УДК 621.384.326.23
Н. Ф. Кощавцев, А. Н. Кощавцев, С. Ф. Федотова
Государственное унитарное дочернее предприятие "Специальное
конструкторское бюро техники ночного видения", Москва, Россия
Проведен анализ преимуществ спектральной области 1,4 -- 1,8 мкм по сравнению с областью современных фотокатодов 0,4-0,9 мкм. Рассмотрены работы в области создания преобразователей для этой области спектра.
Развитие приборов ночного видения (ПНВ) определяется основными задачами, стоящими
перед этой техникой, это: повышение дальности действия и вероятности обнаружения и
опознавания; обеспечение помехозащищенности и помехоустойчивости к различным световым
воздействиям, возникающим в боевых условиях; снижение массогабаритных характеристик и
энергопотребления.
К настоящему времени разработаны и серийно выпускаются ПНВ на основе электронно-
оптических преобразователей (ЭОП) нулевого, первого, второго и третьего
поколений.
ЭОП нулевого поколения представляют собой стеклянные одно- и многокамерные приборы с
неравномерным распределением разрешения по полю зрения.
ЭОП первого поколения (английское обозначение GEN I) имеют металлостеклянную
конструкцию с волоконно-оптическими пластинами на входе и (или) выходе.
ЭОП второго поколения (GEN II) имеют усилитель яркости на микроканальных пластинах
(МКП) и инверторную либо бипланарную конструкцию. Различают также разновидности ЭОП
второго поколения - GEN II+, GEN II++, SUPERGEN. Во всех
этих ЭОП используются
многощелочные либо кислородно-цезиевые фотокатоды, отличающиеся интегральной или
спектральной чувствительностью по разновидностям.
ЭОП третьего поколения (GEN III) имеют полупроводниковый арсенидгаллиевый фотокатод
(GaAs) и бипланарную конструкцию.
Развитие ЭОП и ПНВ на их основе, в основном, подчинялось повышению чувствительности
фотокатода ЭОП и его разрешения, что обеспечивает решение основной задачи - повышение
дальности действия, а также увеличение времени обеспечения дальности действия в темное
время суток.
Но тем не менее, даже самые высокочувствительные ЭОП не позволяют избежать
зависимости основных параметров ПНВ от характеристик внешних условий. К характеристикам
внешних условий работы ПНВ относятся спектральный состав и уровень естественной ночной
освещенности (ЕНО), параметры атмосферы, атмосферной дымки и коэффициенты яркости
природных образований и объектов наблюдения.
Спектральная плотность ЕНО непрерывно возрастает при переходе из видимой в ИК-область
спектра. Средняя величина спектральной освещенности в отсутствие Луны в области чувствительности
многощелочного фотокатода составляет (1,5-3)·10-9 Вт/(см2·мкм),
а в области 1,4-1,8 мкм - (1,5-2)·10-7 Вт/
(см2·мкм). Прозрачность атмосферы также растет при переходе в ближнюю ИК-
область спектра. При метеорологической дальности видимости Sм = 10 км пропускание толщи
атмосферы в 1 км на длине волны l = 0,6 мкм составляет 0,72, а в центре окна прозрачности
1,4-1,8 мкм - 0,93. Яркость атмосферной дымки снижается более чем на порядок в области
1,4-1,8 мкм по сравнению с видимой областью спектра. Величина контраста объект
наблюдения - фон в ИК-области спектра более стабильная и выше в 1,4-1,5 раза. В области
работы современных фотокатодов за счет использования специальной окраски объектов
абсолютные значения контрастов очень низки и составляют 0,05-0,5.
Следует отметить еще одну характерную особенность области спектра
1,4-1,8 мкм. Если в
области работы современных фотокатодов уровень освещенности ночью меняется от
10-5 до 2,5·10-9 Вт/см2, то в области
1,4-1,8 мкм она меняется несколько более чем на два порядка при
тех же условиях освещения от 1,6·10-4 до
(3-4)·10-7 Вт/см2. Процент обеспеченности
освещенности ночью в области спектра 1,4-1,8 мкм приведен в таблице.
Сезон | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Уровень естественной ночной освещенности | ||||||
5·10-3 лк | 1·10-3 лк | 5·10-4 лк | ||||
МЩ | 1,4-1,8 мкм | МЩ | 1,4-1,8 мкм | МЩ | 1,4-1,8 мкм | |
Зима | 28 | 42 | 82 | 90 | 91 | 96 |
Весна | 46 | 56 | 86 | 96 | 100 | 100 |
Лето | 53 | 58 | 82 | 96 | 96 | 100 |
Осень | 48 | 50 | 80 | 84 | 91 | 92 |
Год | 1942 | 1954 | 1982 | 1992 | 1995 | 1998 |
Приведенный выше анализ сравнительных характеристик внешних условий показывает, что развитие ПНВ должно осуществляться за счет освоения области спектра до 2 мкм. Именно в этом направлении ведется работа по созданию преобразователя четвертого поколения. Для оценки требований к чувствительности преобразователя в области спектра 1,4-1,8 мкм был разработан критерий его качества, представляющий произведение разрешающей способности (N) на отношение сигнал - шум (k):
где O - относительное отверстие объектива;
e - заряд электрона;
tоб - интегральный коэффициент пропускания объектива;
qэ - время накопления в системе;
c - коэффициент, учитывающий темновой фон;
dоб - интегральный коэффициент светорассеяния в объективе;
bф - интегральный коэффициент яркости фона;
Е - освещенность на местности;
Smax - максимальная чувствительность преобразователя;
tд - интегральный коэффициент пропускания атмосферы;
Ка - коэффициент, учитывающий яркость атмосферной дымки;
К - контраст объект наблюдения - фон.
Критерий можно упростить, если предположить, что характеристики оптической системы,
время накопления, темновой фон одинаковы для преобразователей, работающих в разных
областях спектра:
Отношение критериев для этих диапазонов будет представлено в следующем виде:
Если представить реальные значения величин для области чувствительности
многощелочного фотокатода (N1k1) и области спектра
1,4-1,8 мкм (N2k2), то при
(N1k1) = (N2k2)
Smax2 ниже Smax1 более, чем на два порядка. Однако
для практического достижения одинаковой
дальности необходимо, чтобы разрешения сравниваемых фотокатодов различались
незначительно, т. к. снижение разрешения в 2-3 раза не компенсируется повышением
отношения сигнал - шум во столько же раз для приемников излучения, создающих
изображение. Следовательно, требования по чувствительности к преобразователям на область
спектра 1,4-1,8 мкм более, чем на два порядка ниже, чем аналогичные по чувствительности к
преобразователям на область спектра 0,4-0,9 мкм.
При этом необходимо учесть, что в области 1,4-1,8 мкм энергия кванта света в 2-3 раза
меньше, чем энергия кванта в области 0,4-0,9 мкм. Это равносильно снижению уровня
фотонных шумов в ~2 раза при одинаковой величине освещенности. Для реализации
энергетических преимуществ необходимо, чтобы преобразователь, чувствительный в области
спектра 1,4-1,8 мкм, имел следующие характеристики:
максимальная абсолютная чувствительность, мА/Вт | >30 |
разрешение, штр/мм | >30 |
плотность темнового тока, А/см2 | <10-8 |
яркость экрана, кд/м2 | >10 |
Путем охлаждения чувствительного слоя фотокатода можно увеличить отношение сигнал
- шум за счет снижения плотности темнового тока. Охлаждение фотокатода с 290 до 250 К
позволяет снизить уровень шума в ~10 раз в области длин волн 1,4-1,8 мкм.
Анализ существующих фотокатодов показывает, что с продвижением чувствительности в
более длинноволновую область спектра падает значение квантовой эффективности. Это
является принципиальной особенностью работы полупроводниковых фотокатодов. С учетом
вышеизложенных преимуществ работы в этой области спектра достижение предельных
значений квантовой эффективности не требуется.
Разработка ЭОП четвертого поколения ведется в направлении создания фотокатодов,
чувствительных в области до 2 мкм. Работа ведется по нескольким направлениям. Первое
направление - исследование фотокатода с отрицательным электронным сродством на основе
тройных-четверных соединений (InGaAsP), которое показано в [1] и ведется в США. В
настоящее время в лаборатории получены ЭОП с чувствительностью фотокатода до 1,2 мкм и
квантовой эффективности на порядок выше, чем у кислородно-цезиевого
фотокатода.
Вторым направлением является поиск путей создания твердотельных преобразователей -
аналогов ЭОП. Наиболее интересные результаты получены специалистами, разрабатывающими
твердотельный преобразователь изображения (ТТПИ), представляющий систему МДП-ЖК [2].
В качестве полупроводника используется высокоомный монокристаллический материал -
арсенид галлия, компенсированный хромом, ванадием и кислородом с удельным
сопротивлением 107 Ом·см. Чувствительность образцов достигала
104 В/Вт в диапазоне 1-2 мкм. В качестве считывающего элемента использовался жидкий кристалл (ЖК-616, ЖК-1650).
Толщина ПП пластины составляла примерно 100 мкм. Достигнута пороговая освещенность
10-6 Вт/см2 при разрешении 10 штр/мм. Размер чувствительной поверхности ТТПИ составляет
20 мм. ТТПИ решает многие вопросы развития ПНВ. Он обеспечивает возможность работы в
области спектра до 2 мкм со всеми вытекающими из этого преимуществами. Преобразователь
имеет принципиально нелинейную световую характеристику. Уровень яркости выходного
изображения достаточно легко регулируется, а максимальная величина устанавливается на
желаемом уровне, поэтому помехозащищенность такого прибора идеальная.
Помехоустойчивость на несколько порядков превосходит помехоустойчивость ЭОП. ТТПИ -
безвакуумный прибор, требует для своего питания лишь низкое напряжение (40-50 В).
Габаритные размеры масса ТТПИ существенно ниже, чем размеры ЭОП.
Третье направление развивается в ГНЦ "НПО "Орион" путем создания системы, состоящей
из матричного ФПУ на основе п/п соединений из InGaAs, стыкованной с кремниевым
коммутатором. Спектральная область чувствительности 0,85-1,7 мкм, обнаружительная
способность элемента 1013 см·Гц1/2·Вт-1,
квантовая эффективность на g = 1 мкм достигает 80 %
(квантовая эффективность GaAs фотокатода на g = 0,8 мкм не превосходит 23 %).
Определены перспективы развития приборов ночного видения с созданием
преобразователей, чувствительных в области спектра до 2 мкм [1, 2].
Л и т е р а т у р а
1. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений, Т. 1. / Под ред. Б. Кейзана. - М.: Мир, 1978.
2. А л е к с а д р о в и ч С. В., А н т о н о в В. А., Г р и г о р ь е в В. А., К о ш а в ц е в Н. Ф. и др. Преобразование
изображений ИК-диапазона (g > 1,1 мкм) фоточувствительной жидкокристаллической структурой// Краткое сообщение
по физике, 1992. N 7, 8.
N. F. Koshchavtsev, A. N. Koshchavtsev, S. F. Fedotova
Special Design Office of Night Vision Devices, Moscow, Russia
In this state one can find the analyze of advantages of the spectral range 1,4--1,8 micrometers in comparison with modern fotocathodes 0,4-0,9 micrometers. There were considered the works about creation of such devices.