CC BY
305
УДК 535.317
П.А. Алдохин, А.С. Рафаилович СГГ А, 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 (1024x1024 элементов и выше). Например, фирмой HAMAMATSU была разработана ПЗС-камера С4880-50 с числом элементов 1024x1024, размером пиксела 13 мкм и диапазоном спектральной чувствительности от 200 до 1000 нм [2]. В России научно-производственным предприятием «ЭЛЕКТРОН-ОПТРОНИК» было создано семейство ПЗС камер S1C, предназначенных для работы в УФ и видимом диапазонах спектра [3]. Камеры имеют размеры фоточувствительного элемента от 14x14 до 22x22 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 768x494, 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
'у
освещенности, не превышающий 10 3 Вт/м . 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 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.
Ф42> та*
Ф зє
Рис. 3
Основные характеристики камеры [1]:
Спектральная чувствительность с дополнительным фильтром, нм 260380
Пространственное разрешение в центре, ТВЛ 400
Угол поля зрения, град 4
Фокусное расстояние, мм 200
Предел чувствительности, Вт/эл 10-16
Вес, кг 2,8
Напряжение питания, В 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 400
Угол поля обзора, град 2,5
Фокусное расстояние, мм 411
2 11
Пороговая облученность, в плоскости фотокатода, Вт/см 10-
Напряжение питания, В 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.
Длина волны, нм
Рис. 4
В качестве блока формирования видеосигнала в УФ ТВМ используется телевизионная ПЗС-камера форматом 1/2" с размером элемента 9x9 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 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
1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 5
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. Intemet: http://www.hamamatsu.com
3. Intemet: http://www.silar.spb.ru/c/s1c_r.htm
4. Intemet: 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
