Техника - молодёжи 2005-06, страница 33

Многолетние поиски средств обнаружения и распознавания объектов на максимально возможных дальностях в условиях тумана, дыма и ночи привели к созданию разнообразной аппаратуры во многих странах мира. И интерес к ней не уменьшается. Возможности тепловидения подчас поражают воображение. Например, с помощью теп-ловизионной техники можно увидеть буквально сквозь землю провалы и пустоты, инженерные коммуникации и оценить их состояние, обнаружить неисправности в электросетях или узнать, насколько заполнены вагоны и цистерны в проезжающем мимо товарном составе.

Пироэлектрические кристаллы, керамику из ферро-электрических материалов, а также полимеры стали использовать в тепловых ИК-приемниках уже с 1960-х гг. Тепловые приемники детектируют ИК-излучение косвенно, путем измерения заряда поверхности элемента (или изменения его сопротивления), возникающего при нагреве элемента поглощенным ИК-излучением. Они применяются для бесконтактного измерения температуры, охранных датчиков, сенсоров присутствия человека и получения теплового изображения. До последнего времени, несмотря на высокую цену, большой вес и габариты, на рынке преобладали охлаждаемые приборы (с глубоким охлаждением до температуры жидкого азота), основанные на полупроводниковых квантовых преобразователях с эффектом фотопроводимости. Объяснялось это тем, что квантовые детекторы были, как правило, более чувствительными в ближней ИК-области, чем пироэлектрические или другие термодетекторы, и для их производства можно было использовать возможности полупроводниковой технологии.

О развитии современной микроэлектроники можно судить даже по темпам изменения ассортимента товаров в ближайшем магазине виде- и фототехники. Цветное телевидение высокой четкости вышло на уровень коммерческого вещания. Многие фирмы производят цифровые фотоаппараты с разрешающей способностью от 2 до 11 млн пикселов со скоростью считывания 3 кадр/с. Созданы камеры на основе ПЗС-матриц для электронного кинематографа с высокой разрешающей способностью. На повестке дня тепловидение высокой четкости. Пока оно достигло стандарта 640x480 пикселов. В США ведутся разработки тепловизоров с числом пикселов 2000x2000. Созданы также охлаждаемые матрицы с числом пикселов 2048x2048. Чтобы получить тепловизор высокой четкости, необходимо решить две проблемы: создать оптикомеханический комплекс и преобразователь ИК-изображения в электрический сигнал.

Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь (пироЭОП) работает в области длин волн излучения 8-14 мкм (область атмосферного окна и ИК-излу-чения тел вблизи комнатной температуры - 10 мкм). Именно в этом диапазоне находятся максимумы мощности излучения слабо нагретых тел (8 мкм - плюс 96° (С, 10 мкм - комнатная температура, 14 мкм - минус 60° (С). Поэтому мощности инфракрасного (ИК) излучения в

этом спектральном диапазоне достаточно для получения изображения неохлаждаемым приемником. Возможна также одна из модификаций пироЭОПа, которая, после незначительных конструктивных изменений мишени прибора, позволяет ему работать также и в окне прозрачности 3-5 мкм.

КАК ДЕЙСТВУЕТ ПИРОЭОП? Внутри вакуумной метал-лостеклянной (или метаплокерамической) оболочке с входным и выходным окнами, располагаются пироэлектрическая мишень, которая преобразует инфракрасное изображение в потенциальный рельеф, модулирующий электронный поток, и электронная линза. Входное окно выполнено из просветленного германия, на котором находится вспомогательный тонкопленочный фотокатод, прозрачный для ИК-излучения. Фотокатод равномерно освещается вспомогательным источником подсветки и выдает однородный поток электронов. Этот поток электронов попадает на пироэлектрическую мишень, частично осаждается на ее поверхности и также частично проходит сквозь отверстия в мишени, на которую инфракрасным объективом сфокусировано ИК-изображение наблюдаемых объектов.

Пироэлектрическая мишень состоит из пленки пироэ-лектрика, нанесенной со стороны потока электронов, диэлектрической пленки и металлических пленок, обращенных к электронной линзе и выходному окну. Суммарная толщина пленок всего 1,8 мкм, что недостижимо ни для каких других известных приемников излучения. В пленочной мишени есть сквозные отверстия размером 3 мкм. В эти отверстия и проходят электроны, образующие сигнал.

За пироэлектрической мишенью следует электронная линза, благодаря которой фокусируется электронный поток, прошедший через отверстия в мишени. Далее он ускоряется до анодного напряжения и бомбардирует като-долюминесцентный экран, расположенный на стеклянном выходном окне.

Осаждающиеся на поверхности мишени электроны не могут двигаться, т.к. на поверхность нанесена диэлектрическая пленка (пироэлектрик). Электроны осаждаются до тех пор, пока поверхность мишени не приобретет отрицательный потенциал, отталкивающий следующие электроны. Этот потенциал (он был измерен и оказался равным -0,5 В) определяется начальной скоростью фотоэлектронов. Для того чтобы сквозь отверстия в мишени проходила часть фотоэлектронов, на металлическую пленку, расположенную под пироэлектрической пленкой подается положительный потенциал такой величины, чтобы количество прошедших электронов было достаточным для получения изображения. Этот потенциал приблизительно равен +4 В. При этом электроны проходят в области средней части отверстия, не касаясь мишени.

Важнейшее свойство такого способа управления потоком электронов - отсутствие прямого касания электронов поверхности мишени в установившемся режиме.

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 6' 2 0 0 5

31