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