DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-50-600
УДК 621.397
Игорь Иванович Кремис1*, Роман Александрович Гладков2, Алексей Валерьевич Турбин3, Павел Алексеевич Алдохин4, Виталий Сергеевич Калинин5
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники, Новосибирск, Россия
1igor21738@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-6000-9950
2Roman.gl-2005@yaudex.ru https://orcid.org/0000-0003-4583-4087
3Al-t38@yaudex.ru https://orcid.org/0000-0001-8510-5773
4Aldosha@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-2236-0459
5Vitaley@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-8816-213X
Аннотация
Предмет исследования. Тепловизионная камера с микросканированием на базе малоформатного матричного фотоприёмного устройства (320ґ256 фотодиодов из теллурида кадмия-ртути) в спектральном диапазоне 8–10 мкм. Цель. Создание компактной тепловизионной камеры спектрального диапазона 8–10 мкм на базе малоформатного матричного фотоприёмного устройства из теллурида кадмия-ртути с использованием безредукторных электромеханических приводов для смены полей зрения, подфокусировки, калибровки и микросканирования сцены для улучшения параметров пространственного разрешения и пороговой чувствительности. Метод. Совокупное использование технических решений для осуществления механического движения оптических компонент, коррекции остаточной неоднородности чувствительности фотоприёмного устройства и микросканирования сцены наблюдения. Основные результаты. Разработана тепловизионная камера с микросканированием на базе малоформатного матричного фотоприёмного устройства (320ґ256 пикселов из теллурида кадмия-ртути) в спектральном диапазоне 8–10 мкм. В камере используются безредукторные электромеханические привода, позволяющие осуществлять микросканирование сцены наблюдения, смену полей зрения, фокусировку и калибровку канала. Камера оснащена объективом с четырёхкратным изменением фокусного расстояния с максимальным полем зрения 21,7°ґ17,5° и пространственным разрешением 2,27 мрад–1 при работе камеры в режиме микросканирования. Совокупность предложенных решений позволила получить тепловизионное изображение высокого качества при величине разности температур, эквивалентной шуму, равной 23 мК. Практическая значимость. Тепловизионная камера может использоваться в области неразрушающего контроля, охраны и мониторинга окружающей среды. Предложенные технические решения будут полезны для улучшения параметров пространственного разрешения и пороговой чувствительности тепловизионных каналов, использующих малоформатные матричные фотоприёмные устройства.
Ключевые слова: фильтрация, двухточечная коррекция, тепловизор, тепловизионная камера, микросканер
Ссылка для цитирования: Кремис И.И., Гладков Р.А., Турбин А.В., Алдохин П.А., Калинин В.С. Малогабаритная тепловизионная камера с микросканированием // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 50–60. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-50-60
Коды OCIS: 250.0040, 250.4745, 230.2090, 230.0250, 100.2960, 100.2550, 100.2000.
Small-sized thermal imaging camera with micro-scanning
Igor Kremis1*, Roman Gladkov2, Alexey Turbin3, Pavel Aldokhin4, Vitaly Kalinin5
Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Technology and Design Institute of Applied Microelectronics, Novosibirsk, Russia
1igor21738@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-6000-9950
2Roman.gl-2005@yaudex.ru https://orcid.org/0000-0003-4583-4087
3Al-t38@yaudex.ru https://orcid.org/0000-0001-8510-5773
4Aldosha@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-2236-0459
5Vitaley@ngs.ru https://orcid.org/0000-0002-8816-213X
Abstract
Subject of study. Thermal imaging camera with micro-scanning based on small-format, 320ґ256 photodiodes made of cadmium-mercury telluride, matrix photodetector, spectral range 8–10 microns. Aim of study. Creation of a compact thermal imaging camera with a spectral range of 8–10 microns based on a small-format cadmium-mercury telluride matrix photodetector using gearless electromechanical drives for changing fields of view, subfocusing, calibration and micro-scanning of the scene to improve spatial resolution parameters and threshold sensitivity. Method. The combined use of technical solutions for the mechanical movement of optical components, correction of residual inhomogeneity of the sensitivity of the photodetector and microscanning of the observation scene. Main results. A thermal imaging camera with micro-scanning based on a small-format (320ґ256 pixels of cadmium-mercury telluride) matrix photodetector with a spectral range of 8–10 microns has been developed. The camera uses gearless electromechanical drives allowing micro-scanning of the observation scene, changing fields of view, focusing and channel calibration. The camera is equipped with 4-fold zoom range lens with a maximum field of view of 21.7°ґ17.5° and a spatial resolution of 2.27 mrad–1 in micro-scan mode. The combination of the proposed solutions made it possible to obtain a high-quality thermal imaging image with a temperature difference equivalent to noise equal to 23 mK. Practical significance. The thermal imaging camera can work in the field of non-destructive testing, surveillance and environmental monitoring. The proposed technical solutions will be useful for evaluating the high-resolution parameters and threshold sensitivity of thermal imaging mechanisms using small-format matrix photodetectors.
Keywords: filtration, two-point correction, thermal imager, thermal imaging camera, micro-scanner
For citation: Kremis I.I., Gladkov R.A., Turbin A.V., Aldokhin P.A., Kalinin V.S. Small-sized thermal imaging camera with micro-scanning [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 50–60. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-50-60
OCIS сodes: 250.0040, 250.4745, 230.2090, 230.0250, 100.2960, 100.2550, 100.2000.
Список источников
1. Кульчицкий Н., Наумов А., Старцев В. Охлаждаемые фотоприемные устройства ИК диапазона на кадмий-ртуть-теллуре: состояние и перспективы развития // Электроника: наука, технология, бизнес. 2020. Т. 197. № 6 (00197). С. 114–121. http://doi.org/10.22184/1992-4178.2020.197.6.114.121
2. Сидоров Ю.Г., Сабинина И.В., Сидоров Г.Ю., Васильев В.В., Якушев М.В., Макаров Ю.С., Зверев А.В., Марчишин И.В., Дворецкий С.А., Предеин А.В., Варавин В.С., Марин Д.В., Ремесник В.Г., Горшков Д.В., Латышев А.В. Фотоприемные модули на основе ГЭС КРТ МЛЭ на длины волн 3–5 и 8–10 мкм форматом до 2000ґ2000 // Труды XXV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва: НПО «Орион», 2018. С. 8–11.
3. Гиндин П., Карпов В. Матричные и субматричные фотоприемные модули // Фотоника. 2013. Т. 42. № 6. С. 62–72.
4. Reibel Y., Espuno L. High performance infrared fast cooled detectors for missile applications // Proc. SPIE 9819. Infrared Technology and Applications XLII. 98190I (20 May 2016). 14 pages. http://doi.org/10.1117/12.2230431.
5. Кремис И.И., Калинин В.С., Федоринин В.Н., Корсаков Ю.М., Шатунов К.П. Сканирующий тепловизионный прибор на базе отечественного фотоприемного устройства // Прикладная физика. 2016. № 5. С. 108–114.
6. Wang X., Feng Z., Zhang J., Yang Z. Characterization of the performance of micro-scanning infrared imager // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2004. V. 25. P. 1657–1668. http://doi.org/10.1023/B:IJIM.0000047455.17422.61
7. Cocle O., Rannou C., Forestier B., Jougla P., Bois P., Costard E., Manissadjian A., Gohier D. Qwip compact thermal imager: Catherine-XP and its evolutions // Proc. SPIE 6542. Infrared Technology and Applications XXXIII. 2007. (14 May). V. 654234. 12 p. http://doi.org/10.1117/12.723720
8. John M., John L. Imagery improvements in staring infrared imagers by employing subpixel microscan // Optical Engineering. 2005. V. 44(5). 9 p. http://doi.org/10.1117/1.1917312
9. Якушенков Ю.Г., Тарасов В.В. Инфракрасные системы смотрящего типа. М: Логос, 2004. 452 с.
10. Тарасов В. В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития инфракрасных систем «смотрящего» типа // Специальная техника. 2004. № 1. 443 с.
11. Xiubao S., Chen Q., Gu G. Micro-scanning system using flat optics for resolution improvement of infrared images // Optik. 2013. V. 124. Iss. 16. P. 2292–2297. http://doi.org/10.1016/j.ijleo.2012.06.068.
12. Wang X. R., Zhang J.Q., Feng Z.X., Relationship between microscanned image quality and fill factor of detectors // Appl. Opt. 2005. V. 44(21). P. 4470-4. http://doi.org/10.1364/AO.44.004470
13. Wu X., Cai Y. Techniques of optical microscan in staring infrared imaging system // J. Infrared Millim. Waves. 2007. V. 26. P. 10–14.
14. Miller J., Wiltse J. Benefits of microscan for staring infrared imagers // SPIE Defense. 2004. 12 p. http://doi.org/ 10.1117/12.541432
15. Meijing G., Weilong W., Wei X., Jingyuan W. Optical microscanning X-ray real-time imaging system // International Conference on Mechatronics, Electronic, Industrial and Control Engineering. MEIC. 2014. http://doi.org/ 10.2991/meic-14.2014.251.
16. Wiltse J., Miller J. Imagery improvements in staring infrared imagers by employing subpixel microscan. Optical Engineering. 2005. V. 44(5). http://doi.org/10.1117/1.1917312
17. Кремис И.И., Гладков Р.А. Устройства микросканирования для тепловизоров диапазона 8–12 мкм на основе вращающихся пластин из Ge // Успехи прикладной физики. 2018. № 4. Т. 7. С. 390–400.
18. Кремис И.И. Исследование метода коррекции остаточной неоднородности тепловизионного канала с микросканированием // Успехи прикладной физики. 2018. № 3. Т. 6. С. 252–259.
References
1. Kulchitsky N., Naumov A., Startsev V. Cooled IR photodetectors on cadmium-mercury-tellurium: state and prospects of development // Electronics: science, technology, business. 2020. V. 197. № 6 (00197). P. 114–121. http://doi.org/ 10.22184/1992-4178.2020.197.6.114.121.
2. Sidorov Yu.G., Sabinina I.V., Sidorov G.Yu., Vasiliev V.V., Yakushev M.V., Makarov Yu.S., Zverev A.V., Marchishin I.V., Dvoretsky S.A., Predein A.V., Varavin V.S., Marin D.V., Craftsman V.G., Gorshkov D.V., Latyshev A.B. Photodetector modules based on HPP KRT MLE at wavelengths of 3–5 and 8–10 microns in a format up to 2000ґ2000 // Proceedings of the XXV International Scientific and Technical Conference on Photoelectronics and Night Vision Devices. Moscow: NGO "Orion", 2018. P. 8–11.
3. Gindin P. Karpov V. Matrix and submatrix photodetector modules // Photonics. 2013. T. 42. № 6. P. 62–72.
4. Reibel Y., Espuno L. High performance infrared fast cooled detectors for missile applications // Proc. SPIE 9819. Infrared Technology and Applications XLII. 2016. (20 May). V. 98190I. 14 p. http://doi.org/ 10.1117/12.2230431
5. Kremis I.I., Kalinin V.S., Fedorinin V.N., Korsakov Yu.M., Shatunov K.P. Scanning thermal imaging device based on a Russian photodetector // Applied Physics. 2016. № 5. P. 108–114.
6. Wang X., Feng Z., Zhang J., Yang Z. Characterization of the performance of micro-scanning infrared imager // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2004. V. 25. P. 1657–1668. http://doi.org/ 10.1023/B:IJIM.0000047455.17422.61
7. Cocle O., Rannou C., Forestier B., Jougla P., Bois P., Costard E., Manissadjian A., Gohier D. Qwip compact thermal imager: Catherine-XP and its evolutions // Proc. SPIE 6542. Infrared Technology and Applications XXXIII. 2007. (14 May). V. 654234. 12 p. http://doi.org/ 10.1117/12.723720
8. John M., John L. Imagery improvements in staring infrared imagers by employing subpixel microscan // Optical Engineering. 2005. V. 44(5). 9 p. http://doi.org/10.1117/1.1917312
9. Yakushenkov Yu.G., Tarasov V.V. Infrared systems of the viewing type. M.: Logos, 2004. 452 p.
10. Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Trends in the development of infrared systems of the "looking" type // Special equipment. 2004. № 1. 443 p.
11. Xiubao S., Chen Q., Gu G. Micro-scanning system using flat optics for resolution improvement of infrared images // Optik. 2013. V. 124. Iss. 16. P. 2292–2297. http://doi.org/10.1016/j.ijleo.2012.06.068.
12. Wang X. R., Zhang J.Q., Feng Z.X., Relationship between microscanned image quality and fill factor of detectors // Appl. Opt. 2005. V. 44(21). P. 4470-4. http://doi.org/ 10.1364/AO.44.004470
13. Wu X., Cai Y. Techniques of optical microscan in staring infrared imaging system // J. Infrared Millim. Waves. 2007. V. 26. P. 10–14.
14. Miller J., Wiltse J. Benefits of microscan for staring infrared imagers // SPIE Defense. 2004. 12 p. http://doi.org/ 10.1117/12.541432
15. Meijing G., Weilong W., Wei X., Jingyuan W. Optical microscanning X-ray real-time imaging system // International Conference on Mechatronics, Electronic, Industrial and Control Engineering. MEIC. 2014. http://doi.org/ 10.2991/meic-14.2014.251
16. Wiltse J., Miller J. Imagery improvements in staring infrared imagers by employing subpixel microscan // Optical Engineering. 2005. V. 44(5). http://doi.org/10.1117/1.1917312
17. Kremis I.I., Gladkov R.A. Microscanning devices for thermal imagers in the range of 8–12 microns based on rotating plates from Ge // Successes of applied physics. 2018. № 4. V. 7. P. 390–400.
18. Kremis I.I. Investigation of the method of correction of residual inhomogeneity of a thermal imaging channel with microscanning // Successes of applied physics. 2018. № 3. V. 6. P. 252–259.
