close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Телевизионные системы для ультрафиолетовой области спектра.

код для вставкиСкачать
УДК 535.317
П.А. Алдохин, А.С. Рафаилович
СГГА, Новосибирск
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ
СПЕКТРА
Интерес к созданию телевизионных (ТВ) камер, работающих в УФ
области спектра, обусловлен широким использованием данных приборов в
различных областях науки и техники, например, в экологическом
мониторинге Земли для дистанционной индикации разливов нефтепродуктов
на воде и суше [1]. Кроме того, применение высокочувствительных
телевизионных камер, работающих в УФ области спектра, в качестве
дополнительного информационного канала в составе многоспектральных
оптико-электронных систем (ОЭС), может значительно повысить их
информативность.
В УФ диапазоне в целом ряде случаев наблюдается более высокий
контраст объектов искусственного происхождения на природном фоне [1]. На
рис. 1, 2 приведены изображения человека в маскировочном костюме на фоне
снега в видимом и УФ диапазонах соответственно. Изображения получены с
помощью низкоуровневых ТВ камер с телевизионным разрешением 400 ТВЛ.
На графиках, размещённых под изображениями, показан соответствующий
(инвертированный) уровень сигнала.
На рис. 1 человек в маскировочном костюме практически теряется на
фоне белого снега. Уровень и характер сигнала на пикселах соответствующих
его изображению практически не отличается от характеристик фона.
Единственными демаскирующими элементами являются незащищённое
камуфляжем лицо и отбрасываемая им тень.
На изображении, полученном в УФ диапазоне на длине волны около 360
нм (рис. 2), маскировочный костюм и лицо человека выглядят значительно
темнее окружающих его объектов. Высокий контраст позволяет легко
обнаружить и уверенно и распознать замаскированный таким образом объект.
Рис.1
Рис. 2
Работы по созданию ТВ камер чувствительных в УФ области проводятся
достаточно давно. Первоначально это были приборы с одноэлементным
приёмником (ФЭУ или фотодиод) и электромеханическим сканирующим
устройством. Однако, настоящее развитие в этой области началось после
появления матриц ПЗС, работающих в широком спектральном диапазоне (от
ближнего УФ до ближнего ИК), со сдвинутым в область от 250 до 400 нм
максимумом спектральной чувствительности.
Дискретизация кадра у современных ПЗС такого типа весьма высокая
(10241024 элементов и выше). Например, фирмой HAMAMATSU была
разработана ПЗС-камера С4880-50 с числом элементов 10241024, размером
пиксела 13 мкм и диапазоном спектральной чувствительности от 200 до 1000
нм [2]. В России научно-производственным предприятием «ЭЛЕКТРОНОПТРОНИК» было создано семейство ПЗС камер S1C, предназначенных для
работы в УФ и видимом диапазонах спектра [3]. Камеры имеют размеры
фоточувствительного элемента от 1414 до 2222 мкм, диапазон
спектральной чувствительности от 220 до 1000 нм.
На следующем этапе развития были разработаны солнечнослепые ПЗС камеры, например, фирмой SONY была создана матрица ПЗС XC-EU50
форматом 1/2", с числом эффективных пикселей 768494, с диапазоном
спектральной чувствительности 300-400 нм. Созданная на её базе ТВ камера
имеет пространственное разрешение 570 ТВЛ [4].
Общим недостатком камер, приёмником излучения в которых служит
матрица ПЗС, является недостаточно высокий уровень пороговой
освещенности, не превышающий 10 3 Вт/м2. Поэтому, современные
высокочувствительные ТВ камеры
создаются
на
основе
ЭОП.
Примером может служить, УФ ТВ
камера,
созданная
в
ЦНИИ
«Электрон», г. Санкт-Петербург, на
основе
высокочувствительного
гибридного прибора [1].
Гибридный
прибор
представляет собой ЭОП второго
поколения
непосредственно
сочленённый с ПЗС. Типичная
конструкция
гибридного
блока
усилителя
яркости
такой
телевизионной камеры показана на
рис. 3.
Фотокатод СsTe нанесен на
входное окно сферической формы.
Выбитые с поверхности фотокатода
попадающими на неё квантами
света электроны фокусируются
системой электродов на входной
плоскости
МКП.
В
непосредственной
близости
от
Рис. 3
заднего среза МПК установлен
экран с люминофором. Сферическая форма фотокатода и наличие
корректирующих электродов приводят к снижению разрешения на краях поля
зрения с 400 до 250 ТВЛ. Сочленение ЭОП с чувствительной подложкой
матрицы ПЗС осуществляется с помощью оптоволоконного диска (или
фокона). При такой схеме сочленения уменьшаются габариты системы, а
также повышается коэффициент передачи световой энергии с экрана ЭОП на
ФППЗ. В то же время, такая схема имеет ряд недостатков [5]:
 Периодичность структуры фокона приводит к эффекту муара,
который возникает, если период дискретной структуры фокона
пропорционален дискретной структуре ПЗС;
 Ограниченный коэффициент передачи контраста, который зависит от
распределения излучения, падающего на торцы световедущих жил и
световедущих прослоек;
 При выходе из строя ЭОП или матрицы ПЗС прибор не подлежит
восстановлению.
Основные характеристики камеры [1]:
Спектральная чувствительность с дополнительным фильтром, нм 260380
Пространственное разрешение в центре, ТВЛ
Угол поля зрения, град
Фокусное расстояние, мм
Предел чувствительности, Вт/эл
Вес, кг
Напряжение питания, В
400
4
200
10-16
2,8
27
В настоящее время в КТИ ПМ СО РАН создана высокочувствительная
ТВ камера (УФ ТВМ) на основе сочленённого при помощи проекционного
объектива с матрицей ПЗС солнечнослепого ЭОП, предназначенная для
наблюдения в УФ области спектра.
Модульный принцип построения УФ ТВМ позволяет производить
замену вышедших из строя элементов камеры (ЭОП, проекционный
объектив, матрица ПЗС), а также модернизировать УФ ТВМ по мере
разработки любого из основных компонентов с улучшенными
характеристиками. Применение оптики переноса на основе проекционных
объективов, конечно, влечет за собой незначительное увеличение габаритов,
однако позволяет исключить практически все перечисленные недостатки
предыдущего способа сочленения.
Основные характеристики камеры:
Спектральная чувствительность с дополнительным фильтром, нм 230380
Пространственное разрешение, по всему полю зрения, ТВЛ
Угол поля обзора, град
Фокусное расстояние, мм
2
Пороговая облученность, в плоскости фотокатода, Вт/см
Напряжение питания, В
400
2,5
411
10-11
27
Блок усиления яркости выполнен на основе специально разработанного
солнечно-слепого ЭОП 3-го поколения «Солидус-ФЭП». Квантовая
эффективность ЭОП «Солидус-ФЭП» показана на рис. 4.
Данный ЭОП имеет плоский фотокатод, что не приводит к уменьшению
разрешения на краях поля зрения, а, следовательно, и ухудшению качества
изображения.
0,14
Квантовый выход
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
Длина волны, нм
Рис. 4
В качестве блока формирования видеосигнала в УФ ТВМ используется
телевизионная ПЗС-камера форматом 1/2" с размером элемента 99 мкм.
Телевизионное разрешение ПЗС-камеры 600 ТВЛ. Частота кадра 25 Гц.
Результатом проведения ряда научно-исследовательских и опытноконструкторских работ в КТИ
ПМ
СО
РАН
явилась
разработка
базового
унифицированного ТВ модуля
для
УФ
области.
Его
конструкция представлена на
рис. 5.
Солнечнослепой ЭОП 1
вклеен
в
корпус
3.
Непосредственно за экраном
ЭОП
размещена
система
переноса
изображения
4.
Корпус системы переноса
изображения ввёрнут по резьбе
в корпус 3. Совмещение
фокальной плоскости системы
переноса изображения 4 с
плоскостью
люминофора
Рис. 5
ЭОП 1
производится
вращением системы переноса
изображения. Её положение фиксируется стопорными винтами. ПЗС камера
12 крепится на стойках к втулке 6. Втулка 6 вставлена в гладкое отверстие на
корпусе 3, так, чтобы плоскость фоточувствительных элементов ПЗС
матрицы совпадала с задней фокальной плоскостью системы переноса
изображения. Втулка 6 фиксируется стопорными винтами. К заднему торцу
корпуса 3 привёрнута панель 9 с размещёнными на ней разъёмами РСГС 7 и
СР-50, поз. 10, 11 соответственно. К боковым стенкам корпуса 3 крепятся
плата 13 питания ЭОП и остальные платы ПЗС камеры. Модуль имеет
стандартный видеовыход и автоматическую коррекцию по уровню сигнала.
В дальнейшем в КТИ ПМ СО РАН планируется продолжение работ по
совершенствованию УФ модулей – повышению их пространственного
разрешения и чувствительности. Пути реализации данной задачи возможны
следующие:
 Увеличение пространственной разрешающей способности ЭОП с
одновременным увеличением интегральной чувствительности фотокатода;
 Использование в УФ модулях матриц ПЗС с большим количеством
светочувствительных элементов, меньшего размера;
 Выдача информации в цифровом виде с дальнейшей математической
обработкой сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Иванов В.Н., Суриков И.Н., Шилин Б.В. Дистанционные наблюдения в
ультрафиолетовом диапазоне // Оптический журнал – 2003 - т. 70 - №5 – С.56-59.
2. Internet: http://www.hamamatsu.com
3. Internet: http://www.silar.spb.ru/c/s1c_r.htm
4. Internet: http://news.sel.sony.com/pressrelease/print/1473
5. Бузук В.В., Вергилес С.А., Гусаченко А.В. и др. Особенности построения
оптических систем низкоуровневых телевизионных камер //Вестник СГГА – выпуск 7 –
2002 – С.152-156.
© П.А. Алдохин, А.С. Рафаилович, 2005
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
16
Размер файла
428 Кб
Теги
спектр, ультрафиолетового, система, области, телевизионная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа