n-область обращена к теплоизлучающему объекту, /-область сканируется электронным лучом. Спектральная характеристика видикона изображена на рис. 76, б. Максимум спектральной чувствительности приходится на длину волны к = 3,25 мкм [111].

В инфракрасном видиконе Р-8090 английского производства применена мишень из пироэлектрического материала. Известно, что если к кристаллу на основе титаната бария или ниобата бария, модифицированного стронцием,

Г

Выходной сигнал

Выходной сигнал

Нагрузочный g резистор

Рис. 77. Пироэлектрический элемент (а), принципиальная (б) и эквивалентная (в) схемы формирования выходного сигнала:

/ - задний электрод; 2 - пироэлектрический кристалл; . 3 - передний полупрозрачный электрод; 4 - падающее тепловое излучение.

приложить электроды (рис. 77, а), то при изменении температуры 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 мишень оптического невидимого изображения теплоизлучаю-щего объекта на поверхности мишени формируется потенциальный рельеф, который развертывается медленными электронами. С выхода видикона снимается видеосигнал, используемый 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 которого выполнено входное окно видикона; максимум чувствительности приходится на длину волны около 9 мкм (рис. 78), диаметр мишени 16 мм; напряжение накала 6.3 В;

ток накала 95 мА. Другие электроды находятся под напряжением от -70 до -Ь200 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 видиконов мишени выполнены в виде диодной матрицы, отличающейся высокой прочностью и большой чувствительностью. Созданию таких видиконов способствовали достигнутые успехи в технологии производства планарных кремниевых полупроводниковых структур.

12 К 20\мкм

Рис. 78. Спектральная характеристика видикона с пироэлектрической мишенью.

Рис. 79. Спектральные характеристики видикона с мозаичной мишенью (/) и стандартного видикона (2).

Мозаику кремниевых диодов толщиной порядка 0,1 мм получают методом фототравления отверстий в слое двуокиси кремния, образованного на поверхности основного материала - кремния п-типа. Затем в отверстия диффузией вводят кремний р-типа, в результате чего образуются диоды. На площади 13 X 10 мм размещается до 1 млн. планарных 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 электрических зарядов, соответствующее распределению освещенности по поверхности изображения. Электронный луч обегает и стирает это электронное изображение, переводя его в видеосигнал.

Чувствительность видикона с мозаичной мишенью примерно в 20 раз больше, чем у стандартного видикона, так как квантовый выход монокристаллического кремния

значительно больше, чем у аморфных полупроводниковых пленок с множеством центров рекомбинации. Остальные параметры видикона следующие: спектральный диапазон чувствительности 0,4-1,1 мкм; длина волны, соответствующая максимуму чувствительности, 0,65 мкм; пороговая чувствительность 0,4 лк; срок службы 10 ООО ч; разрешающая способность 600 линий [95].

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 [96].

Известная голландская фирма Philips разработала видикон с мишенью, сформированной из 480 тысяч кремниевых диодов. Диаметр каждого диода 8 мкм, расстояние между двумя соседними диодами 20 мкм. Видикон отличается высокой чувствительностью в красной и инфракрасной областях спектра. На рис. 79 приведена спектральная характеристика разрабс?ганного 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 сканированием. К этой группе устройств относятся фотоэмиссионный преобразователь и трубка фильтерскан . Основной деталью фотоэмиссионного преобразователя, разработанного Гербани, Фоглем и Хэнсеном [97!, является чувствительный элемент в виде тонкой прозрачной пленки, покрытой с одной стороны веществом, поглощающим тепловое излучение, а с другой - фотоэмиттером, чувствительным к изменению температуры.

Малая инерционность чувствительного элемента достигнута за счет уменьшения его теплоемкости и уменьшения толщины составляющих компонентов. В качестве основы выбрана пленка из SiO толщиной 50 А или из AljOg толщиной 200 А. Поглощающий слой наносится напылением в вакууме золота или серебра на толщину 100--200 А. Коэф-

фициент поглощения такого слоя примерно одинаков в диапазоне длин волн от 3 до 15 мкм. Толщина фотослоя, нанесенного на пленку с противоположной стороны, 400 i; суммарная толщина чувствительного элемента 500-700 А, что обеспечивает постоянную времени около 30 мс. В качестве материала для фотоэмиттера выбраны висмутоце-зиевые и висмуторубидиевые фотослои, нанесенные на подслой из окиси олова. В диапазоне температур 150-170 К температурный коэффициент фототока этих слоев достигает 5-7 К . Диаметр чувствительного элемента 30 мм.

Рис. 80. Схема тепловизора с термоэмиссиониым преобразователем:

/ - объект наблюдения; 2 - зеркальный объектив; 3 - плоское зеркало: 4 - входное окно из фтористого бария; 5 - холодильник; 6 чувствительный элемент; 7 - корпус преобразователя (диаметр 85 мм, длина 285 мм); 8 - фотоумножитель; 9 - предусилитель; W - главный усилитель; - кинескоп наблюдения; 12 генератор развертки; 13 - кинескоп, создающий бегущий световой луч; 14 - фильтр, поглощающий тепловое излучение; 15 - объектив.

Схема тепловизора с термоэмиссионным преобразователем изображена на рис. 80. Тепловое излучение рассматриваемого объекта фокусируется зеркальным объективом на чувствительный элемент. Одновременно посредством линзы и зеркала на нем отображается интенсивное световое пятно от вспомогательного кинескопа, которое благодаря воздействию генератора развертки обегает рабочую поверхность чувствительного элемента. Фотоэмиссия происходит из тех участков чувствительного элемента, которые освещены световым пятном вспомогательного кинескопа. Интенсивность пятна постоянна, но фототок модулируется тепловым изображением объекта на чувствительном элементе вследствие изменения температуры фотоэмиссионного слоя.

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 корпусе создается глубокий вакуум (1,5 . 10~* Па), что необходимо также для нормальной работы фотоумножителя. Поле зрения ограничивается диафрагмой, охлаждаемой жидким азотом, которая задерживает излучение от стенок труб-; ки и одновременно охлаждает чувствительный элемент.

Рис. 81. Схема трубки фильтер-скан2>:

/ - объектив; 2 - силиконовое окно; 3 - конусообразная часть; 4 - выходное окно из материала, прозрачного для инфракрасных лучей; 5 - приемник излучения; 6 - зеркально-линзовый объектив; 7 - электронная пушка; 8 - фокусирующая и отклоняющая катушкн; 9 . электронный луч.

Входное окно, через которое проходит излучение от рассматриваемого объекта, изготовлено из кристалла BaFj, прозрачного для инфракрасных лучей с длиной волны до 15-16 мкм. Во избежание растрескивания окна при охлаждении корпуса прибора окно приваривают к корпусу через переходное кольцо из хлористого серебра - эластичного и прочного материала.

Параметры первых образцов тепловизоров с фотоэмиссионными преобразователями: частота повторения кадров 30 Гц, число строк 200, постоянная времени 0,1 с, пороговый температурный контраст 10° при средней температуре объекта наблюдения 300 К- Ухудшив качество изображения за счет уменьшения частоты повторения кадров до 15 Гц и числа строк до 50, можно получить пороговый температурный контраст Г.

Тепловизоры с фотоэмиссионным преобразователем являются в настоящее время одними из наиболее совершенных инфракрасных устройств для получения изображений движущихся объектов по их собственному тепловому излучению. По быстродействию, разрешающей способности и пороговому температурному контрасту (в совокупности) они превосходят другие приборы аналогичного назначения.

Классический пример системы с электронным сканированием-трубка фильтерскан , разработанная в 1959 г.

[1163. Она состоит из конической и цилиндрической частей, оси которых расположены под углом (рис. 81, 82). Инфракрасное 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 чувствительную площадку внешнего приемника излучения.

Рис. 82. Общий вид трубки фильтерскан .

В цилиндрической части трубки размещена электронная пушка. Электронный луч направлен на внутреннюю поверхность полупроводникового (силиконового) окна. В точке, где сфокусированный электронный луч попадает на окно, образуются свободные носители в полупроводнике, увеличивающие его проводимость, вследствие чего появляется небольшое непрозрачное пятно.

Отклоняющая система пушки заставляет электронный луч и создаваемое им пятно перемещаться по полупроводниковому окну, образуя растр. Так как величина лучистой энергии, поглощаемой бегущим пятном, определяется яркостью закрываемого им участка инфракрасного изображения наблюдаемого объекта, то выходной сигнал приемника излучения зависит от изменения яркости по площади изображения. Подавая этот сигнал на приемный кинескоп, развертка которого синхронизирована с движением электронного 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)

(3.17)

где 5ц - площадь поверхности излучения объекта; 5об - площадь входного объектива; е и Г - коэффициент излучения и абсолютная температура поверхности излучения