Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тепловизионные системы как средство наблюдения и контроля за окружающей средой. Моделирование тепловизионных систем как средство оптимизации их расчета и проектирования - современное состояние вопроса 17
1.1 Тепловизионные системы как средство наблюдения и контроля за окружающей средой - структура и классификация 17
1.2 Фотоприемные устройства тепловизионных систем 22
1.3 Появление погрешностей наблюдения, связанных с разбросом сигналов в каналах тепловизионных систем 26
1.4 Моделирование тепловизионных систем как средство оптимизации их расчета и проектирования (современное состояние вопроса) 29
1.5 Постановка задачи 46
Глава 2 Основные виды неоднородностей в каналах приемно-регистрирующего тракта и их влияние на параметры тепловизионных систем 48
2.1 Анализ факторов, влияющих на появление разброса сигналов в каналах тепловизионной системы 48
2.2 Оценка величины сигнала на входе канала 55
2.3 Прохождение сигнала через канал тепловизионной системы 60
2.4 Особенности вычисления поправок для калибровка каналов 64
2.5 Эквивалентная шуму разности температур и дальность действия аппаратуры 66
2.6 Средства реализации вычисления разброса сигналов в каналах 72
2.7 Выводы 77
Глава 3 Сравнение результатов теоретических исследований с результатами, полученными экспериментально 78
3.1 Сравнение расчетных и практических характеристик тепловизионной системы 78
3.2 Зависимость температурно-частотной характеристики и температуры эквивалентной шуму тепловизионной системы от разброса сигналов в каналах 92
3.3 Выводы 97
Глава 4 Влияние конструктивных особенностей оптико-электронного тракта на дальность действия тепловизионной системы 98
4.1 Влияние шероховатости элементов оптической системы на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения 100
4.2 Влияние разброса чувствительности и обнаружительной способности элементов фотоприемника 102
4.3 Появление отдельных каналов с обнаружительной способность много меньше среднего значения 112
4.4 Влияние разброса на дальность тепловизионной системы 119
4.5 Выводы 122
Заключение 124
Список литературы
- Фотоприемные устройства тепловизионных систем
- Оценка величины сигнала на входе канала
- Зависимость температурно-частотной характеристики и температуры эквивалентной шуму тепловизионной системы от разброса сигналов в каналах
- Влияние разброса чувствительности и обнаружительной способности элементов фотоприемника
Введение к работе
В настоящее время в мире проводятся исследования по совершенствованию методов и средств неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, а также разработка устройств для создания систем наблюдения и контроля указанных объектов. Одно из важнейших направлений этих исследований - разработка систем, воспринимающих сигналы в инфракрасной области спектра. Так, например, при мониторинге земной поверхности, тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, что позволяет решить целый ряд задач по обнаружению природных ресурсов, контролю за состоянием различных инженерных сооружений, исследованию состояния земной поверхности, водной среды, атмосферы и т. д. Одним из наиболее эффективных технических средств для решения задач, связанных с наблюдением объектов в инфракрасной области спектра, являются тепловизионные системы [1-8].
Существенный рост возможностей тепловизионных систем обусловлен переходом от систем первого поколения (с инфракрасными фотоприемниками, имеющими незначительное число чувствительных элементов и сканированием фотоприемником наблюдаемой картины в двух направлениях) к тепловизионным системам второго поколения (с матричными фотоприемниками в виде линейных матриц элементов и сканированием линейкой элементов только в одном направлении; при этом каждый элемент линейки формирует одну строку телевизионного кадра) [9-15]. Достоинством тепловизионных систем второго поколения является отработанность технологии, возможность разрешения объектов с высокими пространственными частотами и сравнительно невысокая стоимость конечного изделия [16].
Основные погрешности наблюдения исследуемых объектов с помощью тепловизионных систем на основе матричных фотоприемных устройств сегодня связаны с появлением неоднородности уровня сигналов на выходе каналов системы при равномерной облученности матрицы фотоприемника. Под каналом будем понимать участок приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов. Поскольку в тепловизионных системах второго поколения производится сканирование наблюдаемой картины линейкой элементов, неоднородность каналов приводит к появлению в устройстве отдельных строк с яркостью существенно выше или ниже яркости основного изображения или строк, отсутствующих в наблюдаемой тепловой картине. В ряде работ это явление получило название «геометрического шума» [17-22].
Основными причинами возникновения неоднородности уровня сигналов в каналах являются различие параметров элементов матрицы относительно друг друга. Именно поэтому в ряде литературных источников принято говорить о геометрическом шуме фотоприемных устройств. Причем в обозримом будущем не представляется возможным создать матричный фотоприемник, в котором неоднородность параметров элементов будет устранена полностью. Развитие технологий изготовления фотоприемников позволит в дальнейшем лишь снизить разброс параметров элементов и, следовательно, сигналов в каналах [19, 23]. Создание аналоговых усилителей с абсолютно идентичными характеристиками в обозримом будущем также не представляется возможным.
В последнее время для оптимизации расчета и проектирования тепловизионных систем используется множество математических моделей, которые дают возможность с требуемой точностью определить ряд характеристик этих систем. Общей особенностью существующих моделей является то, что все они предлагают на этапе разработки задавать допустимый разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы. Допустимый разброс определяется исходя из величины эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы, при которой система в состоянии выполнить поставленные задачи. При этом считается, что допустимый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов матрицы фотоприемника.
Однако, как показывают появившиеся в последнее время публикации, например [24-26], для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, появляющийся из-за влияния геометрического шума фотоприемных устройств разброс сигналов в каналах может оказать существенное влияние на разброс сигналов на характеристики тепловизионных систем. Следовательно, использование методик, не учитывающих геометрический шум фотоприемных устройств, может привести к существенным расхождениям между расчетными и практическими характеристиками систем. Поэтому, с учетом вышесказанного, задача повышения достоверности расчета при проектировании тепловизионной системы остается на сегодняшний день1 актуальной.
Таким образом, с учетом вышесказанного, целью настоящей работы является повышение достоверности расчетов при проектировании тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств.
Для достижения поставленных целей в работе были определены и решены следующие задачи:
1. Анализ факторов, влияющих на разброс сигналов на выходе каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.
2. Разработка математической модели канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионнои системы, позволяющей на этапе проектирования учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемника с учетом параметров канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионнои системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионнои системы.
3. Исследование с помощью разработанной модели влияния геометрического шума матричного фотоприемника на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионнои системы и оценка допустимых значений параметров матричных фотоприемных устройств, выполнение которых позволит реализовать требуемые характеристики тепловизионнои системы
4. Разработка критериев оценки для проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения.
Научная новизна работы заключается в то, что:
- разработана математическая модель канала приємно- регистрирующего тракта тепловизионнои системы, позволяющая учесть влияние разброса параметров элементов матрицы фотоприемного устройства на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионнои системы при различных алгоритмах калибровки каналов;
- предложен метод, позволяющий на этапе конструирования оценить уровень геометрического шума в тепловизионнои системе;
- выявлено, что выравнивание разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионнои системы. Определено минимальное отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионнои системы, необходимое для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов;
- выявлено, что в тепловизионных системах с матричным фотоприемным устройством, работающих при низких отношениях сигнал/шум, разброс обнаружительной способности в элементах матрицы влияет на достижение минимального разброса на выходе каналов сильнее, чем разброс чувствительности этих элементов;
- показано, что величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента матричного фотоприемного устройства, по которой канал признается неработоспособным в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно;
- сформулированы требования к качеству изготовления поверхностей оптических систем, необходимые для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
- определен диапазон допустимых значений исходного разброса параметров матричного фотоприемного устройства, при которых тепловизионная система обеспечивает требуемые характеристики и разработана методика проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения, что в свою очередь позволит избежать излишних затрат на экспериментальную проверку пригодности конкретного фотоприемника для проектируемой тепловизионной системы;
определено, что для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов на выходе каналов по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум в приемно регистрирующем тракте тепловизионной системы не менее величины 5-7;
- определены требования к разбросу параметров элементов матричных фотоприемных устройств; показано, что при разбросе чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-17% и разбросе обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-20% остаточный после выравнивания разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы превышает допустимую величину;
- показано, что если величина минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента дефектного канала более чем на 15-20%о превышает величину разброса элемента канала с наименьшей обнаружительной способностью, то на экране устройства отображения появляются строки с переменной по кадру яркостью; указанные каналы должны считаться неработоспособными;
- показано, что использование элементов оптических систем, имеющих шероховатость поверхностей хуже II класса чистоты, приводит к появлению дополнительной оптической помехи, вызывающей ошибки при калибровке каналов по сигналам от двух эталонов.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Математическая модель канала тепловизионной системы, позволяющая оценить влияние параметров тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.
2. Разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы зависит не только от параметров фотоприемного устройства, но и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Для тепловизионных систем, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, величина разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы определяется в первую очередь разбросом обнаружительной способности элементов матричного фотоприемника, а не разбросом их чувствительности.
3. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов выбирается исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника. Несоблюдение этого требования приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.
4. В тепловизионных системах следует использовать элементы оптических систем с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже И. В противном случае появляется дополнительная оптическая помеха внутри объектива, которая может повлиять на калибровку каналов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы . докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «XVIII
Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения», Москва, 2004г.; VI Международная конференция «Прикладная оптика - 2004», Санкт-Петербург, 2004г.; Международный оптический форум «Оптика - 2005», Москва, 2005г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.
Фотоприемные устройства тепловизионных систем
Задачей фотоприемного устройства является преобразование распределение яркости в пространстве объектов в распределение напряжения. Это делает его одним из важнейших элементов любой современной тепловизионной системы.
Развитие фотоприемных устройств инфракрасного диапазона начинается в 1800 г, с открытия инфракрасного излучения Гершелем. Фотопроводящий эффект был обнаружен Смитом в 1873г., а в 1917 г. Кейзе разработал первый высокочувствительный ИК фоторезистор на основе фотопроводимости материала, состоящего из таллия и серы. С 1930 г. фотонные детекторы доминировали в развитии технологии ИК приборов [31, 32]. Первые сообщения о примесных фотопроводящих детекторах появились в начале 1950-х годов.
Совершенствование технологии производства позволило перейти в фотоприемных устройствах от одиночных элементов к линейкам элементов и затем к крупноформатным матрицам, содержащим десятки тысяч элементов. На сегодня ближайшей перспективой стало создание матриц более чем из 106 элементов [9, 37] (рис. 1.2).
Современные матричные фотоприемники состоят из структурированного, т.е. разделенного на отдельные элементы (пикселы), фоточувствительного слоя и электрически связанной с ним системы считывания и первичной обработки сигналов, образующихся на отдельных элементах при их облучении потоком, собираемым оптической системой. Фотоприемники могут выполняться по гибридной технологии, когда каждый элемент фоточувствительного слоя соединяется через свой контакт с отдельной ячейкой схемы считывания, т.е. собственно приемник излучения и схема считывания формируются в различных объемах (кристаллах, чипах, на разных подложках), или по монолитной технологии, когда фоточувствительные элементы и ячейки схемы считывания формируются в одном объеме [13, 38-43].
Сегодня для большинства тепловизионных систем, работающих в окне атмосферы 8-12 мкм, используются фотовольтаический эффект (при облучении р-n перехода в полупроводнике изменения числа фотонов входного потока вызывают изменения разности потенциалов на переходе) и болометрический эффект (изменение сопротивления элемента при изменении его температуры за счет падающего на фотоприемник излучения). Однако если для системы существует требование минимального времени наблюдения объекта для получения электрического сигнала, различимого на фоне шумов, то предпочтение отдается фотовольтаическому эффекту. Применение фотодиодов также обусловлено тем, что они обладают очень низкой мощностью рассеяния и легко мультиплексируются на фокальной плоскости кристалла кремния, а также могут быть собраны в двумерные матрицы, число элементов в которых ограничивается только существующими технологиями.
На сегодняшний день существует множество материалов, применимых для создания матриц фотодиодов [9,10, 44-46]. Перечислим некоторые из них. Соединения InAs/InGaSb, на основе которых в 90х годах был представлен фотоприемник с максимумом спектральной характеристики вблизи 10 мкм. Хотя технология сегодня фотоприемников на основе этого материала далеко не совершенна, данный материал является очень перспективным для создания фотодиодов ИК диапазона.
Еще одним перспективным материалом для создания фотоприемников является HgMnTe. После того, как в 80х годах компания Brimsone Corporation of America получила первые образцы фотодиодов на этом материале, изданы многочисленные материалы по исследованию и созданию матриц фотоприемников на основе HgMnTe. Хотя технология изготовления больших матриц на основе HgMnTe еще разрабатывается, можно сказать, что этот материал является очень перспективным для применения в тепловидении.
Не менее интересен для создания фотоприемников материал HgZnTe. Однако широкие работы в этом направлении еще ведутся и пока трудно оценить перспективы широкого применения этого материала.
Удобным и широко используемым материалом для фотоприемников является InSb. Его широкое применение началось еще с 50х-60х годов 20го века. Поэтому этот материал привлек пристальное внимание при создании матричных фотоприемников. Технология данного материала достаточно совершенна и сегодня в мире производится большое количество матриц на основе этого материала. Однако применение этого материала для больших фотодиодных матриц (свыше 1000x1000 элементов) показало ряд щ технологических трудностей, которые в настоящее время ограничивают применение этого материала для отдельных типов матричных фотоприемников.
Одним из широко распространенных сегодня материалов для создания фотодиодов является материал на основе соединения кадмий-ртуть-теллур -KPT (HgCdTe). Применение КРТ в качестве одного из самых распространенных материалов для фотоприемных устройств определяется следующими его особенностями [9 -12, 44, 45]: высоким быстродействием фотодиодов на основе КРТ за счет небольшой емкости перехода, которая, в свою очередь, определяется относительно низким значением статической диэлектрической постоянной материала; свойства КРТ легко контролировать изменением состава и варьировать ширину запрещенной зоны, что позволяет добиться максимума спектральной чувствительности фотодиодов КРТ на длине волны 10 мкм, что хорошо согласовывается с окном прозрачности атмосферы; рабочая температура фотодиодов КРТ составляет 80К, то есть требует применения для охлаждения криогенных установок на основе азота, которые имеют высокие сроки службы и хорошую технологичность.
Оценка величины сигнала на входе канала
Доля энергии, преобразуемой элементом фотоприемника равна отношению всей энергии пятна (кружка рассеяния) к энергии той части кружка рассеяния, совпадающей с чувствительной площадкой фотоприемника. Излучение падает на элемент приемника в виде пятна с убыванием і энергии от центра пятна к краям. С учетом того, что элемент фотоприемника, как правило, имеет прямоугольную форму и считается, что его чувствительность равномерна по всему элементу [18,28,31], получение отклика фотоприемника на падающее излучение связано с громоздкими вычислениями. Намного удобнее дл получение отклика прямоугольное распределение k с МПФ видаSinc(afx)Sinc(bfy), где а и (5 определяются размером пятна, а/ки/у соответствующие пространственные частоты. Распределение энергии по пятну в распределении равномерно. Переход от размера в мкм к мрад описан в [31]. Для этого воспользуемся критерием эквивалентное число линий Ne. Этот показатель был установлен Шаде как описание видимой резкости телевизионного изображения и может быть описан интегралом, взятым по всей области частот от квадрата МПФ телевизионной системы [28, 31].
Если необходим учет пропускания атмосферы, то (2.2.7) домножается на коэффициента пропускания атмосферы та, а при определении Gonr (fx) Для (2.2.10) учитывается Ga(fx).B работе Ga(fx) определялась из «модели атмосферы ГИПО», описанной в главе 1. Однако при необходимости возможна определение GJfJ на основе прочих моделей атмосферы LOWTRAN, MODTRAN, HITRAN и т.п. [39, 90, 91],
Наиболее распространенными и универсальными параметрами оценки фотоприемного устройства являются его чувствительность и обнаружительная способность .
Чувствительность инфракрасного детектора определяется как отношение среднеквадратического значения основной составляющей выходного электрического сигнала детектора к среднеквадратическому значению входной мощности монохроматического излучения.
Фотоприемное устройство в процессе преобразования падающего на него электромагнитного излучения генерирует электрический сигнал Uc, а также собственные временные шумы (Джонсоновский шум теплового движения носителей заряда в материале приемника излучения; генерационно-рекомбинационный шум флуктуации числа носителей заряда, которые участвуют в процессах генерации и рекомбинации; шум р-п перехода случайного характера прохождения потенциального барьера и диффузия носителей заряда в смежные области; шум І/f - мощность шума изменяется обратно пропорционально частоте - источником могут быть поверхностные эффекты или электрические контакты - им пренебрегают при частотах 1кГц). Также сюда накладывается фотонный (радиационный) шум, обусловленный флуктуациями числа фотонов, падающих на приемник из окружающего пространства. Он наблюдается практически у всех типов приемников.
Часть канала от чувствительного элемента фотоприемного устройства до АЦП можно представить как совокупность активных и пассивных цепей (блоков). Под активной подразумевается цепь, содержащая наряду с пассивными элементами (катушками индуктивности, конденсаторами и резисторами и пр.) также присутствуют источники энергии (генераторы ЭДС или генераторы тока) за счет применения в этих блоках усилительных. Исходя из этого, мы можем представить аналоговую часть блока обработки сигнала в тепловизионной системе как совокупный набор активных и пассивных четырехполюсников и определить передаточную функцию канала.
Любой (как активный, так и пассивный) линейный четырехполюсник можно представить схемой, изображенной на рис. 2.4. Четырехполюсник полностью характеризуется любым из наборов параметров Y, Z или Н. Зная их, мы легко можем получить значения сигнала на выходе четырехполюсника. Причем получение этих наборов параметров не представляет затруднений, поскольку данная операция является обычной для описания радиотехнических цепей и хорошо разработана.
Зависимость температурно-частотной характеристики и температуры эквивалентной шуму тепловизионной системы от разброса сигналов в каналах
Рассмотрим, как будет изменяться температурно-частотная характеристика в зависимости от изменения температуры эквивалентной шуму при сохранении прочих параметров тепловизионной системы.
Зависимость температуры эквивалентной шуму в зависимости от величины остаточного разброса и обнаружительной способности показано на рис. 3.5. Как видно из рисунка, предельным допустимым остаточным разбросом является величина равная 1,5-2 %. Если же приемник имеет обнаружительную способность выше, то для него допустимый разброс может превышать указанную величину при сохранении тех же значений эквивалентной шуму разности температур системы. Таким образом, создается иллюзия, что увеличение остаточного разброса сигналов в каналах может быть полностью скомпенсировано ростом обнаружительной способности. Однако такая рекомендация представляется довольно сомнительной, поскольку в этом случае улучшение характеристик полностью поглощается ухудшением остаточного разброса. Соответственно теряется смысл в улучшении характеристик приемника с целью улучшения дальности и разрешения системы. Аналогичные соображения приводят и прочие авторы, например Gerald Hoist [47].
Исходя из вышесказанного, можно рекомендовать добиваться остаточного после коррекции разброса сигналов на уровне менее 2%. Надо отметить, что аналогичные результаты по допустимому разбросу сигналов (менее 2%) были получены прямыми измерениями при различных уровнях разброса сигналов в работах А. Вафиади [77, 100].
. Разность температур эквивалентная шуму при изменении остаточного после коррекции разброса сигналов %, при средней обнаружительной способности от 5 (кривая 1) до 9х1010 см Гц1/2/Вт (кривая 3) соответственно.. 3.3 Выводы
Итак, по результатам, представленным в третьей главе мы можем сделать следующие выводы: - Проведена экспериментальная проверка адекватности разработанной во второй главе модели тепловизионного канала практике. Результаты, получаемые с помощью модели достаточно близки к результатам эксперимента, следовательно, на ее основе могут быть проведены дальнейшие исследования влияния на выравнивание неоднородности сигналов в каналах параметров тепловизионной системы. - Результаты экспериментов показали, что рассчитанная с применением разработанной модели эквивалентная шуму разность температур тепловизионной системы ближе к экспериментальному значению, чем аналогичный расчет с использованием ранее применяемой модели.
Проведена оценка допустимой величины разброса сигналов в каналах на выходе, по которой в дальнейшем будет оцениваться тепловизионная система. Сделан вывод, что для получения приемлемых характеристик тепловизионной системы следует добиваться выравнивания разброса сигналов в каналах до величины менее 2%.
Влияние разброса чувствительности и обнаружительной способности элементов фотоприемника
Оценим, каковы допустимые шероховатости поверхностей оптической системы, при которых отражение от поверхностей оптической системы не приведет к появлению паразитного оптического сигнала (то есть определить допустимые шероховатости подложек, при которых выводы, основанные на применении модели Главы 2, будут справедливы). Оценка пропускания в дальнейшем проводится с применением рекуррентных формул пропускания оптических поверхностей с просветляющими пленками (Приложение 3).
Поскольку в современных системах в большинстве случаев требуются покрытия, близкие к ахроматичному в заданном окне прозрачности атмосферы, то от однослойных переходят к многослойным покрытиям с числом слоев 5-6 и более. Далее в качестве примера сложного покрытия рассматривается нанесенное на поверхность подложки из германия покрытия вида 0,003L/ 0.2В 0.3В] 0.6В 0.6L 0.07В , где В - четвертьволновый слой сульфида цинка, В і - четвертьволновый слой германия, L - четвертьволновый слой фторида иттрия, Lj -четвертьволновый слой оксида иттрия (рис. 4.3). Цифры около символов слоев соответственно означают увеличение оптической толщины слоев относительно масштабной длины волны.
Оценим чувствительность сложных покрытий к шероховатости исходной поверхности. Как видно из рис. 4.4 с ростом шероховатости поверхности пропускание уменьшается. Замена же полировки шлифовкой (что снижает качество поверхности да VII - IX классов) резко снижает пропускание поверхности. Потери относительно случая полировки могут достигать величины более 20% на каждую поверхность.
При этом надо отметить, что ухудшение качества подложки вносит еще один отрицательный эффект. Как видно из рис. 4.3, увеличение шероховатости приводит к уменьшению ахроматичности просветления и, следовательно, теряется весь выигрыш от применения ахроматичного покрытия.
Пропускание для покрытия четвертьволновой слой сульфида цинка подложка Ge. Кривая 1 - класс шероховатости 0-10; Кривая 1 - класс шероховатости II, Кривая 3 -класс шероховатости VIII
Исходя из вышесказанного, важным представляется вопрос оценки допустимых классов качества поверхности для различных покрытий. На рис. 4.4 представлены изменения пропускания поверхности в зависимости от класса чистоты для длины волны 9,7 мкм (максимум чувствительности приемника на основе кадмий-ртуть-теллурид). Как видно из рис. 4.4 для сложных покрытий заметное ухудшение пропускания начинается со II класса чистоты, а для простого с III класса. То есть допустимые классы чистоты подложек оптических поверхностей должны быть не хуже II класса. Таким образом, из всего вышесказанного следует, что для получения высоких значений пропускания оптической поверхности при применении просветляющих покрытий требуются полированные подложки с малыми значениями шероховатости поверхности. В противном случае положительные эффекты покрытия могут значительно снизиться. Ухудшение пропускания оптической поверхности может также привести к появлению описанных выше отрицательных эффектов, связанных с появлением внутри объектива паразитной засветки за счет излучения, отраженного от поверхности оптических элементов [101].
Рассмотрим результаты выравнивания исходного разброса сигналов в каналах (калибровки каналов) при различных средних величинах и разбросе относительно средних по матрице значений вольтовой чувствительности и обнаружительной способности исследуемой матрицы. При этом мы будем изменять отношения сигнал/шум в тепловизионной системе.
Оценим, какое влияние на выравнивание неоднородности сигналов в каналах (калибровку каналов) (остаточную неоднородность сигналов в каналах) оказывает уровень шумов в каналах. Рассмотрим случай, когда собственные шумы фотоприемника малы и примерно равны по всем элементам (то есть неоднородность сигналов с элементов матрицы определяется разбросом чувствительности этих элементов).
Как видно из рис. 4.5 и 4.6, отношение сигнал/шум в системе оказывают заметное влияние на результаты выравнивания (калибровки) каналов тепловизионной системы (остаточный разброс).
При этом, как видно при сравнении рис. 4.5а и 4.6а для фотоприемного устройства с любыми параметрами с уменьшением отношения сигнал/шум в системе эффективность алгоритма выравнивания снижается и остаточный разброс сигналов в каналах растет. Из рис. 4.5 и 4.6 также следует, что - с увеличением разброса относительно среднего значения чувствительностей элементов матрицы фотоприемного устройства остаточный разброс сигналов в каналах увеличивается для любого значения средней обнаружительной способности; - при отношениях сигнал/шум ниже 5-7 разброса сигналов в каналах начинает значительно увеличиваться; то есть для эффективной работы алгоритма выравнивания на основе сигнала от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум менее 5-7;
