люминесцентная камера.— «Доклады
АН СССР», 1955, № 2:
8. Б у т с л о в М. М. Электроннооптические усилители света с маг-
нитной фокусирующей системой.— В сб.: «Электронная техника».
Серия 4, вып. 5. М., 1968.
9. В ан цеттиР. Обнаружение скрытых дефектов схем по инфра-
красному излучению.— «Электроника», 1967, № 7.
10. В а ф и а д и В. Г. Инфракрасные пеленгаторы.— В сб.: «Совре-
менная военная техника», М., Воениздат, 1956.
11. Вильдгрубе Г. С., Пархоменко В. С.— «Физические
записки АН УССР», 1941, № 2.
12. В о л к о в И. В. и др. Некоторые данные о выходном экране
рентгеновского ЭОП.— В сб.: «Электронная техника». Серия 4,
вып. 5. М., 1968.
13. Г а в г е н я н Л. В. и др. Опыт создания ЭОП с сеточным затво-
ром для регистрации быстропротекающих процессов.— В сб.-:.
«Электронная техника». Серия 4, вып. 5. М., 1968.
14. Герасимов Г. М. и др. Электролюминесцентные фотоэлектри-
ческие преобразователи изображения для видимой и рентгеновской
областей спектра. В сб.: «Электронная техника». Серия 4, вып. 5.
М:, 1968.
15. Геращенко О. А. Основы теплометрии. Киев, «Наукова дум-
ка», 1971,
210
16. Дадиомов М. С. Прожекторное освещение. Л., «Энергия», 1971.
17. Д ж е м и с с о н Дж. Э. и др. Физика и техника инфракрасного
излучения. М„ «Советское радио», 1965.
18. Добромыслов В. А., Румянцев С. В. Радиационная
интроскопия. М., Атомиздат, 1972.
19. Д о л о д у г и н а В. С. и др. Прибор с эвапорографическим пре-
образователем для исследования свильности материалов, используе-
мых в ПК-области спектра.— «Оптико-механическая промышлен-
ность», 1967, №11. -
20. Ж и г а р е в А. А. Электронная оптика и электроннолучевые
приборы. М., «Высшая школа», 1972.
21. 3 а й де л ь А. Н. Основы спектрального анализа. М., «Наука»,
1965.
22. 3 а й д е л ь И. Н., Ку р ен ко в Г. И- Электроннооптиче-
ские преобразователи. М., «Советское радио», 1970.
23. И в а н о в Ю. А., Т я п к и н Б. В. Инфракрасная техника в
военном деле. М., «Советское радио», 1963.
24. Измерение нестационарных температур и тепловых потоков. Пере-
вод с англ, под ред. А. Г. Гордова. М., «Мир», 1966.
25. И з н а р А. Н. и др. Оптико-электронные приборы космических
аппаратов. М., «Машиностроение», 1972.
26. Инфракрасная техника в системах управления.— «Вопросы ракет-
ной техники», 1960, № 3.
27. К а р е л и н а Н. А. Некоторые характеристики макетов ЭОП с
многоканальными умножающими системами.— В сб.: «Электронная
техника». Серия 4, вып. 5. М., 1968.
28. Кариженский Е. Я., Мирошников М. М. Скани-
рующие системы для тепловизоров.— «Оптико-механическая про-
мышленность», 1970, № 10.
29. Каскадные электроннооптические преобразователи и их примене-
ние. Перевод с англ, под ред. М. М. Бутслова. М., «Мир», 1965.
30. К а ты с Г. П. Автоматическое сканирование. М., «Машинострое-
ние», 1969.
31. Каты с Г. П. Информационные сканирующие системы. М., «Ма-
шиностроение», 1965.
32. К о з а к И. Проблемы обнаружения малой разности температур
с помощью телевидения в ИК-области спектра.— Экспресс-информа-
ция «Радиолокация, телевидение, радиосвязь», 1966, №31.
33. К о з ы р е в Б. П., ». В а с и л ь е в Б. В- Термографическая
установка, основанная на применении линейной термобатареи и
фотоэлектрооптического усилителя.— «Оптико-механическая про-
мышленность», 1967, №11.
34. К о з ы р е в Б. П. Инфракрасный термоэлектрический радио-
метр для неконтактных измерений температуры поверхности объек-
тов.— «Оптико-механическая промышленность», 1969, №11.
35. К о р н и л а т Дж. Телевидение в инфракрасной области спектра.
Экспресс-информация «Радиолокация, телевидение и связь», М.,
1965, №21.
36. Кременчугский Л. С. Сегнетоэлектрические приемники
излучения. Киев, «Наукова думка», 1971.
37. К р и к с у н о в Л. 3. Системы информации с оптическими кванто-
выми генераторами. Киев, «Техшка», 1970.
38. К р и к с у н о в Л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные си-
стемы. М., «Советское радио», 1968.
211
39. К р и к с у н о в Л. 3. Инфракрасные лучи и теория теплового
излучения. Труды РКВИАВУ. Вып. 41. Рига, 1958.
40. К р и к с у н о в Л. 3. и др. Частотно-временные и пространствен-
но-частотные характеристики модулирующих устройств. М., «Ма-
шиностроение», 1972.
41. Криксунов Л. 3. Оптические квантовые генераторы. Киев,
«Техшка», 1965.
42. К у л и к о в с к а я Н. И. и др. Оптические характеристики ска-
нирующих систем тепловизоров.— «Оптико-механическая промыш-
ленность», 1970, № 10.
43. Л а з а р е в Л. П. Инфракрасные приборы самонаведения и на-
ведения летательных аппаратов. М., «Машиностроение», 1972.
44. Л у и з о в А. В. Инерция зрения. М., Оборонгиз, 1961.
45. Любимов Ю. В. Аналитическое исследование траекторий раз-
вертки оптического изображения и классификация разверток.—
«Оптико-механическая промышленность», 1966, № 12.
46. М а р к о в М. Н. Приемники инфракрасного излучения. М.,
«Наука», 1968.
47. М и р о ш н и к о в М. М. Новое направление инфракрасной тех-
ники — тепловидение. Труды ГОИ им. С. И. Вавилова. Вып. 158.
Л., 1965.
48. Мирошников М. М., Черняев Ю. С. Тепловидение в
медицинских исследованиях.— «Оптико-механическая промышлен-
ность», 1969, № 12.
49. М и х е л ь с о н В. А. Новый актинометр.— «Метеорологический
вестник», 1918, №4.
50. М о т е н к о Б. Н., Красовский Н. К.— «Оптико-меха-
ническая промышленность», 1959, № 9.
51. Павельев В. А. и др. Индикация структуры электромагнит-
ного поля при помощи неравновесных носителей тока в полупровод-
никах.— «Радиотехника и электроника», 1971, № 3.
52. П е л ь ц С. Д. и др. Применение пироэлектриков в передающих
телевизионных трубках.— «Радиотехника и электроника», 1968,
№ 1.
53. Плетнева Н. И., Семенов Е. П. ЭОП с электростати-
ческой фокусировкой электронов.— «Оптико-механическая промыш-
ленность», 1970, № 5.
54. Поликанов Ю. В., Корнилов Б. В. Полупроводни-
ковый преобразователь ИК-излучеиия в видимое.— В сб.: «Элект-
ронная техника». Серия 4, вып. 5. М., 1968.
55. С а ф р о н о в Ю. П. и др. Инфракрасная техника в космосе.
М., Воениздат, 1963.
56. С в е ч н и к о в С. В. Элементы оптоэлектроники. «Советское ра-
дио», 1971.
57. С е м е и о в Е. П. О разрешающей способности ЭОП.— «Оптико-
механическая промышленность», 1967, № 1.
• 58. С и в к о в А. А. и др. Инфракрасный радиометр с термостабили-
зированной оптической головкой.— «Известия вузов СССР. Приборо-
строение», 1970, № 9.
59. С и и ц о в В. Н. Исследование разрешающей способности и час-
тотно-контрастной характеристики эвапорографического преобра-
зователя.— «Оптико-механическая промышленность», 1968, № 9.
60. С у щ е в Г. А. О чувствительности телевизионных систем, ис-
пользующих передающие трубки с накоплением зарядов.— В сб.:
212
«Вопросы радиоэлектроники. Серия «Техника телевидения». Вып. 1.
М., 1972.
61. С о л о т а р е в В. Ф. Безвакуумные аналоги телевизионных тру-
бок. М., «Энергия», 1972.
62. С т о д д а р д Д. Ф. Обнаружение дефектов в схемах по теплово-
му излучению.— «Электроника», 1967, № 7.
63. С у х о п а р о в С. А. Расчет дальности действия приборов ноч-
ного видения.— «Приборостроение», 1972, № 6.
64. Тепловые приемники .излучения. Сборник докладов на IV Всесоюз-
ном совещании по приемникам 1969 г., Изд. ГОИ им. С. И. Вавилова,
Л., 1971.
65. Т и м о ф е е в П. В., С и м ч е н к о Ю. А. Эмиссия 0-электро-
нов в вакууме и ее применение.— «Радиотехника и электроника»,
1960, № 8.
66. Хастон А. Е. Универсальная съемочная камера с ЭОП.— «Ав-
тометрия», 1971, № 6.
67. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М., «Мир», 1972.
68. Ш о л ь Ж., Марфан И. и др. Приемники инфракрасного из-
лучения. Перевод с франц, под ред. Л. Н. Курбатова. М., «Мир»,
1969.
69. Щеглов П. В. Электронная телескопия. М., Физматгиз,
1963.
70. Э к к а р т Ф. Электроннооптические преобразователи и усилите-
ли рентгеновского изображения. М., Госэнергоиздат, 1961.
71. Якушенков Ю. Г. Основы теории н расчета оптико-электрон-
ных приборов. М., «Советское радио», 1971.
72. A m е 1 i о G. F. and oth. Charge — Coupled Imaging Devices.
IEEE Transact. Electron Devices, 1971, Vol. ED—18, № 11.
73. A r d e п e M. Electr. Nachr. Techn., 1936, № 13, s. 41.
74. A s t h e i m e г R. W. and oth. Infrared Radiometrics. J. Opt.
Soc. Am., 1959, Vol. 49, № 2.
75. Astheimer R. W. and Wormser E. M. A new instrument
for far infrared thermal Photography. J. Opt. Soc. Am., 1957, Vol.
47, № 1.
76. A s t h e i m e r R. W. and oth. Infrared Radiometric Instrument
on Tiros II. J. Opt. Soc. Am., 1961, Vol. 51, № 12.
77. В a г h у d t H. and oth. Comparison of spectral regions for ther-
mal — imaging infrared sensors. Proc. IRIS, 1970, Vol. 14.
78. В а г n e s R. B. Diagnostic Thermography. Appl. Optics, 1968,
Vol. 7, №9.
79. В e 1 1 e г W. S. Navy Sees Promise in Infrared Thermography
for Solid Case Checking. Missiles and Rockets, 1965, Vol. 16, №22.
80. В e 1 s e у D. C., Gabriel W. P. Infrared Radiometric. J.
Scient. Instr., 1963, №11.
81. В e u r 1 e R. L. Low — light — level television. Proc. IEE, 1963,
Vol. 110, №10.
82. В e u г 1 e R. L., S 1 a r c N. A. Advances in electronics and
electron physics. Academic Press, 1962, Vol. 12.
83. Blackburn H. and oth. Pyroelectric Detector Arrays for Ther-
mal Imaging. The Radio and Electronic Engineer, 1972, Vol. 42, №8.
84. В о n i п E. L. Drivers for optical diodes. Electronics, 1964, Vol.
37, №22.
85. В о г g S. Thermal imaging with real time picture presentation.
Appl. Opt., 1968, Vol. 7.
213
86. В о г 1 е у С. R„ Guildford L. Н. А 100 Line Thermal Vie-
wer. Infrared Physics, 1968, Vol. 8, № 1.
87. В u s c h H. Ann. Physik, 1926, 81, s. 45.
88. С a у z a s J. Acta elek iron., 1965, 9, № 1, 47.
89. С о e t e r i e r F., Teeves M. S. Physica, 1937, №4, p. 33.
90. C u b a s c h Fr. Zwei neue Biidwandlerrohren fiir wissenschaftliche
Zwecke. Elektr.-Rdsch., 1955, 1.
91. Czerny M. Uber Photographie im Ultrafoten. Z. Phys., 1929,
Vol. 53, № 1.
92. Dueker J. E. and oth. Germanium Nonscanned Infrared Image
Converter. IEEE Trans. Electron Devices, 1971, Vol. ED — 18, № 11.
93. Electronic Design, 1970, № 22, p. 34—35.
94. Electronics, 1964, Vol. 37, №9, p. 31—32.
95. Electronik-Zeitung, 1969, №22, s. 531.
96. Funkschau, 1969, № 24, s. 852.
97. G a r b u n у M. and oth. Image Converter for Thermal Radiation.
J. Opt. Soc. Am., 1961, Vol. 51, №3, p. 102—107.
98, G a e r t n e r H. Zeitschr. VDI, 1952, H. 94, № 35—36.
99. G a t e s D. M. Sensing Biological Environments with a Portable
Radiation Thermometer. Appl. Optics, 1968, Vol. 7, №9.
100. G e n a i d R. G. Proc. IRE, 1959, Vol. 47, № 9.
101. Geneve R. Introduction a la thermographic medicale. Acta
Electronica, 1969, Vol, 12, № 1.
102. H i 1 s u m С., H a r d n i n g W. R. Infrared Physics, 1961,
№ 1, p. 67.
103. Hofer R. C. and oth. Visible displays of submillimeter and
millimeter wave images. MR1 Symposium Proceedings Submil-
limeter Waves, 1970, Vol. XX.
104. Holst G. De Boer I. Physica, 1934, № 1, p. 297.
105. Holter M. R., Wolfe W. Z. Optical-mechanical scanning
techniques. Proc. IRE, 1959, Vol. 47, Sept.
106. Internationale elektronische Rundschau, 1972, №8, s. 189.
107. J а с о b s H., Schumacher J. A bulk semiconductor ima-
ging device for millimeter and submillimeter radiation. IEEE
Trans., 1969, ED — 16, № 5.
108. J a t t e a u M. Thermographie Й 4 et 10 microns Traces precis
d’isothermes Applications medicales. L’Onde Electrique, 1970, Vol.
50, fa sc. 5.
109. Jenkins J. A., Chippendale R. A. Some new image
converter tubes and their application. Electr. Engng., 1952, № 24.
110. Johnson D. Bruce and oth. Microchannel plate inverter image
intersifiers. IEEE Trans. Electron Devices, 1971, Vol. 18, №11.
111. Kim C. W., D a v e r n W. E. In-As Charge-storage Photodiode
Infrared Vidicon Targets. IEEE Trans. Electron Devices, 1971, Vol.
ED — 18, №11.
112. Ki ngma R. V. and oth. Die Leistungsfahigkeit von optischen
Instrument mit Bildverstarkerrohren. Optik, 1970, Heft 4, №30.
113. Klein C. A. Thermal Imaging Performance of Passive Infrared
Scanners. IEEE Trans, on Geoscience Electronica, Vol. GE — 9,
№ 3.
114. К 1 e i n h a n s W. A. Optimum Spectral filtering for background-
limited infrared Systems. J. Opt. Soc. Am., 1965, Vol. 55, Jan.
115. Koch P. H. B., Oer'tel H. Microwave Termography. Proc.
IEEE, 1967, Vol. 55, № 3.
214
116. Lasse r M. E. and oth. Electroning Scanning Systems for In-
frared Imaging. Proc. IRE, 1959, Vol. 47, № 12.
117. L a w s о n R. N. Implications of Surface Temperature in the Diag-
nosis of Breast Cancer. Can. Med. Assoc. Journ., 1956, № 75.
118. List W. Solid State Imaging Methods and Approach. IEEE Trans.
Electron Devices, 1968, Vol. ED — 15, №4.
119. M i 1 1 a r Lain С. P. and oth. An experimental X-ray image
intensifier incorporating a channel electron multiplier plate. IEEE
Trans. Electron Devices, 1971, Vol. Ed — 18, № 11.
120. Miyashiro S., Shirouzu S. Silicon Electron Multipli-
cation Camera Tube. IEEE Trans; Electron > Devices, 1971,-Vol.
ED—18, №11-
121. Morten F. D., King R. E. J. Multi-element infrared de-
tectors for high information rate systems. Infrared Physics, 1968,
Vol. 8.
122. Morton G. A., R u e d u J. E. Advances in electronics and
electron physics. Academic Press, 1960, Vol. 12.
123. New-Scientist, 1969, №677, p. 452—454.
424. Rey D-., Fisk J. Signal processor design optimization for
' scanning infrared systems. Proc. IRIS, 1970, Vai. 14, Febr.
125. Smollett M. Fhe properties and performance of some modern
Infrared radiation detectors. Infrared Physics, 1968, Vol. 8, № 1.
126. Solid-state video camera promises -improvements in size and perfor-
mance. «EDN/EEE», 1972, №9, p. 16. -
127. St-ockman H. E. Seeing in the dark is aim of'r-f holography.
Electronics, 1969, Vol. 42,- № 24.
128. Urbach T., Nail N. R. Joum. Opt. Soc. Am., 1949, Vol.
39, p. 1011.
129. W e i c h W. Classification and Analysis of Image — forming
'• Systems. Proc. IRE, 1959, Vol. 47, №9.
130. Weimer P. K. and oth. Multielement self-scanned mosaic
sensors. IEEE Spectrum, 1969, Vol. 6.
131. We i me r P. K- and oth. Self-scanned Image Sensors Based on
Charge Transfer by the Bucket-Brigade Method. IEEE Frans. Elect-
i ron Devices, 1971, Vol. ED — 18, № 11.
132. Wiseman R. S. and oth. Proc. IRE, 1959, Vol. 47, № 9.
133. Z a i t z e f f E. M. anti oth. An experimental 24-channel multi-
spectral scanner System. IEEE Trans., 1971, Vol. Ge-9, № 3.
134. Zworykin W. K. Zs. f. techn. Phys., 1936, № 17, p. 170.
135. Goetze G. W., Boerio A. H. Secondary Electron Con-
; duction for Signal Amplification and Storage in Camera Tubes.
Proc. IEEE, 1964, Vol. 52, №9.
136. M e-n d e S. B. Low Light Slow Scan TV Camera for Satellite
Application. Proc. IEEE, 1969, Vol. 57, № 3.
137. Rosenblatt A. Cat’s eyes for the military. Electronics,
1969, Vol. 42, № 18. • •
138. Soule H. V. Electro-optical photography at low illumination
levels, New York.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .............................................. . . . 3
Глава 1. Электроииооптические приборы ночного видения .... 9
I. Принцип действия электроннооптических преобразовате-
лей ................................................... 9
2. Каскадные электроннооптические преобразователи . . 28
3. Источники питания электроннооптических преобразова-
телей ................................................ 40
4. Приборы, основанные на использовании ЭОП .... 45
Глава 2. Радиометры и теплопеленгаторы.................. . 63
5. Назначение и устройство радиометров.............. 63
6. Приемники излучения, применяемые в радиометрах . , 79
7. Назначение и устройство теплопеленгаторов........ 87
8. Приемники излучения, применяемые в теплопеленгато-
рах ................................................ 101
Глава 3. Тепловизоры...................................... 107
9. Назначение, принцип действия и классификация . . . 107
10. Тепловизоры с оптико-механическими системами скани-
рования ..............................................111
11. Тепловизоры с фотоэлектронными системами сканирова-
ния ..................................................127
12. Применение сканирующих тепловизоров................147
13. Несканирующие преобразователи изображения и пре-
образователи, работающие в диапазоне миллиметровых
воли .................................................156
Глава 4. Определение параметров приборов ночного видения 171
14. Параметры приборов ночного видения и условные обо-
значения величин для их расчета....................171
15. Расчет максимальной дальности действия приборов ноч-
ного видения с ЭОП ...........................176
16. Определение максимальной дальности действия неска-
. пирующих теплопеленгаторов ..............................184
17. Определение максимальной дальности обнаружения ма-
лоразмерных объектов сканирующими теплопеленгато-
рами и тепловизорами ................................199,
18. Определение температурной чувствительности скани- <£,
рующих тепловизоров .................................2071
Литература ............................................ 2’0
Сдано в набор 12. III. 1974 г. Подписано к печати 28. XI. 1974. Формат бумаги
Wxi03Vs2- Бумага типографская № 1. Объем: 11.34 усл. печ. л.; 12,04 уч.-изд, л.
Тираж 5000. Заказ № 5-2. БФ 39134. Цена 92 коп.
Издательство «Техника», 252601, Киев, I, ГСП, Пушкинская, 28.
Отпечатано с матриц Головного предприятия республиканского производствен-
ного объединения «Полиграфкнига» Госкомиздата УССР, г. Киев, ул. Дов-
женко, 3 на Харьковской книжной фабрике «Коммунист» республиканского
производственного объединения «Полнграфкнига» Госкомиздата УССР, Харь-
ков, ул. Энгельса, И.