Научная статья на тему 'Телевизионные системы для ультрафиолетовой области спектра'

Телевизионные системы для ультрафиолетовой области спектра Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
532
278
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Алдохин П. А., Рафаилович А. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Телевизионные системы для ультрафиолетовой области спектра»

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

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.