fbpx
Назад
30 августа, 2021

Камеры ультрафиолетового диапазона

С развитием науки и техники оптический диапазон существенно расширился за пределы видимого излучения и захватил инфракрасную и ультрафиолетовую область спектра. Эти длины волн невидимы человеческому глазу, а приборы, способные его детектировать, существенно расширяют возможности специалистов в самых разных областях человеческой деятельности. 

Поэтому не удивительно, что разработка чувствительных к ультрафиолетовому диапазону камер ведётся очень давно. В настоящее время появились камеры, построенные на базе BSI CMOS, что существенно расширило возможности наблюдения.

 

 

Особенности детектирования ультрафиолетового излучения

 

Сейчас принято делить ультрафиолетовый диапазон на три поддиапазона:

  • УФ-А (315-400 нм);
  • УФ-В (280-315 нм);
  • УФ-С (100-280 нм).

 

Спектр излучения солнца. Источник фото: https://hochuvidet.ru/

 

Но приемники ультрафиолетового излучения делят на две функциональные группы:

  1. «Солнечно-слепые». Устройства этого типа работают в диапазоне до 280 нм и защищены от помех, создаваемых излучением Солнца.
  2. «Видимо-слепые». Чувствительны к ультрафиолетовой области спектра 280-400 нм и не различают излучение выше этого диапазона.

 

«Солнечно-слепые» приемники — самые эффективные приборы для обнаружения источников УФ-излучения — как естественных, так и искусственных. Также они применяются в УФ-спектроскопии, системах непрямой оптической связи и других областях, требующих высокой помехозащищенности. 

Выдающиеся характеристики «солнечно-слепых» приемников связаны с особенностями поглощения солнечного излучения атмосферой Земли. Короткий ультрафиолет не проходит через верхние ее слои, поэтому на поверхности полностью отсутствует естественный УФ-фон в диапазоне 100-280 нм.

«Видимо-слепые» оптоэлектронные приборы находят широкое применение в военной сфере, в первую очередь, по причине нечувствительности к длинам волн выше 0,38 мкм. При острых углах атаки относительно Солнца УФ-приемники, по сути, остаются единственным каналом видения.

Несмотря на озвученные выше преимущества, специализированные УФ-камеры обладают рядом существенных недостатков. 

 

  1. Во-первых, регистрация УФ-излучения осуществляется без привязки к видимым объектам: камеры ультрафиолетового диапазона попросту их не различают. Это вынуждает использовать тандем из устройств, одно из которых осуществляет регистрацию в ультрафиолетовом диапазоне, а второе — в видимом или инфракрасном.

 

Сравнение изображений, полученных с разных типов камер. Источник фото: test-energy.ru

 

  1. Во-вторых, ультрафиолетовые камеры на базе ПЗС-матрицы имеют низкий уровень пороговой освещенности. Это вынуждает создавать высокочувствительные камеры на базе совмещенного с ПЗС-матрицей электронно-оптического преобразователя (ЭОП). Конструктивные особенности этих приборов вынуждают искать компромисс между качеством изображения и габаритами устройства.

 

По этим причинам камеры, обладающие чувствительностью исключительно в УФ-диапазоне, используются, в основном, в сферах, где важен сам факт своевременного и четкого обнаружения источника ультрафиолетового излучения: слежение за пусками ракет, обнаружение пламени и т.д.

Для задач экологического мониторинга, контроля утечек электроэнергии и других гораздо удобнее использовать устройства, чувствительные к широкому спектру излучения.

Создание подобных приборов стало возможным после разработки технологии BSI CMOS.

 

 

Особенности BSI CMOS-матриц для мультиспектральных камер

 

Основной причиной, по которой CMOS-матрицы поначалу не получили широкого распространения, была их низкая по сравнению с CCD чувствительность. В 1990-е годы появилась возможность реализовать технологию APS (Active Pixel Sensor) — сенсоры с активными пикселями, и интерес к CMOS-матрицам вернулся. 

Но настоящая революция в CMOS-матрицах, позволившая им потеснить ПЗС-аналоги, произошла в 2007 году, с внедрением компанией SONY технологии BSI CMOS.

Матрицы, изготовленные по технологии BSI (Back-Side Illumination — обратная засветка), обладают большей чувствительностью, чем ПЗС- и CMOS-матрицы с прямой засветкой за счет вынесения металлического слоя ниже слоя фотодиодов:

 

Строение матрицы с прямой засветкой (слева) BSI CMOS-матрицы (справа). Источник фото: luis.ru

 

Это позволяет увеличить приемную площадку пикселя без увеличения его физического размера, и повысить чувствительность камеры на 10-15%. 

Разработка и развитие технологии BSI CMOS обусловили появление на рынке устройств, объединивших в себе достоинства камер для ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Мультиспектральные камеры работают с излучением 200-1100 нм и широко применяются как в военной, так и в гражданской сферах.

 

 

Сферы применения ультрафиолетовых мультиспектральных камер

 

Ультрафиолетовое излучение позволяет существенно расширить восприятие человеком окружающего мира, поэтому чувствительные к нему устройства нашли применение в таких сферах деятельности как:

  1. Оборона.
  2. Наука.
  3. Медицина.
  4. Криминалистика.
  5. Промышленность.

 

 

Военная сфера

 

Камеры ультрафиолетового диапазона способны решать как тактические, так и стратегические задачи.

В первую очередь, это отслеживание запусков ракет. Как правило, для этих целей используются «солнечно-слепые» и «видимо-слепые» приемники. Однако применение мультиспектральных камер позволяет получить изображение не только факела пламени, но и корпуса ракеты, что расширяет возможности по противодействию этим видам вооружений. 

Вторым распространенным применением является обнаружение людей в маскировочных костюмах. Современные технологии обеспечивают высокие показатели маскировки бойцов в видимом и инфракрасном диапазоне, но в ультрафиолетовой области спектра наблюдается высокий контраст между искусственными объектами и естественным фоном излучения, что проиллюстрировано на рисунке:

 

Изображение человека в маскхалате. Слева — видимый диапазон, справа — ультрафиолетовый. Источник фото: Алдохин П. А., Рафаилович А. С. Телевизионные системы для ультрафиолетовой области спектра. СГГА, Новосибирск. — 2005

 

 

Наука

 

Ультрафиолетовая область спектра имеет большое значение для астрономических наблюдений в дневное и ночное время. Она наиболее информативна в плане получения данных о звездах и межзвездном газе, поскольку в УФ-диапазоне находится множество резонансных переходов распространенных химических элементов. Этот диапазон важен и при изучении внешних слоев атмосфер планет Солнечной системы. Следует иметь виду, что УФ-наблюдения с поверхности Земли возможны в диапазоне длин волн 300-400 нм, так как для более короткого ультрафиолетового излучения земная атмосфера непрозрачна.

Большое значение для науки имеет УФ-мониторинг озонового слоя Земли, а также изучение электрических явлений в атмосфере (полярных сияний).

В археологии камеры ультрафиолетового диапазона нужны для датирования находок по четырнадцатому изотопу углерода.

 

Медицина

 

Ультрафиолетовое излучение широко применяется в медицине, в том числе и судебной. Биологические жидкости ярко светятся под воздействием ультрафиолетовых ламп. Ультрафиолетовая дезинфекция помещений и поверхностей является одним из распространенных методов борьбы с бактериями.

Ультрафиолетовая диагностика широко используется для определения заболеваний кожи, скрытых травм, ран, синяков и шрамов.

 

 

Криминалистика

 

При расследовании причин авиакатастроф с помощью УФ-камер можно установить, послужили ли причиной аварии попавшие в турбореактивный двигатель птицы.

Порой в видимом свете трудно отличить подделку от настоящего произведения искусства. Но ультрафиолетовая диагностика позволяет установить истину, поскольку УФ-люминесценция для каждого вещества индивидуальна, и краски, используемые, например, в Эпоху Возрождения, будут светиться совсем иначе, чем современные.

 

 

Промышленность

 

С помощью ультрафиолетовых камер можно наблюдать коронные разряды, возникающие вокруг опор ЛЭП при утечках электроэнергии. Это позволяет своевременно определить место утечки и устранить неисправность. 

Также с помощью ультрафиолетового излучения можно обнаружить места утечки фреона в промышленных и бытовых холодильниках.

 

 

Варианты реализации мультиспектральных видеокамер

 

В настоящее время на рынке присутствуют мультиспектральные видеокамеры с чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, обладающие разрешением вплоть до нескольких миллионов пикселей. 

В зависимости от используемой технологии (BSI CMOS, BSI CMOS TDI, мультиканальная компоновка) они несколько отличаются диапазоном и уровнем чувствительности.

Так, например, мультиспектральная видеокамера 9KTDI обладает высоким разрешением (9072 x 256 или 9072 x 32 пикселей). Изготовленная по технологии BSI CMOS TDI, она работает в режиме линейного сканирования и накопления сигнала. Этим обусловлена ее высокая квантовая эффективность, пик которой приходится на диапазон 400-700 нм.

Камеры подобного типа наиболее эффективны в областях применения, требующих высокой чувствительности и качества сигнала. Они способны снимать быстродвижущиеся объекты или работать в условиях очень скудной подсветки.

 

Мультиспектральная видеокамера 9KTDI. Источник фото: https://lasercomponents.ru/

 

У мультиспектральной камеры BSI-UV, изготовленной по технологии BSI CMOS, диапазон чувствительности приходится на 180-1100 нм. Ее отличительной особенностью является высокая квантовая эффективность в ультрафиолетовом диапазоне (до 83,3% для 280 нм).

За счет широкого спектрального диапазона используется во многих областях: от фиксации коронных разрядов до криминалистики и микродиагностики различных поверхностей.

 

Мультиспектральная камера BSI-UV. Источник фото: https://lasercomponents.ru/

 

Мультиспектральная камера BSI-UV2 также имеет диапазон чувствительности 180-1100 нм, но отличается от предыдущей модели высокой квантовой эффективностью во всех диапазонах (60% для 254 нм, 95% для 550 нм и 53% для 850 нм). Подходит для применения в научных областях: от микробиологии до астрономических исследований.

 

Мультиспектральная камера BSI-UV2. Источник фото: https://lasercomponents.ru/

 

Для оперативного обнаружения дефектов и неисправностей на ЛЭП, электростанциях, промышленных или научных установках с повышенным риском выделения большого количества энергии подойдет трехспектральная ультрафиолетовая камера UFIR-104. Она оснащена двумя детекторами: охлаждаемым LWIR-сенсором для инфракрасной области спектра и солнечно-слепым фотоприемным устройством для диапазона 240-280 нм.

 

Трёхспектральная ультрафиолетовая камера UFIR-104
Трёхспектральная ультрафиолетовая камера UFIR-104. Источник фото: https://lasercomponents.ru/

 

  

Камера позволяет получать изображение в обоих спектральных диапазонах одновременно и оснащена функцией их совмещения.

 

 

Заключение

 

Несмотря на то, что интерес к ультрафиолетовому диапазону возник еще в середине XX века, только в 1990-е годы технологии достигли достаточного уровня для создания высокочувствительных матриц с большим разрешением. 

«Солнечно-слепые» и «видимо-слепые» приемники обладали рядом ограничений, делавших их использование неудобным, а существовавшие на тот момент CMOS-матрицы обладали слишком низкой чувствительностью.

Появление и совершенствование технологии обратной засветки совершило революцию на рынке ультрафиолетовых камер и открыло дорогу новому типу устройств, совместивших в себе преимущества ультрафиолетовых, VIR- и NIR-камер. 

В настоящее время камеры ультрафиолетового диапазона широко используются в военной, промышленной, научной, бытовой и других сферах человеческой деятельности.

На примере приборов из нашего каталога мы показали примерные области применения камер, изготовленных по той или иной технологии. Более подробно ознакомиться с их характеристиками вы можете в разделе, посвященном мультиспектральным камерам.

Если у вас останутся вопросы, наши специалисты с радостью помогут вам определиться с выбором. Для этого свяжитесь с нами по телефону или e-mail.

Каталог камер ультрафиолетового диапазона