Министерство образования и науки Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ (МИИГА и К)
_____________________________________________________________
УДК 621.384.3
В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКИ
Допущено Учебно-методическим объединением по оптическому и приборостроительному образованию в качестве методического пособия
МОСКВА 2011
В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Современные проблемы инфракрасной техники. - М.: Изд. МИИГА и К, 2011. - 84 с.
Учебное пособие по дисциплине «Современные проблемы оптотехники» магистерской образовательной программы высшего профессионального образования факультета оптико-информационных систем и технологий по направлению 200400.68 – Оптотехника составлено для студентов, изучающих дисциплины «Тепловизионные системы» и «Современные проблемы оптотехники».
Кроме того, часть изложенного материала может быть использована при изучении других дисциплин, входящих в основную образовательную программу.
Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования.
Библиография - 76 наим.
Рецензент: проф., д.т.н. Г.М.Мосягин (МГТУ им. Н.Э.Баумана)
Московский государственный университет геодезии и картографии
СОДЕРЖАНИЕ
1. Классификация, современное состояние и тенденции развития инфракрасных систем (ИКС) …………………………………………………………………………………………….4
2. Основные направления развития ИКС за рубежом ………………………….. ……..11
3. Оптические системы современных ИКС ……………………………………………………15
3.1. Особенности оптических систем ИКС 3-го поколения …………………………….15
3.2. Новые оптические материалы ………………………………………………………. 19
3.3. Панорамные оптические системы …………………………………………………...26
3.4. Примеры оптических систем ИКС 3-го поколения ………………………………...29
4. Фотоприемные матричные устройства …………………………………………………….40
4.1. Фотоприемники на тройных соединениях КРТ ……………………………………41
4.2. Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям …………………………………..45
4.3. Фотоприемники на квантовых точках (ФКТ) ………………………………………49
4.4. Фотоприемники на основе суперрешеток с деформированным слоем типа II ….51
4.5. ФПУ для ближневолнового и коротковолнового ИК-диапазона …………………53
4.6. Перспективные охлаждающие устройства ФПУ …………………………………..54
4.7. Преобразователи ИК сигналов в видимые …………………………………………59
4.8. Неохлаждаемые и комбинированные ФПУ ………………………………………..61
4.9. Оптическое считывание – один из путей совершенствования неохлаждаемых приемников излучения …………………………………………………………………………64
5. Программное обеспечение ИКС 3-го поколения …………………………………………..73
6. Адаптивные ИКС 3-го поколения …………………………………………………………..77
Контрольные вопросы …………………………………………………………….. ……….81
Библиография.. ……………………………………………………......................................82
1. Классификаия, современное состояние и тенденции развития инфракрасных систем
В качестве важнейших областей применения инфракрасных систем (ИКС) можно указать следующие:
- круглосуточная разведка, обнаружение и целеуказание в любую погоду;
- обнаружение минных полей;
- обнаружение противника (живой силы и техники) в условиях интенсивной маскировки и активного противодействия;
- поиск движущихся и неподвижных объектов (целей) на больших площадях и определение их координат;
- целеуказание и передача данных о координатах целей другим системам и операторам, например, в систему наведения высокоточного оружия;
- автоматическое сопровождение движущихся и стационарных целей;
- автоматическая обработка сигналов для выдачи привязанной к карте информации на экран оператора и в систему автоматического обнаружения объектов;
- обнаружение факелов ракет;
- обнаружение и классификация химических, в частности, взрывчатых и отравляющих веществ;
- диагностика заболеваний людей и животных;
- контроль состояния зданий и других сооружений;
- борьба с пожарами и противопожарные мероприятия;
- охранные системы и системы противодействия терроризму;
- системы связи;
- системы управления летательными аппаратами;
- астрофизические исследования
и мн. мн. др.
Такие системы предполагается вводить в состав комплексов, включающих в себя также системы терагерцового и миллиметрового диапазонов, другие радиоканалы.
В ряде случаев выделяют две группы ИКС, к одной из которых относят системы, предназначенные для визуализации инфракрасных изображений (тепловизионные системы), а к другой – системы, служащие для радиометрических измерений, т.е. для измерений температуры объектов, их яркости и других параметров (радиометрические системы).
Иногда предлагается различать четыре подгруппы ИКС [2]:
- системы профессионального телевидения и любительская аппаратура;
- системы технического (машинного) зрения;
- системы для научных исследований;
- ИКС военного назначения.
Системы первой подгруппы должны отвечать ряду требований, предусмотренных стандартами для вещательного телевидения и бытовой аппаратуры. Так, формат кадра (число разрешаемых по горизонтали и по вертикали элементов) должен соответствовать полосе частот, обусловленной телевизионным стандартом. Для получения удовлетворительного изображения достаточно 8 бит (256) уровней передачи яркости – уровней серого. Часто изображение должно быть цветным. Системы должны работать в реальном масштабе времени, а выходным устройством для них является экран системы отображения (дисплей, монитор). Часто для них не требуется очень высокой чувствительности (большого значения отношения сигнал/шум). Иногда они используются в качестве систем второй и третьей групп.
Системы технического зрения используются для определения пространственного положения, формы, параметров движения различных объектов, часто в сложных эксплуатационных условиях (высокая температура, большая влажность и т.д.). Они используются в машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле. Для них, как правило, необязательно следование стандартному телевизионному формату, но требования к пространственному и временнму разрешению могут быть велики, хотя и не всегда. Обычно здесь также достаточно квантование по яркости порядка 8 бит. Иногда важна цветность изображения. Сравнительно невелики здесь требования к пороговой чувствительности системы, так как в большинстве случаев возможна подсветка наблюдаемых объектов. Работа таких ИКС чаще всего происходит в реальном масштабе времени, а срок непрерывной работы может быть весьма велик.
Системы для научных исследований и медицины должны, как правило, обладать высоким пространственным (форматы до 5000х5000 элементов) и энергетическим (до 16 бит) разрешением и иметь малый уровень собственных шумов. К ним часто относят системы для исследования природных ресурсов и экологического мониторинга, хотя их можно отнести и ко второй группе ИКС. Для многих из таких ИКС не обязательна работа в реальном масштабе времени, т.е. выходной сигнал может регистрироваться на носитель в виде фотопленки, магнитной ленты, CD-диска, а не выноситься на экран в процессе работы ИКС.
Системы военного назначения работают, как правило, в реальном масштабе времени, хотя у некоторых из них отображаемая информация переносится на «твердый» носитель. Примерами систем военного назначения являются системы наземной, воздушной и космической разведки, системы обнаружения всевозможных целей (в том числе определение координат пусков ракет), системы управления огнем, системы сопровождения и опознавания целей, головки самонаведения ракет, навигационные системы и др. Они должны обладать высоким пространственным разрешением, обеспечивать высокий контраст в условиях низкой освещенности поля объектов, иметь высокое энергетическое разрешение (до 10…12 бит), малый уровень собственных шумов и высокое быстродействие.
Иногда эту классификацию укрупняют, говоря об ИКС военного или гражданского (коммерческого) применения.
Применение двух- и многодиапазонных матричных фотоприемных устройств (ФПУ), в которых выделение рабочих участков спектра (спектральных диапазонов) осуществляется непосредственно в ФПУ, позволяет упростить оптико-механическую схему таких ИКС (ИКС 3-го поколения) [3], заметно уменьшить их габариты, массу и энергопотребление, увеличить быстродействие. Наряду с такими системами в настоящее время успешно функционируют двух- и многоканальные ИКС, в которых разделение на отдельные спектральные каналы происходит в оптической системе. Иногда к ИКС 3-го поколения относят системы, в которых один из спектральных каналов работает в видимой области спектра, а остальные - в инфракрасной [4].
Большинству ИКС свойственно хорошее энергетическое, пространственное, спектральное и временне разрешение, что позволяет осуществлять автоматическое или полуавтоматическое распознавание и идентификацию различных источников излучения на больших дальностях при наличии помех. В таких системах эффективно используются различия в характере собственного и отраженного оптического излучения разных объектов в различных спектральных диапазонах.
Возможность работать в двух и более спектральных диапазонах позволяет обнаруживать и идентифицировать многие цели в широком диапазоне погодных условий, при задымлении «рабочего» наблюдаемого пространства, при воздействии активных контрмер или помех, используемых противником. В ряде систем один диапазон, например длинноволновый ИК (8…14 мкм), используется преимущественно для обнаружения целей, а другой, например средневолновый (3…5 мкм) – для их идентификации. В отличие от однодиапазонных ИКС двухдиапазонные позволяют одновременно осуществлять дистанционное измерение температуры цели и спектральную ее селекцию. Так, в системах предупреждения ракетных атак противника они могут обнаруживать наличие CO2 и выхлопного факела ракеты, что способствует снижению вероятности ложных тревог.
Разрабатываются ИКС 3-го поколения, работающие как пассивным, так и активным (с подсветкой целей) методом [4]. Инфракрасные системы, работающие пассивным методом, т.е. использующие собственное ИК-излучение наблюдаемых объектов, по сравнению с системами активного типа, использующими искусственно создаваемое облучение наблюдаемого поля или объекта (подсветку), позволяют не только выявить температурные контрасты, но и обеспечить скрытность функционирования аппаратуры. При активном методе работы ИКС, факт облучения поля или объекта легко обнаруживается специальной аппаратурой. Кроме того, ИКС пассивного типа во многих применениях, например в системах охраны и обеспечения безопасности, оказываются менее дорогостоящими, особенно при длительной их эксплуатации.
При пассивном методе работы ИКС выделение рабочих спектральных диапазонов ведется, главным образом, с помощью оптических фильтров, диспергирующих оптических систем и многодиапазонных (многоспектральных) приемников излучения. При активном методе работы такое выделение может быть достигнуто путем использования двух или более источников, облучающих наблюдаемый объект или сцену и имеющих существенно различные спектральные характеристики излучения, например, лазеров с различными рабочими длинами волн.
Отдельным направлением развития ИКС является совершенствование систем активно-пассивного типа, в которых активный канал включает генератор излучения (обычно, лазер), облучающий сцену (обнаруживаемые или наблюдаемые объекты) и работающий, как правило, в ближнем ИК-диапазоне, а в пассивном канале, обычно, в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах, принимается собственное излучение объектов. Часто пассивный канал используется для предварительного обнаружения целей, а активный, обладающий принципиально более высоким пространственным разрешением, - для распознавания и идентификации целей. Кроме того, активный канал используется для локации объектов, что позволяет получать трехмерную информацию в «смотрящем» режиме, т.е. без механического сканирования.
Для многих практических применений ИКС важно получать информацию о наблюдаемой сцене одновременно во всех рабочих спектральных диапазонах, чтобы обеспечить работу системы в динамическом режиме, уменьшить искажения изображений из-за взаимного относительного перемещения ИКС и сцены, устранить влияние быстрых изменений фоноцелевой обстановки, т.е. условий эксплуатации системы, исключить искажения из-за вибраций платформы-носителя ИКС и т.д. и т.п. В отличие от ИКС первых поколений, в которых разделение на узкие рабочие спектральные диапазоны часто осуществлялось с помощью механически сменяемых узкополосных оптических фильтров, располагаемых перед приемником/приемниками излучения, т.е. путем последовательного во времени просмотра сцены в разных спектральных диапазонах, при использовании ИКС 3-го поколения заметно уменьшаются вероятности ложных тревог и увеличивается эффективность работы системы.
Часто в отдельную группу ИКС 3-го поколения выделяют видеоспектрометры с гиперспектральным разрешением – с очень большим числом разрешаемых спектральных диапазонов (десятки и сотни) и достаточно хорошим пространственным разрешением при использовании в их составе ФПУ форматов 320х240, 640х512 и более. Большинство видеоспектрометров, обладающих хорошим быстродействием благодаря отсутствию механического сканирования, а также небольшими габаритами, массой и энергопотреблением, работает в видимом, ближнем и средневолновом ИК-диапазонах.
В современных ИКС 3-го поколения используются последние достижения цифровых методов обработки изображений. Так, нашли практическое применение цифровые системы сложения изображений, образующихся в отдельных рабочих спектральных каналах. При этом проще осуществляется регулировка яркости и выделение отдельных целей, устраняются различия во времени формирования изображений в отдельных каналах, обеспечивается большее угловое поле при независимой работе спектральных каналов. Кроме того, цифровое изображение легче встраивается в общий комплекс наблюдения и управления операциями, например боевыми.
К числу основных задач, стоящих перед разработчиками ИКС в на ближайшие 5…10 лет, относятся:
- разработка методики выбора оптимальных спектральных рабочих диапазонов для систем конкретного назначения;
- определение корреляционных связей между сигналами, получаемыми в различных спектральных диапазонах;
- классификация различных объектов (материалов, покрытий, образований), обнаруживаемых или наблюдаемых с помощью ИКС;
- использование различий в поляризационных характеристиках отдельных объектов и фонов, на которых они наблюдаются;
- совершенствование элементной базы, в частности, создание новых многодиапазонных (многоспектральных) ФПУ высокого пространственного разрешения; оптических систем, работающих в широком спектральном диапазоне; снижение масс-габаритных параметров и энергопотребления; уменьшение стоимости компонентов ИКС и систем в целом и т.д. и т.п.;
- создание адаптивных ИКС 3-го поколения;
- совершенствование методов проектирования и испытаний ИКС, в частности, дальнейшее развитие компьютерного моделирования самих систем и условий их эксплуатации.
Кратко рассмотрим некоторые признаки классификации современных и перспективных ИКС.
Спектральный диапазон, занимаемый приходящим на вход ИКС оптическим сигналом и используемый для получения информации о наблюдаемом объекте или явлении. Инфракрасный диапазон оптического излучения с длинами волн от 0,76 до 1000 мкм часто разделяется на отдельные поддиапазоны. Одно из таких возможных разбиений приводятся в табл. 1.1. Некоторые ИКС работают одновременно в нескольких поддиапазонах.
Таблица 1. Деление инфракрасного диапазона спектра
на поддиапазоны
| Наименование поддиапазона | Длины волн в мкм |
| Ближний ИК Коротковолновый ИК Средневолновый ИК Длинноволновый ИК Дальний ИК | 0,76…1,1 1,1…2,5 3,0…5,0 (2,5…7,0) 8,0…14,0 (8,0…12,0) 15,0…1000 |
Метод работы ИКС. Как и другие оптико-электронные системы, ИКС могут работать по собственному и/или естественному отраженному излучению наблюдаемых или контролируемых объектов (пассивный метод), по искусственно создаваемому с помощью специального источника отраженному или рассеиваемому объектом излучению (активный метод). Примером ИКС первого типа являются «бесподсветочные» системы переднего обзора (forward looking infrared или FLIR – системы), второго – лазерные системы видения (системы с «подсветкой» объекта лазерным излучением ИК диапазона). Иногда различают полуактивный метод, когда используется облучение («подсветка») сравнительно широкого углового поля, в котором находится не один, а несколько или много объектов [1].
Способ анализа наблюдаемого или контролируемого пространства. Обычно анализ исследуемого или контролируемого пространства (поля, плоскости) ведется путем пространственной и пространственно–временнй выборки значений оптического сигнала (яркости, освещенности) в отдельных участках этого пространства, т.е. путем сканирования, хотя известны простейшие ИКС, где сканирование не производится, например, достаточно широкоугольные простейшие системы обнаружения невидимых человеческому глазу излучателей. Сканирование может проводиться в пространстве объектов или в пространстве их изображений и различаться по ряду характерных признаков (траектория сканирования, закон сканирования и ряд других). Различают одноэлементное, параллельное и последовательное сканирование [1]. В последние десятилетия часто говорят об ИКС «смотрящего» типа и о сканирующих ИКС, относя к первым системы, в которых анализ поля производится с помощью аналогов органов зрения живых существ – многоэлементных матричных приемников оптического излучения (в зарубежной литературе FPA – focal plane array), а ко вторым – системы с относительным взаимным перемещением изображения анализируемого поля и одноэлементного, а чаще многоэлементного приемника в виде линейки отдельных чувствительных элементов. Хотя такая терминология представляется не вполне строгой, так как в большинстве случаев и в системах «смотрящего» типа осуществляется не одновременный анализ сигналов, снимаемых со всех элементов матричного приемника, а последовательная по времени пространственная их выборка, порой по достаточно сложному закону, однако она установилась в литературе, и в дальнейшем мы будем её придерживаться.
Способ обработки информации. Первичный оптический сигнал, поступающий на вход ИКС, является обычно аналоговым. Дальнейшая его обработка в ИКС может быть аналоговой, цифровой и смешанной. В последние годы предпочтение отдается цифровой обработке, при которой достигается большая устойчивость сигнала к помеховым воздействиям, обеспечивается лучшее качество системы передачи и воспроизведения изображения.
Тип преобразователя оптического сигнала в электрический, т.е. тип приемника оптического излучения, являющего часто и первичным анализатором изображения. Это один из наиболее существенных признаков классификации ИКС, основанных как на физическом принципе работы приемника излучения, так и на особенностях его конструкции. Здесь различают: электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые по ряду признаков, в том числе и отмеченных выше, относят к нескольким типам или классам; фотоэлектровакуумные передающие телевизионные трубки с накоплением или без накопления сигналов; многоэлементные твердотельные приемники оптического излучения (тепловые и фотонные; охлаждаемые и неохлаждаемые; болометрические, фотодиодные, фоторезисторные и др.). Поскольку сегодня именно приемник – преобразователь оптического сигнала во многом определяет возможности и критерии качества работы ИКС, в том числе и такие важные, как технико-экономические, во многом в соответствии с именно этим признаком классификации будет строиться дальнейшее изложение материала в настоящей книге.
Вид выходного устройства (системы отображения информации). Требуемая конкретным назначением ИКС форма представления выходного сигнала определяет вид системы отображения или, в более общем случае, выходного устройства, которым может быть приемная телевизионная трубка, дисплеи различного типа, наконец, электронно-вычислительная машина (ЭВМ, компьютер). Выбор выходного устройства или системы отображения часто во многом определяется свойствами зрительного аппарата человека– наблюдателя или оператора.
Очевидно, возможно использовать и другие классифицирующие признаки, например, технико-экономические и конструктивные параметры и характеристики ИКС. Например, различают ИКС с системой охлаждения и без таковой, поскольку от наличия или отсутствия системы охлаждения приемника излучения и всего фотоприемного устройства (ФПУ), в которое он входит, заметно зависят важнейшие технико-экономические параметры и характеристики ИКС – габариты и масса, энергопотребление, срок непрерывной работы, время выхода на рабочий режим после включения, наконец, стоимость.
Часто по совокупности отдельных свойств и особенностей ИКС и их отдельных звеньев, в особенности по конструктивным признакам, параметрам и характеристикам, различают системы различных поколений, например, ЭОПы 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений или ИКС в целом 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений (ИКС с одноэлементным приемником излучения и оптико-механическим мультиплексированием выходного сигнала; ИКС с оптико-механическим сканированием, приемником в виде линейки чувствительных элементов и оптико-электронным мультиплексированием выходного сигнала; ИКС «смотрящего» типа с матричным приемником и ИКС «смотрящего» типа с матричным приемником, работающим в нескольких спектральных диапазонах).
Ряд признаков классификации, перечисленных выше, используется на этапах системотехнического и схемотехнического проектирования ИКС; другие – на этапах параметрического анализа и синтеза этих систем. Важно помнить, что классификация является не самоцелью, а одним из средств обобщения системного методологического подхода к созданию новых и модернизации имеющихся систем, использования при этом единых методов расчета, проектирования, исследования и эксплуатации ИКС.
Основные задачи, решаемые с помощью ИКС визуализации. Как уже отмечалось выше, применения ИКС весьма разнообразны. Однако можно выделить ряд типовых задач, решаемых с их помощью. Для ИКС, предназначенных для обнаружения объектов, наблюдения за ними, их распознавания, такими задачами являются.
Обнаружение – установление в процессе просмотра пространства объектов факта наличия определенного объекта в угловом поле ИКС или на экране системы отображения. В литературе встречается термин «чистое обнаружение» (pure detection), обозначающее обнаружение для двухальтернативной ситуации: 1. «что-то присутствует» (в угловом поле или на экране монитора) и 2. «ничего нет». Такая ситуация при ее оценке сводится к дискриминационному обнаружению, при котором делается выбор одного из двух решений:
- наблюдаемый объект есть интересующая нас цель,
- наблюдаемый объект есть что-то другое, например, участок фона или помеха.
Классификация – фиксация того факта, что обнаруженный объект принадлежит некоторому достаточно широкому классу, например, к классу наземной военной техники или к классу летательных аппаратов и т.п.
Распознавание – установление принадлежности объекта к сравнительно узкому классу (типу), например того факта, что объект является не просто объектом военной техники, а танком или автомобилем, самолетом или вертолетом и т.п.
Идентификация – определение конкретного вида (типа) объекта внутри его класса, например модели танка, самолета и т.п.
Иногда совокупность всех этих задач несколько упрощенно называют обнаружением или распознаванием.
Решением всех указанных задач является получение статистических оценок, поскольку работа практически всех ИКС происходит в условиях случайных изменений сигналов, поступающих от обнаруживаемых или распознаваемых объектов, на случайно изменяющихся фонах, при наличии помех и шумов, также описываемых случайными функциями. Поэтому для оценки процессов обнаружения, классификации, распознавания и идентификации применяются вероятности правильного или неверного решения поставленной задачи. Ниже при рассмотрении критериев качества работы ИКС, эти оценки будут отдельно рассмотрены.
Многие современные ИКС одновременно с решением указанных задач или их совокупности предназначены для измерения координат объектов (пеленгации или локации) в статическом и динамическом (следящем) режимах, для целеуказания объектов или других задач. Примером служат инфракрасные системы переднего обзора (FLIR – системы), широко используемые для обзора передней полусферы с борта летательного аппарата.
Во многом успешное решение перечисленных задач зависит от эффективности выделения характерных признаков объекта – спектра его излучения, формы и размеров его изображения, временнго характера излучения, ориентации в пространстве и др., т.е. от выделения параметров и характеристик многомерного оптического сигнала – носителя информации об объекте. Теория распознавания образов, в том числе, оптических сигналов рассматривается в большом числе монографий, учебников, отдельных статей. В настоящей книге основное внимание уделяется практическим приемам выделения признаков оптических сигналов (изображений пространства объектов), реализуемым в отдельных звеньях ИКС.
Подводя итог изложенному выше, можно считать, что основными проблемами развития инфракрасной техники сегодня являются:
- развитие общей теории работы ИКС;
- совершенствование методов проектирования и технологии изготовления ИКС;
- повышение энергетического, пространственного, спектрального и временнго разрешения ИКС;
- расширение спектрального диапазона работы ИКС;
- создание новых оптических материалов и систем;
- совершенствование двумерных (матричных) многоэлементных приемников излучения и схем обработки снимаемых с них сигналов;
- создание новых систем отображения информации, получаемой с помощью ИКС;
- совершенствование систем активно-пассивного типа.
2. Основные направления развития ИКС за рубежом
В настоящее время за рубежом наиболее интенсивно развиваются инфракрасные системы 3-го поколения (ИКС-3), к которым относят системы, работающие в двух или более спектральных диапазонах и имеющие в своем составе матричные фотоприемные устройства (ФПУ). Наряду с, работающими в нескольких участках инфракрасного (ИК) спектра, создаются системы, способные принимать оптические сигналы в ультрафиолетовом (УФ), видимом и ИК диапазонах. Появилось достаточно много систем круглосуточного действия, в которых для работы днем используется канал видимого излучения, а ночью или в условиях плохой видимости – инфракрасный канал. В некоторых системах эти каналы работают одновременно.
Совершенствование ИКС идет, в основном, за счет новых схемотехнических решений и применения новой элементной базы, главным образом, новых оптических систем, ФПУ, систем охлаждения, схем обработки сигналов, систем отображения и др. Ожидается, что объем рынка ИКС, предназначенных только для целей разведывательных, охранных, прицельных, обзорно-поисковых и некоторых других операций, в 2013 г. превысит 46 млрд. долларов США [5]. В 2008 г. рынок ИКС оценивался примерно в 5,8 млрд долларов США и с тех пор вырастал ежегодно примерно на 30%.
Приведем краткий обзор зарубежных публикаций, посвященных некоторым путям совершенствования существующих и создания новых ИКС.
Министерство обороны США предложило для инновационных разработок ряд проектов по созданию новых оптико-электронных систем (ОЭС) и их элементной базы [6]. К ним, в частности относятся:
- создание компактных и облегченных следящих систем, работающих в активном, пассивном и смешанном режиме. В пассивном режиме работы по собственному излучению цели длинноволновая граница спектральной чувствительности гр, которая сегодня равна 10,5 мкм, должна быть доведена до 14 мкм. Кроме того, предлагается разработать двух- и многодиапазонные ОЭС со следующими сочетаниями рабочих спектральных поддиапазонов: средне- и длинноволновый ИК, два длинноволновых ИК и видимый, длинноволновый и дальний длинноволновый ИК, средневолновый и два длинноволновых ИК диапазона;
- разработка многоэлементных крупноформатных ФПУ на базе суперрешеток типа II из полупроводниковых материалов III - IV групп с высокой однородностью пикселов и малыми темновыми токами на больших подложках (диаметром более 6 мм). Форматы однодиапазонных ФПУ должны быть 320 х 256 и до 2000 х 2000, а двухдиапазонных – более 1000 х 1000;
- разработка и изготовление крупноформатных матричных ФПУ с площадью фоточувствительного слоя более 25 см2 для ОЭС дистанционного зондирования из космоса;
- разработка бортовых ОЭС, предназначенных для приема импульсного лазерного излучения в линейном динамическом режиме (режиме счета фотонов) с низким уровнем шумов и имеющих формат 128х128 пикселов и частоту кадров не менее 10 кГц;
- разработка усовершенствованных неохлаждаемых приемников ИК излучения, приближающихся по своим параметрам к фотонным охлаждаемым ФПУ для длинноволнового ИК-диапазона и использующих нанокристаллические перестраиваемые оптические элементы. Нанотехнологии предусматривают получение размеров элементов в 100…1000 раз меньших, чем те, что используются в традиционных современных устройствах. Это должно позволить уменьшить теплоемкость и увеличить теплопроводность пикселов неохлаждаемых приемников. Предполагаемыми материалами являются углеродные нанотрубки, сверхпроводники и другие, имеющие высокие температурные коэффициенты сопротивления.
Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам Армии США (DARPA) начало финансировать в 2009 г. несколько наиболее актуальных направлений в области развития ИК систем (ИКС). К ним относятся:
- разработка систем с разрешением, определяемым частотой Найквиста предназначенных для работы в условиях искажения изображения атмосферой, особенно систем, устанавливаемых на вертолетах. Такие системы должны использовать ФПУ с размерами пикселов 5х5 мкм2, начиная с формата 256 х 256 и до 2000 х 2000, работающие в спектральном диапазоне 0,5…5,0 мкм при температуре охлаждения Tохл=200 К с эквивалентной шуму разностью температур (ЭШРТ) в 20…50 мК при диафрагменном числе объектива K=1 и имеющие удельную обнаружительную способность более 1011 Вт-1·см·Гц1/2;
- разработка схем обработки сигналов в условиях низкого пропускания атмосферы (порядка 1,8%) для распознавания целей на дальностях до 500 м;
- разработка улучшенных схем считывания для ФПУ на основе рифленых структур с квантовыми ямами формата около 2000х2000 с пикселами 15 мкм. Эти схемы считывания и их ячейки должны иметь малые шумы и мощность рассеяния, обеспечивать большой динамический диапазон и емкость хранения зарядов;
- разработка комплекса датчиков, работающего в двух режимах - в дневных и ночных условиях (DUDE – Dual-Mode Detector Ensemble). В комплексе должен быть объединен неохлаждаемый датчик для работы в длинноволновом ИК-диапазоне с форматом 640 х 512 пикселов размером 20 мкм (а впоследствии 1024 х 768 с пикселом 17 мкм) и датчик для работы по отраженному излучению целей в спектральном диапазоне 0,4…1,6 мкм с форматом 640х512 (пикселы размером 20 мкм), 1280 х 1024 (пикселы 10 мкм) и 2048 х 1536 (пикселы 8,5 мкм). Датчик длинноволнового ИК-диапазона должен иметь ЭШРТ порядка 30 мК при диафрагменном числе K=1 и времени накопления не более 12 мс. Датчик видимого и ближневолнового ИК диапазонов должен иметь плотность темнового тока не более 5 нА/см2 при температуре 280 К и квантовую эффективность не менее 80% на граничной пространственной частоте, определяемой дифракционным пределом разрешения. При использовании лазерного целеуказателя (=1,06 мкм) и лазерного дальномера (=1,55 мкм) первые образцы аппаратуры должны обеспечить распознавание человека на расстоянии 1,5 км при использовании объектива с диафрагменным числом 1,39 и угловым полем 10°.
Агенство готово финансировать разработку панорамных объективов с угловым полем 360 х 20 и переменным фокусным расстоянием, т.е. оптических систем, в которых не будет механически перемещаемых крупных компонентов и гиростабилизированных платформ. Такие системы должны иметь небольшие габариты, массу и энергопотребление, по сравнению с традиционными оптико-электронными следящими системами, работать в реальном масштабе времени и обладать хорошим пространственным разрешением. Кроме того, желательно, чтобы эти системы позволяли быстрое изменение величины углового поля (быстрый переход к просмотру какой либо зоны в поле обзора 360).
К другим разработкам, поддерживаемым DARPA, относится начатый в 2005 г. и намеченный к завершению в 2011 г. проект PCAR (Photon Counting Arrays), по созданию усилителя яркости изображения и матричного ФПУ формата 1280х1024 пикселов размером 15 мкм на базе InGaAs (гр=1,7 мкм), предназначенного для систем высокого разрешения, работающих при низкой освещенности сцены в режиме счета фотонов при очень низком уровне фона (при шуме схемы считывания зарядов менее 8,5 электронов).
Военно-морской флот США является заказчиком разработки комплексированных датчиков с различными динамическим диапазоном принимаемых сигналов, пространственным разрешением и частотой кадров. Оптические системы этих датчиков должны исключать возможный параллакс совмещенных оптических осей. Комплекс датчиков должен быть малозаметным и работать в реальном масштабе времени.
Военно-воздушные силы (ВВС) США нуждаются в очень компактных высокоэффективных лидарах, а также в ОЭС, работающих в видимом и всех ИК-диапазонах – от ближнего до длинноволнового. Хотя бортовые ИКС, работающие в средневолновом ИК-диапазоне и использующие ФПУ формата 2000х2000 пикселов, обеспечивают хорошее качество изображения, необходимо с их помощью различать не только целиком многие наземные цели, но и детали этих объектов, т.е. ФПУ должны обладать субпиксельным разрешением при низком контрасте целей на зашумленных («пестрых») фонах. Необходимы и новые алгоритмы автоматического обнаружения и распознавания целей.
ВВС США заинтересованы в создании новых оптических материалов для защитных стекол и обтекателей одно- и многодиапазонных оптических систем, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях.
Ведущие компании США и других стран активно подключились к реализации перечисленных выше проектов, причем для изготовления чувствительного слоя ФПУ используются как традиционные материалы (тройные соединения «кадмий-ртуть-теллур» - КРТ, структуры с квантовыми ямами - СКЯ, структуры на базе InGaAs), так и структуры с квантовыми точками или на основе суперрешеток типа II, которые еще совсем недавно находились на стадии лабораторных исследований.
Как известно, уменьшение размеров пикселов ФПУ до пределов близких к дифракционному разрешению позволяет увеличить формат ФПУ и повысить его геометрооптическое разрешение. Исследования, проведенные Директоратом ночного видения и электронных датчиков Армии США (NVESD), а также рядом ведущих фирм, показывают, что с точки зрения современных требований к оптическому (геометрооптическому) и энергетическому разрешению, а также оптимизации конструкции оптической системы и ФПУ, снижения их стоимости, габаритов и энергопотребления целесообразно создавать ФПУ с пикселами размером порядка 12…15 мкм. При этом возможное уменьшение площади подложки ФПУ снижает его стоимость и позволяет уменьшить объем дьюара системы охлаждения, а следовательно, и энергопотребление этой системы. Однако при этом следует учитывать возможное возрастание ЭШРТ за счет насыщения ячеек схемы накопления и считывания зарядов. В разработках ведущих фирм явно прослеживается стремление создать ФПУ с размерами пикселов порядка 15…16 мкм и менее.
В качестве примера планируемых перспективных разработок ИКС 3-го поколения можно указать программу, реализуемую в США «Много- и гиперспектральные космические датчики космического базирования» [7]. Важнейшими требованиями к этим датчикам являются:
- космический оптический датчик (система) должен иметь мгновенное угловое поле менее 200 мрад и пространственное разрешение на подстилающей поверхности лучше 5 м в нескольких рабочих спектральных диапазонах;
- программное обеспечение космического оптического датчика (системы) должно соответствовать алгоритмам обработки много- и гиперспектральной информации, обеспечивать корреляцию данных, получаемых в автономных спектральных каналах системы, автоматически проводить спектрозональное картографирование в целях обороны, разведки и т.п.;
- наземные станции должны получать, обрабатывать и использовать информацию, принимаемую от космической системы в виде много- и гиперспектральных данных, практически в реальном или близком к нему масштабе времени, что важно для военных применений.
Другим примером является развитие многодиапазонной адаптивной сетевой тактической системы наблюдения MANTIS (Multispectral Adaptive Networked Tactical Imaging System), разработанной компанией Raytheon по программе Агенства перспективных оборонных исследований и проектов США (DARPA), которая сегодня работает в видимом и трех ИК-рабочих диапазонах [8].
Компания Lockheed Martin Mussiles and Fire Control выиграла в 2010 г. тендер на разработку для DARPA инфракрасной самолетной системы разведки и обнаружения целей на поверхности Земли с разрешением на местности 30 см. Система по назначению аналогична аппаратуре MTS – Multispectral Targeting System, устанавливаемой на беспилотных носителях и использующей ФПУ формата от 640 х 480 до 2000 х 2000. Новая система (ARGUS-IR – Autonomus Real-time Ground Ubiquitons Surveillince – Infrared) имеет гораздо большее поле обзора при сохранении высокого пространственного разрешения. Несколько ФПУ объединяются и помещаются на стабилизированную платформу. Сигналы с ФПУ обрабатываются и «сжимаются» в 8 или 16 раз для ФПУ формата 640 х 480 в бортовой системе обработки данных, а затем пересылаются на наземный пункт их обработки. После всех этапов обработки сигналов частота просматриваемых кадров составляет 5 Гц. Ожидается, что ЭШРТ ФПУ системы ARGUS-IR будет менее 80 мК. Блок, включающий оптическую систему, ФПУ, платформу и общий корпус, будет иметь массу около 240 кг и потреблять мощность в 1 кВт, а процессор для обработки данных – 54 кг и 1кВт, соответственно. Программа создания системы ARGUS-IR рассчитана на несколько лет. Первые два этапа, занимающие 1,5 года каждый, завершаются разработкой оптической системы и ФПУ с электронным блоком. На втором этапе предусмотрены летные испытания с борта вертолета, по результатам которых принимаются решения о возможном уменьшении размеров пикселов ФПУ. На третьем этапе проводятся летные испытания, по результатам которых может быть проведена коррекция конструкции ФПУ с целью получения высокого разрешения (2500х2000 пикселов). Одновременно разрабатывается система для работы в видимом спектральном диапазоне - ARGUS-IS.
В 2012 г. по программе Landsat ожидается запуск на космическую орбиту аппаратуры TIRS (Thermal Infared Sensor), который будет работать в двух спектральных полосах шириной около 1 мкм с центрами на 10,8 и 12,0 мкм. Аппаратура предназначена для продолжения исследований земной поверхности и облачного покрова, сельскохозяйственного мониторинга, картографирования источников тепловых выбросов в атмосферу, загрязнений атмосферы и окружающей среды, состояния водных поверхностей и многого многого другого. Другая аппаратура, также устанавливаемая на борту космического летательного аппарата, продолжающего функции Landsat, будет работать в нескольких спектральных полосах внутри видимого и ближнего ИК-диапазонов (от 0,433 до 1,39 мкм).
Компания BAE Systems в 2009 г. заключила контракт на разработку и поставку армии США 10000 экземпляров ручного лазерного локатора целей (LTLM), в котором совмещены тепловизор на микроболометре формата 640 х 480 пикселов размером 17 мкм, лазерный дальномер, цифровой компас и GPS-приемник. Локатор способен распознавать объекты военной техники па расстоянии 4,2 км днем и 0,9 км в полной темноте.
3. Оптические системы ИКС 3-го поколения
3.1. Особенности оптических систем ИКС 3-го поколения
Если в большинстве ИКС 1-го поколения со сканированием апертурная диафрагма находилась вблизи сканирующего зеркала, а чувствительность ограничивалась излучением фона, попадавшим на ФПУ, то в ИКС 2-го поколения появилась охлаждаемая диафрагма – экран, существенно ограничивающий фоновый поток (рис.3.1). Изображение охлаждаемой диафрагмы переносится на входной зрачок, с которым совмещается сканирующее зеркало, что минимизирует вредное излучение оптических деталей, попадающее на ФПУ. При этом диафрагменное число остается постоянным для всего поля обзора.
Рис.3.1. Примеры оптических систем ИКС 1-го (а) и 2-го (б) поколений: 1 – приемник излучения, 2 – охлаждаемая диафрагма
Ряд ИКС 3-го поколения работают в средневолновом и в длинноволновом ИК-диапазонах одновременно. Длинноволновый диапазон применяется для поиска и обнаружения целей, а средневолновый, обладающий лучшим пространственным разрешением, используется для их распознавания и идентификации. В спектральном канале (диапазоне), принимающем более длинноволновое излучение, обычно используется более широкое угловое поле, нежели в канале, предназначенном для приема излучения с меньшими длинами волн и часто работающем в активном режиме (в видимом или ближневолновом ИК-диапазоне).
Применение линзовых объективов в ИКС-3, работающих в двух и более спектральных диапазонах, ведет к усложнению хроматической коррекции, проблеме выбора надлежащих оптических материалов линз и их антиотражающих (просветляющих) покрытий. Увеличение числа линз, связанное с усложнением аберрационной коррекции в двух или нескольких спектральных диапазонах, а не в одном, как это свойственно ИКС 1-го и 2-го поколений, уменьшает пропускание оптической системы, увеличивает ее массу габариты и стоимость. При этом усложняется юстировка всей системы.
Использование зеркальных и зеркально-линзовых объективов позволяет иметь единый входной зрачок при работе в различных спектральных диапазонах, включая и видимый. Это позволяет избежать применения нескольких апертурных диафрагм. Иногда для работы в ИК-диапазоне в качестве зеркальных объективов применяют трехзеркальные анастигматы, т.е. афокальные внеосевые зеркала, не затеняющие зрачок. Благодаря этому не происходит ухудшения функции передачи модуляции (ФПМ). Пример оптической системы подобного типа приведен на рис.3.2 [9].
Рис.3.2. Пример оптической системы ИКС 3-го поколения: 1 – входное окно, 2 – анастигматическая афокальная система, 3 – светоделитель, 4 – двухдиапазонный матричный фотоприемник
При использовании в ИКС охлаждаемого приемника очень часто приходится устанавливать охлаждаемую диафрагму перед его чувствительной площадкой, т.е. внутри дьюара. Это следует учитывать при выборе и расчете оптической схемы. Так, приходится применять схему с переносом плоскости изображения из фокальной плоскости приемного объектива, что приводит к вводу дополнительных компонентов и усложнению конструкции оптической системы.
Специфичным для многих оптических систем ИКС 3-го поколения является изменение величины их углового поля. Оптимальной оптической системой является такая, в которой каждому значению изменяющегося углового поля соответствует свое диафрагменное число при постоянстве диаметра входного зрачка объектива, т.е. система с переменным фокусным расстоянием объектива. В таких ИКС, работающих с охлаждаемой диафрагмой, для сохранения эффективности последней необходимо изменять диаметр диафрагмы, являющейся апертурной и располагаемой внутри охлаждаемого объема (дьюара). Это заметно усложняет конструкцию всей системы.
Такая специфика свойственна, например, оптическим системам обзорно-прицельных приборов легкого стрелкового вооружения, работающим одновременно в ближнем (коротковолновом) и длинноволновом ИК-диапазонах. Стремление уменьшить их размеры и массу приводит к необходимости уменьшать число оптических компонентов. В дополнение к требованию к объективам таких приборов иметь хорошее пропускание в широком спектральном диапазоне в случае использования в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне неохлаждаемого ФПУ, чаще всего микроболометра, добавляются дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с охлаждаемыми фотонными ФПУ, чувствительности неохлаждаемых ФПУ требуется применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными отверстиями D/f' (малыми диафрагменными числами K= f'/D), состоящие из небольшого числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Например, в лазерном целеуказателе-дальномере, построенном на базе микроболометра, с целью компенсации потерь потока в передающей части оптической системы и на трассе его распространения входной зрачок приемной части системы целесообразно, по возможности, увеличивать. Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов чувствительного слоя микроболометров и увеличения их числа (увеличение формата), качество изображения, создаваемого объективами таких приборов, должно быть достаточно высоким.
Для длинноволнового канала ИКС, работающих с неохлаждаемыми приемниками излучения, часто используются асферические и дифракционные поверхности. Однако, если этот же оптический канал используется для передачи и приема лазерного пучка в ближневолновом ИК диапазоне, например на безопасной для глаза длине волны 1,55 мкм, то возникает ряд трудностей. Например, использование линз с асферическими и дифракционными поверхностями может затруднить формирование лазерного пучка с требуемой для работы целеуказателя – дальномера расходимостью. Использование дифракционных элементов в оптических системах ИКС- 3 часто затруднено, так как они обычно позволяют улучшить качество изображения только в одном, сравнительно узком спектральном диапазоне.
Следует особенно тщательно подбирать материалы светоделительных и просветляющих покрытий отдельных оптических компонентов ИКС, работающих активно-пассивным методом. Эти покрытия должны быть достаточно стойкими к лазерному излучению и в то же время хорошо пропускать длинноволновое ИК излучение. Светоделительный компонент, используемый для разделения спектральных каналов и в приемо-передающей лазерной оптической системе, должен располагаться перед компонентами, формирующими изображение в тепловизионном (длинноволновом ИК) канале.
Иногда для обеспечения хорошего качества тепловизионного изображения используются системы с управляемой (активной) фокусировкой.
Для ИКС 3-го поколения для наблюдения полей (сцен) большого размера все чаще требуются ФПУ с большими размерами матрицы и малыми размерами пикселов, например, ФПУ формата 1280х720 с пикселами порядка 20 мкм. Эффективное использование двухдиапазонных ИКС с такими ФПУ предусматривает возможность работы как в одном, так и в двух спектральных диапазонах в сочетании с объективами переменного увеличения, обладающими достаточно большими диафрагменными числами (порядка 6). При использовании охлаждаемых ФПУ необходимо, чтобы диафрагменное число дьюара могло изменяться в зависимости от выбранного режима работы ИКС, т.е. внутрь охлаждаемого объема желательно помещать диафрагму с переменной апертурой, обеспечивающую почти идеальную эффективность «холодного экранирования», и при этом сохранять неизменным размер входного зрачка объектива.
Примеры объективов таких систем с переменным диафрагменным числом К (К=3 и К=6) приведены в [10]. Переменный диаметр охлаждаемой диафрагмы приводит к масштабированию входного зрачка, поскольку он является изображением охлаждаемой диафрагмы в обратном ходе лучей. Поэтому система с двойным полем обзора (5ох6,6о и 10,4ох13,8о) сохраняет постоянным диаметр входного зрачка (17,5 мм) несмотря на различие в два раза фокусного расстояния объектива. Размер чувствительного слоя ФПУ остается постоянным. В [11] приводится пример системы с четырьмя величинами поля обзора (от 0,9ох1,2о до 10,4ох13,8о). Конструкция этой системы, в которой используются два афокальных элемента, достаточно сложна.
Важно отметить, что с увеличением форматов (1280 х 960, 1024 х 1024 и т.д.) чувствительного слоя ФПУ труднее обеспечить требуемую высокую точность оптической и механической сборки и юстировки, чтобы устранить различие в поворотах изображений и согласовать положения оптических осей различных спектральных каналов.
Для ФПУ очень больших форматов (1280 х 960, 1920 х 1080, 2000 х 2000 и др.) необходимо иметь объективы с малой дисторсией, чтобы избежать применения специальных программных алгоритмов компенсации дисторсии.
Для качественной стабилизации и согласования пикселов при смешении изображений, получаемых в разных каналах системы, и при автоматическом распознавании целей необходимо оптимальное сочетание оптической, механической и электронной юстировок.
Только одними оптико-механическими способами трудно выполнить юстировку положения оптической оси и увеличения оптических систем. Так, сложно обеспечить допуск на увеличение менее 3% из-за жестких требований к допускам на конструктивные элементы оптических систем, например, к величинам температурного коэффициента показателя преломления 
линз и величинам коэффициентов температурного расширения их оправ. Погрешность увеличения может быть эквивалентной нескольким пикселам. Она может быть ослаблена путем калибровки и исследований объектива и всей системы, но этот путь очень дорогостоящий.
Использование электромеханических схем для частичной фокусировки путем шагового изменения фокусного расстояния в целях согласования увеличения отдельных каналов ИКС позволяет провести балансировку увеличения двух изображений с допуском менее 1%.
Электронные способы регулировки увеличения могут быть эффективными для юстировки системы. Часто используют простые интерполяционные методы, например, билинейную интерполяцию, или ручные способы регулировки переменного увеличения. Используемые при этом многофазные фильтры с выборкой обычно предусматривают очень хорошее качество изображения. Современные интегральные схемы (чипы) обеспечивают до 128 фазовых шагов, что обеспечивает согласование увеличения с погрешностью лучше, чем 0,8%. Фиксированные установки переменного увеличения, определяемые в процессе калибровки системы, могут быть использованы для грубого согласования увеличений в разных каналах системы. Для изменения увеличения при вариациях температуры разрабатываются методы автоматической юстировки.
Программные методы не являются панацеей при проектировании систем с очень большими форматами ФПУ. Электронными средствами возможно достичь согласования оптических осей и ФПУ для разных спектральных каналов системы с допуском в один пиксел относительно положения оптических осей. Однако, современные технологии управления увеличением могут приводить к исключению части изображения на краях углового поля, составляющей несколько пикселов. Например, размер изображения объекта в середине углового поля, которому соответствует формат ФПУ 1000 х1000 пикселов, может оказаться на 8 пикселов большим, чем тот же размер, получаемый в другом канале с недостатком увеличения на 3%.
Это же ограничение имеет место при электронной коррекции дисторсии. Такие методы обработки информации хороши при калибровке систем и использовании интерполяционных фильтров. Сегодня для улучшения согласования пикселов отдельных спектральных каналов многодиапазонной системы требуется сложная калибровка с использованием десятков опорных точек и коррекции с высокой степенью точности.
Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно отметить, что при проектировании оптических систем ИКС 3-го поколения целесообразно:
- выбирать диафрагменное число К в соответствии с размерами чувствительного слоя ФПУ и охлаждаемой диафрагмы, а также их расположением;
- выбирать механизм фокусировки с учетом точности его осевого перемещения, так чтобы изображение сохраняло свое расположение на чувствительном слое ФПУ при перефокусировке;
- применять объективы с малой дисторсией, чтобы уменьшить необходимость использовать сложные алгоритмы программной компенсации дисторсии и сложную калибровку (дисторсия менее 0,2% достижима для современных объективов);
- использовать механическую юстировку камер для исключения различия в поворотах изображений (достижима угловая регистрация поворота с допуском менее 1 мрад);
- применять механические, электронные и программные способы для точной юстировки положения оптических осей, например, если невозможно согласовать точно положение центров пикселов ФПУ двух или более раздельных каналов ИКС.
3.2. Оптические материалы
Если для видимого диапазона номенклатура оптических материалов, применяемых для изготовления линзовых компонентов, содержит сотни разновидностей, то, к сожалению, для ИК-диапазона она существенно меньше. Тем не менее количество материалов, используемых в ИК-диапазоне, непрерывно растет.
Материалы, используемые для создания оптических систем ИКС 3-го поколения, должны иметь широкую полосу пропускания излучения; высокую однородность и прозрачность; стойкость к внешним воздействиям; высокую механическую прочность; малый температурный коэффициент расширения и малый температурный коэффициент показателя преломления, обеспечивающий пассивную атермализацию [1].
Следует отметить, что приводимые в публикациях различных фирм параметры и характеристики материалов, использующих, казалось бы, одни и те же соединения, различаются порой весьма значительно. В качестве примера можно привести ряд, данных, заимствованных из различных источников (табл.3.1 - 3.4, рис.3.3).
Наиболее распространенные материалы иногда имеют различие в показателях преломления в пределах от 1,4 до 4,0, а в дисперсии – от 20 до 1000. Такой большой разброс значений этих параметров вынуждает уже на самых первых этапах проектирования тщательно выбирать оптический материал с учетом ряда эксплуатационных требований.
Таблица 3.1. Показатели преломления, числа Аббе и частные дисперсии ряда оптических материалов, прозрачных в ближнем (1,0…2,0) и средневолновом (3,5…5,0 мкм) ИК-диапазонах
| Материал | Средний показатель преломления | Число Аббе V | Частная дисперсия Р | |||||
| 1,0…2,0 мкм | 3,5…5,0 мкм | 1,0…2,0 мкм | 3,5…5,0 мкм | 1,0…5,0 мкм | 1,0…2,0 мкм | 3,5…5,0 мкм | 1,0…5,0 мкм | |
| СdTe | 2.7361 | 2.6883 | 24.1925 | 165.1665 | 13.6386 | 0.3417 | 0.3605 | 0.0823 |
| KrS-5 | 2.4077 | 2.382 | 36.9464 | 232.2394 | 20.866 | 0.3418 | 0.3792 | 0.0896 |
| AgCl | 2.0106 | 2 | 85.6543 | 205.9362 | 40.3552 | 0.3512 | 0.4919 | 0.1955 |
| CsL | 1.749 | 1.743 | 91.7861 | 464.1561 | 50.2442 | 0.3495 | 0.4078 | 0.1081 |
| CsBr | 1.6725 | 1.6681 | 125.0137 | 409.921 | 63.317 | 0.3522 | 0.4625 | 0.1543 |
| KBr | 1.5392 | 1.5347 | 118.8285 | 221.1944 | 51.7953 | 0.3551 | 0.5057 | 0.2336 |
| NaCl | 1.5282 | 1.5217 | 140.5634 | 97.5772 | 39.7368 | 0.3711 | 0.5441 | 0.4053 |
| KCl | 1.4765 | 1.472 | 152.7634 | 145.7849 | 51.0416 | 0.3634 | 0.5359 | 0.349 |
| LiF | 1.3832 | 1.3493 | 97.4855 | 8.7576 | 6.0551 | 0.4994 | 0.569 | 0.659 |
| MgF2 | 1.3708 | 1.3488 | 133.4265 | 13.4663 | 9.1029 | 0.4851 | 0.5709 | 0.6551 |
Таблица 3.2. Основные параметры германия и сульфида цинка
___________________________________________________________________________
Наименование материала Ge ZnS
Спектральный диапазон прозрачности, мкм 1,8…16 4…12
Показатель преломления на длине волны 10 мкм 4,003 2,199
Дисперсия Аббе в полосе 8…12 мкм 942 23
Коэффициент теплового расширения, К-1 6,1х10-6 7,0 х 10-6
Температурный коэффициент показателя преломления dn/dt, К-1 40х10-5 4,1 х 10-5
Модуль Юнга, ГПа 100 75
Модуль прочности на разрыв, ГПа 72 60
__________________________________________________________________________
Таблица 3.3. Параметры халькогенидных стекол, производимых компанией AMI
| Материал | AMTIR-1 | AMTIR-2 | AMTIR-3 | AMTIR-4 | AMTIR-5 | AMTIR-6 | C1 |
| Состав | Ge-As-Se | As-Se | Ge-Sb-Se | As-Se | As-Se | As-S | As-Se-Te |
| Спектральный диапазон пропускания, мкм | 0,7…12,0 | 1…14 | 1…12 | 1…12 | 1…12 | 0,6…8,0 | 1,2…14,0 |
| Показатель преломления на =10 мкм | 2,4981 | 2,7613 | 2,6027 | 2,6431 | 2,7398 | 2,3807 | 2,8051 |
| Температурный коэффициент показателя преломления (10-6) на =10 мкм | 72 | 5 | 91 | -23 | <1 | <1 (=5 мкм) | 31 |
| Твердость по Кнупу | 170 | 110 | 150 | 84 | 87 | 109 | 110 |
| Коэффициент температурного расширения (10-6), К-1 | 12 | 22,4 | 14 | 27 | 23,7 | 21,6 | 23 |
| Теплопроводность, кал·(г·с·К)-110-4 | 6 | 5,3 | 5,3 | 5,3 | 5,7 | 8,0 | 5,2 |
| Теплоемкость, кал·(г·К)-1 | 0,072 | 0,068 | 0,066 | 0,086 | 0,076 | 0,081 | 0,062 |
| Плотность, г·см-3 | 4,4 | 4,66 | 4,67 | 4,49 | 4,51 | 3,2 | 4,69 |
| Прочность на разрыв, Па | 2700 | 2500 | 2500 | 2358 | 2400 | 2400 | 2500 |
| Модуль Юнга (10-6), Па | 3,2 | 5,6 | 3,1 | 2,2 | 2,56 | 2,3 | 1,8 |
| Модуль сдвига (10-6), Па | 1,3 | 1,03 | 1,2 | 0,85 | 1,01 | 0,94 | 1,03 |
| Отношение Пуассона | 0,27 | 0,29 | 0,26 | 0,297 | 0,279 | 0,24 | 0,29 |
| Температура размягчения, °С | 405 | 188 | 295 | 131 | 170 | 210 | 154 |
| Температура фазового перехода, °С | 368 | 167 | 278 | 103 | 143 | 187 | 133 |
| Максимальная температура использования, °С | 300 | 150 | 250 | 90 | 130 | 150 | 120 |
| Дисперсия в диапазоне 3…5 мкм | 202 | 171 | 159 | 186 | 175 | 155 | 148 |
| Дисперсия в диапазоне 8…12 мкм | 109 | 149 | 110 | 235 | 172 | - | 196 |
Таблица 3.4. Параметры оптических материалов, производимых компанией MEMS Optical Inc. [12]
| Параметр | Ge | Si | As40Se60 |
| Плотность, г·см-3 | 5,327 | 2,329 | 4,63 |
| Коэффициент температурного расширения (10-6), К-1 | 5,7 | 2,62 | 20,7 |
| Теплоемкость, Дж·ГК-1 | 0,3230 | 0,7139 | 0,36 |
| Теплопроводность, Вт·мК-1 | 59,9 | 140 | 0,24 |
| Модуль Юнга, ГПа | 132 | 162 | 18,3 |
| Модуль сдвига, ГПа | 54,8 | 66,2 | 8,0 |
| Показатель преломления на =3 мкм | 4,0445 | 3,4323 | 2,8014 |
| Показатель преломления на =10 мкм | 4,0044 | 3,4178 | 2,7775 |
| Температурный коэффициент показателя преломления, dn/dT·10-6 К-1 | 416 (=5 мкм) 401 (=20 мкм) | 159 (=5 мкм) 157 (=10 мкм) | 35 (=3,4 мкм) 41 (=10,6 мкм) |
| Температура фазового перехода, °С | - | - | 185 |
