Развитие фотографии в различных диапазонах. Что дальше?

80 лет назад, в 1942 г., был получен сверхпроводящий болометр на основе тантала и сурьмы с охлаждением жидким гелием. Немецкие "Донау-60", один из прообразов современных тепловизоров на основе таких болометров, позволяли распознавать морские суда на расстоянии до 30 км. Настоящая статья посвящена истории и экономике камер инфракрасного (ИК) диапазона, перспективам их развития, а также важнейшим для современной России вопросам импортозамещения такого класса приборов.

Подавляющее большинство всей информации об окружающем мире попадает через наши глаза. Свет от прямых источников или рассеянный свет от объектов, попадая в наши глаза, фокусируется в сетчатке. Полученные сигналы интерпретируются мозгом, что приводит к восприятию изображения объектов. Глаза обнаруживают только видимое излучение в диапазоне длин волн от примерно 380 до 780 нм.

Несмотря на то что наши глаза – уникальный оптический прибор, часто хочется видеть еще что-то, выходящее за пределы возможностей зрительной системы. Человек для этого немало сделал. Так, основным ограничением в отношении микроскопических объектов является пространственное разрешение, которое преодолевается микроскопами. С разрешением по времени можно справиться с помощью высокоскоростных камер. А вот изменение детектируемого спектрального диапазона электромагнитного излучения может значительно улучшить наши возможности. В темноте человек всегда хотел видеть лучше.

Рис. 1. Фото автора: видимый диапазон (a), длинноволновый ИК-диапазон LWIR (б), рентгеновский диапазон (с)

Более короткие длины волн, такие как рентгеновское излучение, являются ценными инструментами для медицинской визуализации. Более длинноволновое тепловое излучение обнаруживает излучение объекта, которое не зависит от внешних источников излучения. Это тепловое излучение определяется законом Планка и излучательными свойствами объекта. Основным фактором, регулирующим спектр, является температура объекта.

Рис. 2. Диапазон электромагнитного излучения

Эволюция ИК-камер

Камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIR) используют кремниевые датчики в диапазоне длин волн от 0,8 до 1,1 мкм. Благодаря спектральному диапазону чувствительности кремния можно даже на любительской технике получить изображение в ближнем ИК-диапазоне. Для этого с коммерческой матрицы удаляют фильтр, отрезающий ИК-область спектра, и дополняют фильтрами, отрезающими видимую и УФ-части спектра. Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR) используют в основном детекторы, также матричного типа, из арсенида индия-галлия (InGaAs), работающие в диапазоне примерно от 0,9 до 1,7 мкм. Такие матрицы выполнены по гибридной технологии, предполагающей попиксельное соединение кремниевой интегральной схемы считывания с матрицей фоточувствительных элементов. ИК-матрицы сегодня могут насчитывать до 10⁸ ИК-детекторов, что соответствует числу чувствительных рецепторов в глазе человека (~2*10⁸).

Необходимость гибридизации двух различных полупроводниковых структур приводит к существенному возрастанию стоимости камер данного диапазона (в среднем 20–30 раз) по сравнению с камерами на основе кремниевого датчика.

Рис. 3. Диапазоны стоимости детекторов различного формата для различных применений

Средноволновые инфракрасные (MWIR) камеры обычно основаны на антимониде индия (InSb), работающем в диапазоне от 3 до 5 мкм. Этим датчикам требуется глубокое охлаждение. Они еще на порядок-два дороже предыдущих камер. Учитывая более дорогие оптические материалы для объективов такого диапазона, стоимость камер возрастает еще в 2–3 раза. Обнаружение еще более длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) от 7,5 до 14 мкм достигается либо с помощью охлаждаемых КРТ-детекторов (HgCdTe), либо неохлаждаемых тепловых детекторов.

Таблица. Материалы для ИК-камер в различных диапазонах

Наиболее распространенным типом теплового детектора LWIR-диапазона является микроболометр. Несмотря на более низкую чувствительность и большие постоянные времени, чем у фотонных детекторов, матричные детекторы "смотрящего типа" из массива микроболометров произвели революцию в области ИК-визуализации благодаря их гораздо более низким ценам.

"История возникновения и развития метрологии в мире и России" читать >>

В настоящее время для создания тепловых изображений наиболее широко используются оксид ванадия и α-Si:H. Оксид ванадия VO_x обладает высокими значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС = 2–3%), на основе этого материала созданы матрицы форматом 2048х1536 с размером пикселя 17 мкм. Однако оксид ванадия – нестандартный материал для КМОП-технологии, изготовление оксида ванадия в виде тонких пленок является сложным для управления процессом из-за узкого диапазона технологических параметров, обеспечивающих стабильность и оптимальность характеристик оксида.

ИК-визуализация начиналась с очень дорогих, тяжелых и габаритных систем в 1960–1980-х гг. Их могли эксплуатировать только эксперты (требовался жидкий азот либо холодильник для охлаждения детекторов). В последующие десятилетия ИК-визуализация перешла к менее дорогим, компактным массовым продуктам для широкого круга техников и инженеров. В последнее время технология ИК-визуализации вышла на потребительский рынок в виде продуктов широкого спроса, таких как ИК-аксессуары для смартфонов. У ИК-визуализации в охранных системах безопасности нет конкурентов.

Камеры ближнего и коротковолнового инфракрасного диапазона

Камеры NIR и SWIR в основном обнаруживают излучение, отраженное от объекта, и требуют внешнего облучения. Эти диапазоны в определенном смысле близки к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает широкий динамический диапазон, необходимый для изображений с высоким разрешением. Атмосферное звездное свечение и фоновое излучение (ночное сияние) являются естественными источниками света SWIR-диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Сенсоры на основе InGaAs могут быть исключительно чувствительными, "подсчитывающими" буквально каждый фотон. Атмосферное явление, известное как "свечение ночного неба", излучает в 5–7 раз больше света, чем звездное свечение, и практически весь этот свет находится в диапазоне SWIR. Таким образом, SWIR-камеры вместе с ночным свечением позволяют "видеть" объекты с большой четкостью в безлунные ночи. Без особых усилий хорошую чувствительность показывают приборы на основе InGaAs уже при комнатной температуре. Камеры с сенсорами InGaAs могут быть небольшими и потреблять очень мало энергии, но выполнять значительные задачи.

Так как SWIR-волны проходят сквозь стекло, объективы и другие оптические компоненты (оптические фильтры и окна), предназначаемые для SWIR-съемки, могут изготавливаться по тем же технологиям, которые используются для компонентов видимого диапазона, что снижает издержки производства и делает возможным использование фильтров и окон в рамках одной системы. Водяной пар, туман прозрачны для SWIR-волн. Кроме того, цвета, которые являются практически идентичными в видимом диапазоне, легко различаются в диапазоне SWIR. В области коротких длин волн размер дифракционного пятна рассеяния оптической системы близок к длине излучения и размеру фоточувствительного элемента, что важно при построении изображения высокого разрешения и качества. Разрешение оптики и матрицы в SWIR-диапазоне сравнимы, поэтому возможно наблюдение уникальных особенностей и мелких деталей объектов, что дополнительно повышает вероятность их распознавания и идентификации. В длинноволновом ИК-диапазоне спектра пятно рассеяния объектива, как правило, существенно превышает размеры пикселя, что приводит к уменьшению разрешения и "размазыванию" изображения.

Рис. 4. Изображение в видимом и SWIR-диапазонах: сильный туман, расстояние 6 км

Камеры средневолнового и длинноволнового инфракрасного диапазона

Камеры MWIR и LWIR в основном обнаруживают излучение объекта, которое не зависит от каких-либо внешних источников излучения. Основным фактором, регулирующим спектр, является температура объекта. Многие наблюдаемые объекты имеют температуры ниже 100 °C. Их соответствующее излучение является слишком слабым для обнаружения датчиками NIR и SWIR, но камеры MWIR и LWIR легко обнаруживают эти сигналы. Сигналы тепловых камер зависят от температуры объекта. После калибровки камера MWIR или LWIR может точно измерять эти температуры поверхности.

Рис. 5. Изображение в видимом и LWIR-диапазонах – термометрия. Источник: ОКБ "Астрон"

Особенности калибровки камер MWIR или LWIR мы хорошо поняли в период эпидемии, и, видимо, еще не раз столкнемся с ними в будущем. Симптомы большинства инфекционных заболеваний одинаковы: недомогание, кашель и, конечно, лихорадка с повышенной температурой. Следовательно, человека с подобными симптомами довольно просто выявить в группе здоровых людей. Для этого всего лишь нужно сделать инфракрасное изображение тела больного и сравнить термограмму с установленными предельными значениями температуры. Благодаря встроенным функциям цветовой и звуковой сигнализации, которые могут устанавливаться оператором тепловизора на достижение определенного температурного порога, можно оперативно принять решение о проведении дальнейшего медицинского обследования того или иного человека. Поскольку термограммы снимаются в режиме реального времени с частотой 50 Гц, температурная диагностика занимает не более 1 секунды. Это преимущество тепловизоров особенно важно в случае необходимости быстро проверить большие группы людей.

Таким образом, камеры MWIR и LWIR количественно обнаруживают комбинацию поверхностных температур и пространственных распределений излучательной способности исследуемых объектов. При равной температурной чувствительности (не хуже 0,1 °С) тепловизоры спектрального диапазона 3–5 мкм более тщательно в деталях прорисуют, например, мелкие элементы фасадов зданий: переплеты окон, температурные швы, кирпичную кладку, так как дифракционное разрешение оптического тракта в этом спектре выше в два раза, чем в диапазоне 7–12 мкм. В диапазоне 3–5 мкм также наблюдается повышенный тепловой контраст ИК-изображения, и он более пригоден для регистрации высокотемпературных объектов, таких как топки, пламя и прочее, но при работе на дистанциях свыше 10 м в спектральном диапазоне 3–5 мкм на прохождении тепловых волн скажется влияние паров воды и углекислого газа вследствие поглощения и рассеяния инфракрасного излучения. Приборами спектрального диапазона длин волн 7–12 мкм предпочтительнее проводить, например, термографию верхних этажей зданий, обследовать состояние дымовых труб. Типичными другими промышленными приложениями являются прогнозное обслуживание и мониторинг состояния с неразрушающим контролем. К ним относятся механическое, а также высоковольтное и низковольтное электрооборудование. Другие важные области – это проведение инспекций объектов или обнаружение промышленных газов, системы наблюдения и охраны.

Стоимость

Сегодня коммерческие ИК-камеры высшего класса с фотонными детекторами (цены иногда ≥ 100 тыс. долларов) имеют матрицы, расположенные в фокальной плоскости (FPA), размером выше 1 Мпк. Их пространственное разрешение в виде мгновенного угла поля зрения (IFOV) зависит от объективов. Типичные IFOV имеют порядок 1 мрад/пк или ниже. Тепловая чувствительность, определяемая эквивалентной разностью температур шума (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference), может достигать величин ниже 18 мК (мК – миликельвин), а постоянные времени опускаются до микросекундного диапазона, что позволяет осуществлять высокоскоростные записи с частотой кадров выше 30 кГц.

Менее дорогие камеры LWIR-диапазона (в ценовом диапазоне от 10 тыс. до 20 тыс. долларов) имеют стандартные матрицы размером от 640×480 до 1 Мпк с аналогичной NETD, но ограниченной максимальной частотой кадров, обычно от 30 до 50 Гц. Сравнительно недавно появившиеся камеры LWIR широкого класса в виде аксессуаров для смартфонов (ценовой диапазон ниже 500 долларов) имеют меньшие матрицы с разрешением либо 160×120 пк, либо 320×240 пк. Оптика и IFOV фиксированы, NETD выше, а максимальная частота кадров обычно искусственно ограничена 9 Гц.

Рис. 6. Динамика роста продаж ИК-камер LWIR-диапазона и снижения цены

NIR и SWIR камеры имеют дополнительное стоимостное преимущество, потому что в них для объективов могут быть использованы обычные стеклянные материалы, что делает их гораздо дешевле, чем объективы для MWIR- или LWIR-камер (в основном из германия или селенида цинка, которые также имеют высокие потери на отражение, требуя эффективных просветляющих покрытий). Недавно разработанные менее дорогие альтернативные материалы для диапазонов MWIR и LWIR представляют собой аморфные халькогенидные стекла, изготовленные из германия, селена, сурьмы и серы. Эти составы могут также иметь преимущество в улучшенных возможностях коррекции хроматических аберраций линз.

Что нас ждет на горизонте. Импортозамещение

Существует большой спектр различных инфракрасных камер с широко изменяющимися характеристиками от многих различных производителей, так что каждая существующая или еще только мыслимая проблема может быть успешно решена с помощью подходящей системы камер. Современные системы безопасности с тепловыми камерами работают в любых условиях. Но дальнейшие разработки в области ИК-визуализации приведут к появлению еще более усовершенствованных камер с лучшими характеристиками. Подобно разработке матриц сенсоров для визуальных цифровых камер, гонка идет за большими числами пикселей для матриц фокальной плоскости. В 1980-х и 1990-х гг. матрицы размером 320×240 пк были современными коммерческими системами. К следующему десятилетию размер 640×480 пк стал стандартом, в то время как мегапиксельные FPA считались высшим классом. Вероятно, не так долго ждать, когда датчики 4 Мпк станут доступны. Однако развитие замедлится, приближаясь к естественным пределам дифракции соответствующих длин волн, которые определяют минимальные индивидуальные размеры пикселей. Для LWIR, работающих в диапазоне 8–12 мкм, минимально разумный размер пикселя составит примерно 10–15 мкм.

Как только количество пикселей увеличивается для продуктов "высшего класса", оно также увеличивается для камер среднего и низкого уровня. Самые низкокачественные недорогие камеры сегодня поставляются с матрицами 80×60 пк. Камеры смартфонов, доминирующие сейчас на рынке, имеют всего 160×120 пк, но производитель использует программное обеспечение для обработки изображений, чтобы генерировать более качественные изображения (с качеством, сравнимым с 320×240 пк).

Все камеры смартфонов в скором времени могут быть оснащены как минимум матрицами размером 320×240 пк. При этом ограничение частоты кадров на 9 Гц нужно увеличить, чтобы включить видеозаписи без лишнего мерцания. Многие потребители будут покупать эти системы как повседневные гаджеты.

Рис. 7. Смартфон с опцией визуализации ИК-изображения в LWIR-области

 Рис. 8. Эволюция ИК-устройств, от приставок до интегрированных смартфонов

Большинству приложений не нужен существенно лучший NETD, чем доступен в настоящее время, но разрешение времени и частота кадров должны улучшиться для систем среднего диапазона, таких как камеры LWIR. Недавно появился, например, усовершенствованный микроболометр на основе оксида ванадия кампании Lynred. Он имеет более короткую постоянную времени около 3 мс, что в принципе может обеспечить более высокую частоту кадров (примерно в три раза), около 100 Гц для камер.

Болометры являются единственным типом детекторов для создания неохлаждаемых и относительно недорогих камер. Стоимость матрицы неохлаждаемых болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb, при этом типичные значения NETD для болометрических матриц составляют 50–100 мК. Следует отметить, что тепловая постоянная времени для всех микроболометров достаточно велика и составляет ~10 мс.

Основные тенденции развития ИК-камер можно сформулировать следующим образом:

• переход на полный формат (1280x1024) и сверхкрупноформатные матрицы (2048х1536);
• повышение функциональных возможностей: двух- и многоспектральные матрицы;
• совершенствование технологий неохлаждаемых матриц (корпусирование на кристалле и т.д.) – дальнейшее удешевление камер;
• поиск новых принципов детектирования ИК-излучения и новых фоточувствительных материалов (графен, другие 2D-структуры и т.п.);
• поиск новой, более дешевой оптики для ИК-диапазонов и способов ее обработки.

Наиболее интригующими новыми детекторами (а, значит, и камерами) на горизонте являются детекторы на основе "квантовых ям" (Quantum Well Infrared Photodetector – QWIP), а также сверхрешеток 2-го типа (T2SL). Структура с "квантовой ямой" представляет собой многослойную эпитаксиальную структуру, в которой чередуются тонкие слои GaAs – "ямы" и AlGaAs – "барьеры". Сверхрешетки 2-го типа (T2SL) представляют собой напряженные структуры со сверхтонкими слоями InAs и GaSb. Основным форматом здесь также является 640×512 элементов, а по числу элементов достигнут мегапиксельный формат. Они позволяют осуществлять двухдиапазонное детектирование (частично уже коммерчески доступное) или даже многодиапазонное детектирование. Конечной целью для двухдиапазонных детекторов является использование в качестве камеры для точной термографии. Это позволяет проводить точные измерения температуры во всех диапазонах без необходимости знать абсолютное значение излучательной способности.

Игроки ИК-рынка

Мировой рынок ИК сильно меняется организационно, и крупные игроки на поле уступают еще более крупным (таким как Teledyne, покупающая FLIR). Интеграция успешных ИК-компаний в портфель более крупных компаний может повлиять на исследования и разработки. Успех ИК-визуализации осуществился во многом благодаря инвестициям в исследования, которые в случае продолжения должны помочь в создании новых продуктов высшего класса в будущем.

Разработкой фотоприемных устройств различного назначения в России занимается ряд предприятий, сосредоточенных в АО "Швабе", АО "Росэлектроника", в Российской академии наук, а также частные предприятия.

Основными поставщиками тепловизионных приемных устройств и камер являются АО "НПО "Орион" и АО "МЗ "Сапфир", входящие в АО "Швабе", а также частное предприятие АО "ОКБ "Астрон". НПО "Орион" и МЗ "Сапфир" производят охлаждаемые и неохлаждаемые фотоприемники на основе Si, Ge, InSb, CdHgTe. АО "НИИ "Полюс" развивает неохлаждаемые фотоприемники на основе InGaAs.

 Рис. 9. АСТРОН-IQ384 Тепловизионная камера LWIR-диапазона. Предназначена для визуализации ИК-изображения в диапазоне 8–12 мкм

Предприятия АО "Росэлектроника" (входит в Ростех) специализируются на разработке и производстве матриц видимого диапазона на основе кремния, барьера Шотки из силицида платины, видиконов, пироэлектрических приемников и на основе примесного кремния (НПП "Пульсар", ЦНИИ "Электрон", НПП "Восток"). В 2020 г. ЦНИИ "Циклон" создал тепловизор с матрицей форматом 640х512 чувствительных элементов из структур на "квантовых ямах" (QWIP). Аппаратура уверенно распознает объекты на расстоянии не менее 3,5 тыс. м в широком поле зрения 10,5х7,8 град. Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН развивает фотоприемники на основе CdHgTe, микроболометров и "квантовых ям". АО "ОКБ "Астрон" (г. Лыткарино) разрабатывает и производит тепловизионные приборы гражданского назначения на основе неохлаждаемых микроболометров собственного производства. АО "ОКБ "Астрон" также приступило к серийному выпуску матричного модуля в LWIR-диапазоне на основе охлаждаемой матрицы КРТ/Si (производства ИФП СО РАН) и "квантовых ям" (производства "Светлана Рост") c собственной микрохолодильной системой "Астрон-МКС500".

Некоторые результаты близки по своим показателям к мировому уровню, хотя в целом в отрасли имеется отставание.

Для России задачи достижения импортонезависимости, паритета с мировым уровнем, особенно в условиях санкционного давления, а также создания научно-технического и технологического заделов для развития технологий ИК-камер, могут быть решены программно-целевым методом, с более смелым использованием механизмов государственно-частного партнерства.

Рис 10. Камера коротковолнового ИК (SWIR)-диапазона. Формат 320х256 элементов. Предназначена для визуализации ИК-изображения в диапазоне 0,9–1,7 мкм