Назад
21 июня, 2021

Неохлаждаемые тепловизионные модули с фиксированными и ZOOM-объективами

Тепловизионный модуль представляет собой миниатюрный механизм, фиксирующий разницу температурных полей окружающей среды и превращающий полученную информацию в изображение на дисплее.

 

Неохлаждаемые тепловизионные модули. Источник фото: lasercomponents.ru

 

 

Неохлаждаемые тепловизионные модули находят применение для широкого спектра задач: мониторинг окружающей среды, системы охраны, разведки и наблюдения, средства коммуникации, технологические комплексы и многое другое. Их основным достоинством являются небольшие масса и размеры, а также низкое энергопотребление. Совокупность этих факторов вызвала бурное развитие технологий изготовления фоточувствительных матриц, которое всего за полтора десятилетия привело к снижению размера пикселя в 5 раз.

 

 

Устройство неохлаждаемых тепловизионных модулей

 

Механизм детектирования температурного поля окружающей среды в неохлаждаемых тепловизионных модулях основан на двух физических принципах: 

  • резистивном;
  • пироэлектрическом.

 

На резистивном принципе работают так называемые микроболометры. Регистрация излучения в них осуществляется за счет накопления тепла в объеме приемника. При этом очень важно обеспечить хорошую теплоизоляцию, в том числе и от подложки.

Здесь на помощь приходят MEMS-технологии: за счет избирательного травления кремния формируется мембранная структура, удерживаемая над поверхностью подложки с помощью двух микробалок. А фоточувствительные элементы из тонких пленок аморфного кремния или диоксида ванадия наносятся на нее в виде «зонтика».

Одним из примеров может служить разработанная в 1996 году компанией DRS конструкция. Она заключалась в подведении энергии теплового излучения к фоточувствительному элементу с помощью теплостока.

 

Конструкция пикселя «зонтик». Приемник тепла изолирован от подложки с помощью микроконсолей. Источник фото: Иванов С. Д., Косцов Э. Г. Тепловые приемники неохлаждаемых многоразмерных тепловизионных матриц. Ч. I. Теплоизолированные элементы. Автометрия, Т. 51, № 6, 2015

 

 

В дальнейшем эта конструкция неоднократно модифицировалась, и в 2012 году с ее помощью получилось значительно уменьшить тепловые потери и увеличить тепловое сопротивление конструкции до 108 К/Вт для пикселей размером 12х12 мкм.

Принцип действия пироэлектрических приемников основан на эффекте образования электрических зарядов на поверхности сигнетоэлектриков при тепловом воздействии на них. 

Пироэлектрические модули, также как и микроболометры представляют собой сложные устройства с миниатюрным размером входящих в них компонентов.

На покрытый поглощающим тепловое излучение сигнетоэлектрический кристалл напыляют тонкие металлические электроды, к которым приваривают контакты. Вся конструкция размещается на тонкой подложке.

 

Схема устройства пироэлектрического приемника. Источник фото: https://elib.bsu.by 

 

 

При нагреве пироэлектрика изменяется дипольный момент и на поверхности формируются электрические заряды. Если к детектору подключить нагрузку, то в цепи появится электрический ток. Для усиления сигнала необходимо использовать большое сопротивление нагрузки (не менее 1 ГОм) и дифференциальные усилители.

Тепловизионные модули на основе пироэлектрических приёмников имеют ряд преимуществ перед микроболометрами: 

  • повышенная прочность;
  • меньшая стоимость;
  • быстродействие;
  • неселективность;
  • широкий динамический диапазон;
  • лучшая совместимость со схемами считывания IC (ROIC);
  • чувствительность, близкая к теоретическому пределу для неохлаждаемых модулей;
  • нет необходимости в термостабилизации;
  • отсутствие характерных для микроболометров шумов;
  • нет необходимости в питании;
  • нечувствительны к фоновому излучению;
  • отсутствуют дополнительные компоненты, увеличивающие паразитную тепловую массу;
  • меньшая чувствительность к степени неоднородности отдельных элементов матрицы;
  • устойчивость к радиации;

 

К сожалению, пироэлектрические матрицы пока не получили широко распространения из-за сложности изготовления на поверхности электродов тонких пироэлектрических пленок. К тому же наилучший эффект достигается при использовании сигнетоэлектриков, коэффициент линейного расширения которых существенно превышает этот показатель у кремния или нитрида кремния. Поэтому толщина пленки ограничена толщиной мембраны и составляет доли миллиметра. Это приводит к снижению пироэлектрического коэффициента и характеристик датчика в целом.

 

 

Применение неохлаждаемых тепловизионных модулей

 

Тенденция к уменьшению размера пикселей обеспечила значительное увеличение разрешения матриц неохлаждаемых тепловизионных модулей. Имеющиеся в данный момент на рынке модели способны обеспечить качественное изображение, что делает их пригодными для:

 

Установки на летательные аппараты.

 

За счет компактности и низкого энергопотребления неохлаждаемые тепловизионные модули имеют значительное преимущество перед своими охлаждаемыми аналогами. Это позволяет устанавливать их даже на малоразмерные БПЛА.

 

 

Установка на автотранспорте.

 

Современные автомобили стали намного комфортнее и безопаснее. С 2010 года стало появляться все больше моделей с системами теплового ночного зрения.

 

 

Тепловизионные прицелы.

 

Вес экипировки бойца имеет огромное значение, а компактность навесного оборудования существенно повышает удобство обращения с оружием. Тепловизионные прицелы используются: 

  • гражданскими лицами для охоты;
  • военными для проведения спецопераций, патрулирования и охраны;
  • в поисково-спасательных операциях;
  • сотрудниками частных охранных предприятий.

 

В стационарных системах наземного и морского базирования.

 

У неохлаждаемых тепловизионных модулей, снабженных хорошей оптикой, высокая дальность обнаружения целей — до 1 км. Иногда этого достаточно, чтобы обеспечить безопасность, не прибегая к приобретению дорогостоящего охлаждаемого оборудования.

 

 

Термография.

 

Характеристик неохлаждаемых тепловизионных модулей достаточно, чтобы контролировать тепловые процессы на производстве и в строительстве. В первом случае они помогают следить за правильностью технологического процесса, во втором — заблаговременно проконтролировать тепловые потери здания и скорректировать схему теплоизоляции.

 

 

Предотвращение пожаров.

 

Контроль инженерных сетей имеет огромное значение, особенно если речь идет о крупном предприятии. Установка недорогих и компактных неохлаждаемых тепловизионных модулей поможет заранее обнаружить неисправность (например, неплотный контакт проводов в линии энергоснабжения) и предотвратить возможный пожар и связанные с ним убытки.

 

 

Спасательные операции.

 

Неохлаждаемые тепловизионные модули работают в диапазоне 8-14 мкм, что позволяет видеть сквозь дым, снег, туман и другие ухудшающие видимость факторы, в том числе и ночью. Благодаря этому поиск попавших в беду людей можно вести круглосуточно и с высокой эффективностью.

 

Этот тоннель полностью задымлен, но фигуры спасателей отчетливо видно

 

 

Объективы для неохлаждаемых тепловизионных модулей

 

Для работы с неохлаждаемыми тепловизионными модулями используются специальные объективы. Линзы в них изготовлены из германия, а высокое качество изображения обеспечивается асферической формой и устройством, компенсирующим изменение температуры окружающей среды — такие объективы называются атермальными.

К основным характеристикам объектива относятся фокусное расстояние и угол зрения: именно эти параметры влияют на дальность обнаружения целей. Чем больше фокусное расстояние — тем дальше можно увидеть с помощью тепловизора, но тем меньше информации окажется в поле зрения.

Для стационарных тепловизионных систем нередко используются сменные объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Их выбор определяется текущими погодными условиями и тем, на какую дальность настраивается охранная система.

Но использование сменных объективов не всегда удобно (особенно в тепловизионных прицелах), и в этих случаях устанавливают Zoom-объективы. Это позволяет в определенных пределах менять фокусное расстояние и отслеживать цели на разных дистанциях, что особенно удобно при прицеливании.

Тем не менее, Zoom-объективы формируют худшее, чем их дискретные аналоги, изображение и более громоздки, поэтому не подходят для наблюдения на предельных дистанциях.

 

 

Краткий обзор ситуации на рынке

 

Согласно данным Yole Development, в 2016 году объем продаж систем на базе микроболометров превысил 3,4 миллиарда долларов. Современные неохлаждаемые модули могут иметь разрешение матрицы до 1024х768 пикселей, но наиболее распространенными являются форматы 640х512, 640х480 и 384х288 пикселей.

Ключевыми игроками на рынке являются компании:

  • ULIS;
  • BAE Systems;
  • DRS Technologies;
  • Raytheon;
  • L3 Communication;
  • ZEISS;
  • Thales;
  • Flir;
  • Opgal;
  • Northrop Grumman;
  • И другие.

 

Ключевые характеристики некоторых из представленных на российском рынке моделей приведены в таблице 1:

 

Таблица 1. Ключевые характеристики некоторых тепловизионных модулей.

Модель Детектор Спектральный диапазон, мкм Разрешение детектора/пикселя, мкм Частота кадров, Гц Мощность, Вт Чувствительность (NETD), мК
mIR-640С12S Микроболометр на VOx 8 - 14 640*512/12 30 <2 <40
mIR-640C17S Микроболометр на TiO 8 - 14 640*480/ 17 30 <2 <50
mIR-384C17S Микроболометр на TiO 8 - 14 384*288/ 17 30 <2 <50
mIR-1024М14TS Микроболометр на VOx 8 - 14 1024*768/14 30 2,8 – 3,5 50
АСТРОН-64017 Микроболометр на VOx 8 - 14 640*480/17 25 1,2 <60
АСТРОН-38417 Микроболометр на VOx 8 - 14 384*288/17 25 1,2 <60
Axion Uncooled Микроболометр 8 - 14 640*480 50 - <50

 

 

Устройства этого класса от других фирм обладают похожими характеристиками. Иванов С. Д. и Косцов Э. Г. в работе [1] заключили, что развитие неохлаждаемых тепловизионных модулей на базе микроболометров подошло к своему теоретическому пределу. Наличие паразитной тепловой емкости «зонтика» в конструкции этих устройств снижает эффективность их работы. 

Дальнейшее уменьшение размера пикселя уперлось в необходимость еще большего увеличения теплового сопротивления для получения приемлемого соотношения сигнал/шум.

Кроме того, при увеличении теплового сопротивления увеличивается время формирования кадра, что мешает при наблюдении за быстродвижущимися объектами.

 

 

Заключение

 

Несмотря на озвученные в конце недостатки, неохлаждаемые тепловизионные модули на базе микроболометров успешно справляются с текущими задачами по обеспечению безопасности в активных системах автотранспорта, для наблюдения за местностью и в оптических прицелах.

Низкая по сравнению с охлаждаемыми тепловизорами стоимость, а также меньшие размеры и энергопотребление обеспечили этим устройствам прочную нишу на рынке охранных систем. Спрос на них продолжает расти, особенно за счет военного рынка в США.

В каталоге нашей компании присутствуют как неохлаждаемые тепловизионные модули, так и объективы к ним. В таблице 2 приведены основные позиции и ключевые характеристики.

 

Таблица 2. Неохлаждаемые тепловизионные модули, поставляемые ООО «Лазерные компоненты»

 

Модель Детектор Спектральный диапазон, мкм Разрешение детектора/пикселя, мкм Частота кадров, Гц Мощность, Вт Чувствительность (NETD), мК
F 500/700 Микроболометр на аморфном Si 8 - 14 640х480/17 или 384х288/17 50 или 9 <2,5 <60
Micro II М2640Р Микроболометр на VOx 8 - 14 640×512/12 50 или 30 <1,6 <50
АТОМ 500/700 Микроболометр на аморфном Si 8 - 14 640х480/17 50 или 9 <0,9 <60
М 500/700 Микроболометр на аморфном Si 8 - 14 640х480/17 или 384х288/17 50 или 9 <1,1 <60

 

 

У нас вы можете приобрести как тепловизионные модули с матрицей на базе аморфного кремния, так и на базе оксида ванадия.

Неохлаждаемый тепловизионный модуль Micro II в зависимости от модели оснащается стандартным объективом с фиксированным фокусным расстоянием. Более подробно с возможными вариантами вы можете ознакомиться на странице устройства. Кроме того, он способен выдерживать ударные нагрузки до 80 g, и вибронагрузки более 6 g, что позволяет использовать прибор в сложных эксплуатационных условиях.

Неохлаждаемый тепловизионный модуль Micro II с установленным объективом. Источник фото: lasercomponents.ru

 

 

Усиленной конструкцией обладают все тепловизионные модули из нашего каталога. При необходимости более подробно ознакомиться с их характеристиками переходите на страницу каталога или свяжитесь с нашими специалистами по телефону или электронной почте.

 

 

Источники:

  1. Иванов С. Д., Косцов Э. Г. Тепловые приемники неохлаждаемых многоразмерных тепловизионных матриц. Ч. I. Теплоизолированные элементы. Автометрия, Т. 51, № 6, 2015.
  2. Бородин А.В. Преимущества использования пироэлектрических приемников. Материалы Международной научно-технической конференции, 21-25 ноября 2016.
  3. Сысоева С. Многообразие микросистемных инноваций: новые технологии и игроки. Компоненты и технологии, № 10, 2011.