Deutschland

Italia

España

United Kingdom

United States

中国

Lietuva

Россия

ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Объектив

Самым распространенным, но не единственным материалом для изготовления объективов тепловизионных приборов является монокристаллический германий. В той или иной степени, пропускной способностью в MWIR и LWIR – диапазонах обладают также сапфир, селенид цинка, кремний и полиэтилен. Для изготовления объективов тепловизионных приборов применяют также халькогенидные стекла.

Оптический германий обладает высокой пропускной способностью и, соответственно, низким коэффициентом поглощения в диапазоне 2…15 мкм. Стоит напомнить, что этот диапазон захватывает два атмосферных «окна прозрачности» (3…5 и 8…12 мкм). В этом же диапазоне работает большинство сенсоров, применяемых в гражданских тепловизионных приборах.

 

 Германий - дорогостоящий материал, поэтому оптические системы стараются делать из минимального количества германиевых компонентов. Иногда для удешевления конструкции объектива применяют зеркала со сферическими или асферическими поверхностями. Для защиты наружных оптических поверхностей от внешних воздействий используют покрытие на основе алмазоподобного углерода (DLC) или аналоги.

Классическое оптическое стекло для изготовления объективов тепловизионных приборов не применяется, поскольку оно не обладает пропускной способностью на длине волны более 4 мкм.

Конструкция объектива и его параметры оказывают существенное влияние на возможности того или иного тепловизионного прибора. Так, фокусное расстояние объектива напрямую влияет на увеличение прибора (чем больше фокус, тем больше, при прочих равных, увеличение), поле зрения (уменьшается при увеличении фокуса) и дальность обнаружения.

Можно сказать, что дистанция обнаружения напрямую зависит от фокусного расстояния объектива – чем фокусное расстояние больше, тем больше дистанция обнаружения. Также увеличение фокуссного расстояния приводит к росту увеличения и уменьшению поля зрения. Поэтому при разработке прибора следует учитывать какие задачи должен выполнять прибор – обнаруживать объект на дальних дистанциях и идентифицировать его за счет большого увеличения или быстро находить объект за счет широкого поля зрения.

Относительное отверстие объектива, рассчитываемое как частное светового диаметра объектива к фокусу, характеризует относительное количество энергии, которое может пройти через объектив. Показатель относительного отверстия влияет на чувствительность, а также на температурно - разрешающую способность тепловизионного прибора.



Сенсор 

Фоточувствительным элементом тепловизионного прибора является двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов. Технологий производства инфракрасных чувствительных элементов достаточно много, однако в тепловизионных приборах гражданского назначения можно отметить подавляющее превосходство болометров (микроболометров).

Микроболометр представляет собой приемник энергии ИК-излучения, действие которого основано на изменении электропроводности чувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения. Микроболометры подразделяются на подклассы, в зависимости от того, какой чувствительный к ИК-излучению материал, оксид ванадия (VOx) или аморфный кремний (α-Si), применяется.

Чувствительный материал поглощает инфракрасное излучение, вследствие чего, согласно закону сохранения энергии, чувствительная площадка пикселя (единичного фотоприемника в матрице) микроболометра нагревается. Внутренняя электрическая проводимость материала изменяется, а эти изменения – регистрируются. Конечным итогом является монохромная или цветная визуализация температурной картины на дисплее прибора. Стоит отметить, что цветность, в которой отображается температурная картина на дисплее, целиком и полностью зависит от работы программной части тепловизионного прибора.

На фото: микроболометрическая матрица (сенсор) компании Ulis

Производители тепловизионных сенсоров (микроболометров) в своих документах, регламентирующих качество сенсоров, допускают наличие на сенсоре как отдельных пикселей, так и их скоплений (кластеров), которые имеют отклонения выходного сигнала при нормальной работе - так называемые «мёртвые», или «битые» пиксели. «Битые» пиксели свойственны сенсорам любого производителя. Их присутствие объясняется различными отклонениями, которые могут происходить при изготовлении микроболометра, а также наличием в материалах, из которых изготавливаются чувствительные элементы, инородных примесей. При работе тепловизионного прибора собственная температура пикселей повышается, и неустойчивые к повышению температуры пиксели («битые») начинают выдавать сигнал, который может в разы отличаться от сигнала правильно работающих пикселей. На дисплее тепловизионного прибора такие пиксели могут выглядеть как белые или черные точки (в случае отдельных пикселей) или пятна различной конфигурации, размера (в случае кластеров) и яркости (очень яркие или очень темные). Наличие таких пикселей никак не влияет на долговечность работы сенсора и не является поводом для ухудшения его параметров по мере наработки в будущем. По сути, это всего лишь «косметический» дефект изображения.



Производители тепловизоров используют различные программные алгоритмы обработки сигнала от дефектных пикселей, позволяющие минимизировать их влияние на качество изображения и заметность. Суть обработки заключается в замещении сигнала от дефектного пикселя сигналом от соседнего (ближайшего) нормально функционирующего пикселя или усредненным сигналом от нескольких соседних пикселей. В результате такой обработки дефектные пиксели, как правило, становятся практически незаметными на изображении.

При определенных условиях наблюдения увидеть наличие исправленных дефектных пикселей (особенно кластеров) все же можно, например, при попадании в поле зрения тепловизионного прибора границы между теплым и холодным объектами, причем таким образом когда эта граница точно попадает между кластером дефектных пикселей и нормально работающими пикселями. При совпадении этих условий кластер дефектных пикселей виден как пятно, переливающееся белым и темным цветами, и более всего напоминает каплю жидкости на изображении. Важно отметить, что наличие такого эффекта не является признаком дефектности тепловизионного прибора.

Блок электронной обработки.
Обычно блок электронной обработки состоит из одной или нескольких плат (в зависимости от компоновки прибора), на которых расположены специализированные микросхемы, осуществляющие обработку сигнала, считанного с сенсора, и дальнейшую передачу сигнала на дисплей, где и формируется изображение распределения температур наблюдаемой области. На платах располагаются основные органы управления прибором, а также реализуется схема электропитания, как прибора в целом, так и отдельных цепей схемы.

Микродисплей и окуляр.

В связи с тем, что в большинстве охотничьих тепловизоров применяются микродисплеи, для наблюдения изображения используется окуляр, работающий как лупа и позволяющий комфортно рассматривать изображение с увеличением.

Наиболее часто применяются жидкокристаллические (ЖК) дисплеи просветного типа (с обратной стороны дисплей подсвечивается источником света) или OLED-дисплеи (при пропускании электрического тока вещество дисплея начинает излучать свет).

Применение OLED - дисплеев имеет ряд преимуществ: возможность эксплуатировать прибор при более низких температурах, более высокая яркость и контраст изображения, более простая и надежная конструкция (отсутствует источник для обратной подсветки дисплея, как в ЖК-дисплеях). Кроме ЖК и OLED-дисплеев, могут применяться микродисплеи LCOS (Liquid Crystal on Silicone), являющиеся разновидностью жидкокристаллических дисплеев отражательного типа.