Технологии, стоящие за тепловизионными камерами

Что такое инфракрасное излучение?

 

Латинская приставка «инфра» обозначает «под» или «внизу». Таким образом «инфракрасный» указывает на спектр за пределами красного конца спектра видимого света. Инфракрасная зона расположена между зонами видимого света и микроволновой зоной электромагнитного спектра. Поскольку разогретые объекты излучают энергию в инфракрасном спектре, его часто называют тепловой зоной спектра. Все объекты в какой-то степени излучают энергию в инфракрасном спектре, даже объекты комнатной температуры и лед.

 

Чем выше температура объекта, тем выше излучаемая им энергия и тем короче преобладающая или пиковая длина волны. Пиковое излучение от объекта возникает при комнатной температуре при длине волны в 10 мкм. Солнце имеет эквивалентную температуру 5900 К и пиковую длину волны 0,53 мкм (зеленый свет). Он излучает большое количество энергии в спектрах, начиная от ультрафиолета и заканчивая дальним ИК-диапазоном.

 

Большая часть спектра ИК-излучений не может быть использована системами обнаружения, поскольку данное излучение поглощается водой или углекислым газом в атмосфере. Однако существует несколько диапазонов длины волн, отличающихся хорошей передачей. Длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR) представлено в диапазоне 8-14 мкм, при этом в диапазоне 9-12 мкм обеспечивается почти 100% коэффициент передачи. Диапазон LWIR обеспечивает отличную видимость большинства земных объектов. Средневолновой инфракрасный диапазон MWIR (3,3 – 5,0 мкм) также обеспечивает почти 100% передачу, имея при этом такое преимущество, как меньший уровень фонового шума. Коротковолновое и видимое инфракрасное излучение (SWIR) или ближнее инфракрасное излучение (NIR - 0,35-2,5 мкм) соответствует диапазону передачи в верхних слоях атмосферах и пиковому солнечному излучению, предоставляя возможности для использования датчиков с самой высокой видимостью и разрешением из всех трех диапазонов. Однако качество изображений SWIR значительно падает без лунного или искусственного освещения, при этом они не способны обеспечивать видимость объектов с температурой 300К.

 

 Технология коротковолнового инфракрасного излучения (SWIR)

 

Датчики коротковолнового инфракрасного излучения обладают уникальными возможностями, часто дополняющими датчики LWIR и MWIR. Датчик SWIR – это такой же оптический датчик, как и охлаждаемые датчики LWIR или MWIR. Но в отличии от них датчики SWIR используют (в основном) отраженный свет. По этому показателю датчики SWIR не отличаются от камер видимого диапазона или человеческого глаза. Поэтому изображения SWIR сравнимы с изображениями видимого диапазона (черно-белыми) по разрешению и детализации.

 

Начало использования материала InGaAs совершило прорыв в развитии датчиков SWIR без криогенного охлаждения. В датчиках SWIR из InGaAs обычно используются охладители Peltier. Они отличаются чувствительностью в диапазоне от 900 до 1700 нм.

 

Камеры SWIR могут использованы для съемки днем и ночью (при свете звезд), что выгодно выделяет их по сравнению с другими технологиями. Среди других преимуществ – небольшой размер (по сравнению с охлаждаемыми детекторами), возможность видеть скрытые лазеры, способность видеть через стекло.

 

Технология средневолнового инфракрасного излучения

 

Средневолновой инфракрасный диапазон также называют «тепловым инфракрасным», поскольку излучение в нем исходит от самого объекта и для его отображения не требуется сторонний источник света. На то, насколько ярким объект получается на изображении, влияют два фактора: температура объекта и излучательная способность (физическое свойство материала, указывающее, насколько эффективно излучает материал).

По мере нагревания объект излучает больше энергии и становится ярче для тепловизионных систем. Явления, которые обычно приводят к снижению видимости, меньше влияют на рассеивание в диапазоне средневолнового инфракрасного излучения, чем в диапазоне коротковолнового инфракрасного излучения, поэтому такие камеры менее чувствительны к таким явлениям, как дым, пыль или туман.

 

MWIR улавливает свет в диапазоне от 3 до 5 мкм. Камеры MWIR используются тогда, когда главной целью является получение высококачественного изображения, а не измерение температуры и движении.

 

Технология длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR)

 

Уже несколько десятилетий инфракрасные камеры, использующие датчики длинноволнового инфракрасного излучения и средневолнового инфракрасного излучения, использовались военными для обнаружения передвижений человека. Такие тепловизионные камеры обнаруживают тепловое излучение людей, транспортных средств, животных.

 

Существует два типа детекторов длинноволнового инфракрасного излучения – неохлаждаемые микроболометры LWIR и гораздо более редкие охлаждаемые детекторы LWIR.

 

Неохлаждаемый микроболометр LWIR – это тепловой датчик, оснащенный, по сути, резистором на каждом пикселе. Микроболометры обычно изготавливаются из аморфного кремния (a-Si) или оксида ванадия (Vox). Значение сопротивления изменяется в зависимости от попадающего на датчик излучения, поскольку падающее инфракрасное излучение нагревает структуру резистора. Данное изменение сопротивления на каждом пикселе затем измеряется и учитывается для создания изображения. Обычно структура микроболометра оптимизируется для обеспечения наилучшей чувствительности в диапазоне от 8 до 14 мкм.

 

Охлаждаемый детектор длинноволнового инфракрасного излучения представляет собой оптический датчик, использующий обычно такие материалы как HgCdTe (ртуть-кадмий-теллурид) или QWIP (инфракрасный фотодетектор на квантовой яме). Фотодетектор использует полупроводники для трансформации фотонов в электроны (или более точно – электронно-дырочные пары). Наиболее распространенным фотодетектором является кремниевый ПЗС, используемый в большинстве камер сотовых телефонов (для видимого света). В зависимости от области применения фотодетекторы LWIR необходимо охлаждать до 77K или ниже, например, с помощью охладителя Стирлинга. Как правило, эти детекторы чувствительны к длинам волн от 7 до 12 мкм.