Спосіб імітування інфрачервоних сцен з керованим тепловим контрастом

Винахід стосується інфрачервоної (ІЧ) те хніки і може бути використаний для імітації ІЧ сцен з керованим тепловим контрастом у діапазоні довжин хвиль ІЧ випромінювання від 3 до 20мкм, зокрема для тестування ІЧ приладів. Відомий спосіб імітування ІЧ сцен реалізується у відомому проекторі динамічних ІЧ сцен [Low power infrared scene projector array and method of manufacture. United States Patent: 5,600,ІЧ8, G01J001/00, February 4, 1997], згідно з яким на підкладиці формують матрицю резисторів (пікселів) і електронні схеми керування та адресації, за допомогою яких кожен резистор нагрівають до певної температури електричним струмом, і теплове ІЧ випромінювання нагрітих таким чином резисторів формує двовимірне ІЧ зображення. Недоліками такого способу є інерційність (стала часу складає кілька мілісекунд), обмежена просторова роздільна здатність (найменші розміри окремого пікселю складають 50x50мкм 2), менший за 100% фактор заповнення (відношення активної площі пікселя до загальної площі пікселя). Інерційність значно зменшена у способі імітування ІЧ сцен, що реалізується у відомому проекторі динамічних ІЧ сцен [D. В. Beasley and J. В. Cooper. Performance capabilities and utilization of MICOM's diodelaser-based infrared scene projector technology. Proc.SPIE, v.2741, 1996, pp.110-118], згідно до якого двомірне ІЧ зображення формують шляхом переміщення лінійної матриці лазерних діодів (пікселів). Недоліками такого способу є те, що формування ІЧ зображення можливе лише на довжині хвилі монохроматичного лазерного випромінювання, а самі матриці лазерних діодів потребують охолодження до криогенних температур, що ускладнює і обмежує застосування способу, а також обмежений сектор огляду зображень ІЧ сцен і стробоскопічний ефект. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб імітування ІЧ сцен, що реалізується у відомому пристрої [Outdoor scene simulating apparatus for testing an infrared imaging device, United States Patent: 5,710,431, 250/504R, January 20, 1998], згідно до якого на одну поверхню металевої пластини з високим коефіцієнтом відбиття ІЧ випромінювання (>0,85), наприклад, з алюмінію, наносять шар чорної фарби з низьким коефіцієнтом відбиття і високим коефіцієнтом поглинання ІЧ випромінювання, опромінюють його ультрафіолетовим світлом через фототранспарант, який несе зображення сцени, і опромінені ділянки нанесеного шару фарби видаляють шляхом травлення. Далі пластину охолоджують, щоб імітувати температури менші за температуру навколишнього середовища, і опромінюють цю поверхню тепловим ІЧ випромінюванням. Та частина ІЧ випромінювання, що падає на ділянки поверхні вкриті чорною фарбою, майже повністю поглинається нею, а інша частина, що падає на ділянки поверхні вільні від фарби, майже вся відбивається від металу в напрямку спостереження ІЧ сцени, внаслідок чого ІЧ енергетична яскравість ділянок вкритих і не вкритих фарбою значно відрізняється. Таким чином формується ІЧ зображення сцени, контраст якого залежить від температури пластини і потужності ІЧ опромінення. Недоліками такого способу є інерційність зміни контрасту ІЧ сцени, що може здійснюватися лише шляхом зміни температури підкладки або теплового джерела ІЧ опромінення, а також залежність просторового розподілу ІЧ випромінювання від розташування джерела ІЧ опромінення і обмежений сектор огляду зображень ІЧ сцен, що не дозволяє адекватно імітувати реальні сцени, в яких, як правило, домінує власне теплове випромінювання об'єктів. Все це обмежує функціональні можливості способу. В основу даного винаходу поставлена задача розширення функціональних можливостей способу імітування ІЧ сцен за рахунок власного випромінювання елементів, що утворюють зображення цих сцен, з можливістю швидкої керованої зміни їх теплового контрасту. Поставлена задача згідно способу, що заявляється, вирішується тим, що на підкладку у вигляді пластини з напівпровідникового матеріалу наносять шар металу з заданою випромінювальною здатністю в ІЧ області спектру, непрозорий для ІЧ випромінювання. Після цього видаляють окремі ділянки шару металу на всю товщин у шару (наприклад, методами фотолітографії). Області, які зазнали згаданої дії, геометрично подібні до заданих зображень елементів сцени. Сцену спостерігають з боку поверхні пластини, на яку нанесено шар металу, будь-яким з відомих способів, наприклад, за допомогою тепловізійної ІЧ камери. Потім температуру пластини змінюють (нагрівають чи охолоджують), і задають таким чином початковий радіаційний контраст ІЧ сцени. Він виникає за рахунок того, що випромінювальна здатність напівпровідникової пластини (es) в ІЧ області спектру в загальному випадку відрізняється від випромінювальної здатності шару металу (eм ) в цій області спектру, а отже відрізняється енергетична яскравість (потужність теплового ІЧ випромінювання, що випромінюється з одиниці поверхні в одиницю тілесного кута в напрямку спостереження ІЧ сцени) вільних від металу ділянок поверхні напівпровідникової пластини і поверхні шару металу. При заданій температурі можливі три випадки: es > eм , es = eм , es < eм . Вільні носії заряду в напівпровіднику поглинають ІЧ випромінювання, тому підвищення їх концентрації призводить до збільшення поглинаючої здатності напівпровідникової пластини в ІЧ області спектру, що, згідно з законом Кірхгофа, веде до збільшення випромінювальної здатності пластини в цій області спектру. Концентрація вільних носіїв заряду в напівпровіднику в свою чергу тим вища, чим вища температура напівпровідника. Випромінювальна здатність металу в ІЧ області спектру теж визначається концентрацією вільних носіїв заряду, але на відміну від напівпровідника їх концентрація практично не залежить від температури. Отже, при зміні температури напівпровідникової пластини тепловий контраст ІЧ сцени змінюється в основному за рахунок зміни енергетичної яскравості вільних від металу ділянок поверхні напівпровідникової пластини. Для керування контрастом ІЧ сцени при заданій температурі пластину опромінюють світлом з енергією кванту більшою за ширину забороненої зони напівпровідникового матеріалу. При цьому в напівпровідниковій пластині генеруються надлишкові вільні носії заряду, що призводить до збільшення випромінювальної здатності напівпровідникової пластини в цій області спектру, як було описано вище. Чим більша потужність світла, тим більша випромінювальна здатність пластини. Внаслідок цього енергетична яскравість вільних від металу ділянок поверхні пластини в ІЧ області спектру змінюється. При цьому, якщо температура напівпровідникової пластини вища за температуру навколишнього середовища, то енергетична яскравість цих ділянок збільшується (і, відповідно температура, що імітується), якщо нижча - зменшується. Випромінювальна здатність шару металу при цьому не змінюється, оскільки, як відзначалось вище, метали мають високу концентрацію вільних носіїв заряду. Таким чином, під дією світла контраст ІЧ сцени змінюється, і тим більше, чим більше потужність цього світла. Стала часу цієї зміни визначається часом життя вільних носіїв заряду в напівпровіднику, що звичайно складає одиниці-сотні мікросекунд. Збільшення сектору огляду ІЧ сцен досягається за рахунок використання власного неспрямованого ізотропного теплового ІЧ випромінювання підкладки замість спрямованого випромінювання від зовнішнього джерела ІЧ опромінення. В одному з варіантів способу контрастом ІЧ сцени керують за допомогою світла та нагрівання підкладки до температури вищої за температуру навколишнього середовища, що дозволяє імітувати ІЧ сцени з температурами, вищими за температуру навколишнього середовища. В одному з варіантів способу контрастом ІЧ сцени керують за допомогою світла та охолодження підкладки до температуру нижчої за температуру навколишнього середовища, що дозволяє імітувати ІЧ сцени з температурами, нижчими за температуру навколишнього середовища. В одному з варіантів способу на підкладку наносять шар металу, випромінювальна здатність якого εм більша за випромінювальну здатність підкладки es при температурі навколишнього середовища. Оскільки es зростає при опроміненні і при підвищенні температури пластини, то при деякій температурі пластини і при деякій потужності світла виконується умова es = eм , тобто тепловий контраст ІЧ сцени дорівнює нулю. При подальшому збільшенні потужності світла es стає більшим за eм . Це дозволяє реалізувати ефекти швидкої появи та зникнення зображення елементів ІЧ сцени. В одному з варіантів способу як напівпровідниковий матеріал використовують кристалічний германій. Він сильно поглинає світло з енергіями квантів більшими за 0,7 еВ, що відповідає довжинам хвиль меншим за 1,8мкм, і тому для його опромінення можна використовувати стандартні джерела і проектори випромінювання видимого та ближнього ІЧ діапазонів спектру. Запропонований спосіб пояснюється конкретними прикладами його здійснення і ілюструється схемами імітації та спостереження (Фіг.1, 2) і термограмами отриманих зображень ІЧ сцен (Фіг.3-5). На Фіг.1 показано загальну схему імітації і спостереження зображення ІЧ сцени, а на Фіг.2 - схему імітації і спостереження зображення ІЧ сцени, що ілюстр ує приклад здійснення способу в умовах зменшеної потужності ІЧ випромінювання навколишнього середовища. В одному з варіантів способу імітування ІЧ сцен на пластину 1 з кристалічного германію наносять шар металу 2, випромінювальна здатність якого вища за випромінювальну здатність германієвої пластини (eGe) при температурі навколишнього середовища, наприклад вісмуту, випромінювальна здатність якого (eBi) складає приблизно 37%, і методом фотолітографії видаляють ділянку шару, геометрично подібну до зображення деякого об'єкта, наприклад літака, на всю товщину шару. Потім пластину нагрівають і рівномірно опромінюють задню, не вкриту шаром вісмуту поверхню пластини пучком світла від лампи розжарювання, або передню поверхню пластини пучком світла від такого ж джерела. Зображення ІЧ сцени спостерігають з боку поверхні з шаром вісмуту за допомогою тепловізора 5 (наприклад, моделі AGEMA 880) у діапазоні довжин хвиль ІЧ випромінювання 8-12мкм. На Фіг.3 показано термограми зображення ІЧ сцени на екрані тепловізора при температурі 90°С при відсутності (а) і наявності (б) опромінення світлом. В правій частині Фіг.3 подано відповідність градацій сірого кольору на цих термограмах інтервалам радіаційних температур відповідних ділянок сцени. Радіаційна температура зображення літака при відсутності опромінення менша за температуру зображення фону, оскільки при 90°С eGe < eBi. Потужність світла підібрана такою, що при опроміненні eGe дорівнює eBi, завдяки чому зображення літака зникає з екрану тепловізора. На Фіг.4 показано термограми зображення ІЧ сцени на екрані тепловізора при температурі 110° С при відсутності (а) і наявності (б) опромінення світлом. В правій частині Фіг.4 подано відповідність градацій сірого кольору на цих термограмах інтервалам радіаційних температур відповідних ділянок сцени. При відсутності опромінення ІЧ зображення літака не видно, оскільки eGe = eBi при 110°С. При опроміненні світлом eGe стає більше eBi , завдяки чому зображення літака з'являється на екрані тепловізора. На контраст ІЧ сцени впливає ІЧ випромінювання тіл, які оточують напівпровідникову пластину з шаром металу, з діапазону довжин хвиль, до яких чутливий тепловізор, оскільки це випромінювання може проходити крізь цю пластину в напрямку спостереження та/або відбиватися від цієї пластини в напрямку спостереження. Цей вплив можна змінити, наприклад, зменшити, за рахунок екранування пластини від цього випромінювання. У варіанті способу імітування ІЧ сцен в умовах зменшеної потужності ІЧ випромінювання тіл, які оточують напівпровідникову пластину (Фіг.2), на пластину з кристалічного германію 1 наносять шар металу 2, випромінювальна здатність якого менша за випромінювальну здатність германієвої пластини eGe при температурі навколишнього середовища, наприклад, алюмінію, для якого eАI eAI. Це зумовлено тим, що потужність тієї частини ІЧ випромінювання оточуючи х тіл, що проходить крізь пластину, зменшується в даному випадку, як це було описано вище, внаслідок чого зменшується ІЧ енергетична яскравість ділянки поверхні пластини у формі зірки. На Фіг.6 показано термограми зображення ІЧ сцени при температурі 92°С при відсутності (а) і наявності (б) опромінення напівпровідникової пластини світлом. В правій частині Фіг.6 подано відповідність градацій сірого кольору на цих термограмах інтервалам радіаційних температур відповідних ділянок сцени. З Фіг.6 видно, що при відсутності опромінення радіаційна температура зображення зірки дорівнює радіаційній температурі зображення фону. При опроміненні зображення зірки з'являється на екрані тепловізора. Отже, цей варіант способу теж дозволяє реалізувати ефекти швидкої появи та зникнення зображення елементів ІЧ сцени. Стала часу зміни контрасту ІЧ сцени під дією світла знаходилась в межах від 70 до 200мкс.