Телевизионный передающий прибор для области спектра 0,4-2,0 мкм

 

Перспективы развития и возможности применения передающих телевизионных систем при экспертизе документов и произведений искусства, в значительной степени определяются характеристиками телевизионных передающих приборов (ТПП). На параметры телевизионной (ТВ) камеры влияют чувствительность ТПП, его рабочий спектральный диапазон, инерционность и разрешающая способность, а также эксплуатационные качества ТПП, такие как необходимость его охлаждения и дополнительной подстройки системы после замены ТПП.
Расширение спектральной области чувствительности ТПП от видимого до инфракрасного (ИК) диапазонов, позволяет вести наблюдение с помощью ТВ передающей камеры в различных условиях освещенности без замены ТПП.

Преимущества работы в инфракрасном диапазоне спектра демонстрируются при решении таких технических задач, как:

- контроль подлинности произведений живописи по скрытому, под слоем красок изображению;

- криминалистическая экспертиза старинных бумаг и документов, испорченных краской, копотью и плесенью.

Широко применяемые в настоящее время ФППЗ на основе кремния имеют спектральный диапазон чувствительности, лишь частично перекрывающий инфракрасную область спектра. Со стороны больших длин волн их спектральная характеристика ограничена длиной волны 1,1 мкм, что существенно снижает возможности применения ТВ-камер. Из современных ТПП, чувствительных в ИК-области, известны фоточувствительные матричные приборы на основе халькогенидов свинца (PbS, PbSe) или на основе силицидов металлов.

Однако возникает необходимость снижения темнового тока в приборах путем их глубокого охлаждения. Поэтому, передающие ТВ-камеры и системы на их основе энергоемки и дороги.

Существующие потребности рынка в недорогих телевизионных передающих приборах, чувствительных в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, могут быть удовлетворены разработанной телевизионной передающей трубкой – видиконом, с мишенью на основе PbO/PbS (или Pb-O-S). Видикон диаметром 26,2 мм и длиной 132 мм с магнитным отклонением и фокусировкой электронного луча предназначен для работы в стандартном режиме разложения (625 строк, 25 кадров в секунду, чересстрочная развертка). Размер рабочей площади мишени 9,5 х 12,7 мм.
По устройству электронно-оптической системы указанный видикон аналогичен видикону ЛИ 474. Сигнальный электрод выведен на контактное кольцо, остальные электроды - на девятивводную ножку. Максимальное сеточное напряжение не превышает 550 В, а мощность, потребляемая маломощным катодом, составляет 0,6 Вт.

Основные свойства нового видикона определяются свойствами мишени, построенной на основе измененного p-i-n -перехода и являющейся комбинацией PbS и PbO. В такой мишени удалось без специального охлаждения получить сочетание свойств PbS и мишени на основе PbO: чувствительность в широком спектральном диапазоне, включающем весь видимый спектр и ближний инфракрасный до 1,8-2,0 мкм, при достаточно высоком сопротивлении мишени, делающем возможным процесс накопления заряда, малом темновом токе и инерционности.

Измерение параметров и характеристик предлагаемого видикона проводились в соответствии с ГОСТ 18720-85. При этом чувствительность в ближней ИК-области спектра определялась с установленным, перед мишенью видикона инфракрасным фильтром из стекла ИКС-2 толщиной 3 мм. Коэффицент пропускания фильтра на длине волны 0,8 мкм соответствует 8 %, на длине волны 1,0 мкм - 50 %, а в диапазоне от 1,4 до 2,5 мкм - 80 %.

Характеристика спектральной чувствительности экспериментального видикона измерена методом "равных сигналов" на инфракрасной спектральной телевизионной установке ИКСТ-1. Источником излучения для области спектра 0,45-1,1 мкм служила ленточная лампа накаливания ТРШ-2850, а для 1,0-2,5 мкм - стержень из карбида кремния (глобар). Значения монохроматического потока излучения (при спектральной ширине щели спектрометра не более 0,04 мкм) калибровались с помощью рабочего средства измерения - термоэлемента типа РТН-30С, установленного на место фоточувствительной мишени.

 

Рис. 5.13.1. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности
неохлаждаемых ТПП:

1 - разработанный прибор N 7869;

2 - твердотельный передающий прибор на основе кремния - ФППЗ с виртуальной фазой ISDO15А [7]

 

Как видно из рис. 5.13.1, прибор имеет более высокую спектральную чувствительность и более широкий спектральный диапазон, чем известные неохлаждаемые передающие телевизионные приборы на основе кремния, и не уступает по чувствительности и спектральному диапазону аналогичным зарубежным приборам N 2606 фирмы Hamamatsu и XQ 1610 фирмы EEV [8-10] (рис. 5.13.2). Диапазон чувствительности прибора со стороны больших длин волн ограничен длиной волны l_гр = (1,8-2,0) мкм в зависимости от требований, предъявляемых телевизионной аппаратурой к темновому току.

 

Рис. 5.13.2. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности
неохлаждаемых ИК-видиконов с ИК-фильтрами:
1 - разработанный прибор N 7869 с фильтром ИКС-3 толщиной 3 мм;
2 - видикон N 2606 фирмы Hamamatsu с ИК-фильтром[8];
3 - видикон XQ 1610 фирмы EEV с ИК-фильтром Hoya RM 100 [9]

 

Зависимость тока сигнала, темнового тока и инерционности от напряжения на сигнальной пластине (рис. 5.13.3) позволяет управлять этими параметрами. Оптимальным является такое значение напряжение на сигнальной пластине, при котором темновой ток составляет (20-40) нА. При этом интегральная чувствительность характеризуется током сигнала не менее 0,2 мкА при условии, что на поверхности фильтра ИКС-2 (толщиной 3 мм), установленного перед прибором и отсекающего видимую область спектра, создается освещенность 5 лк от источника излучения типа А.

 

Рис. 5.13.3. Вольт-амперные характеристики прибора:
1 - с освещенной мишенью;
2 - с неосвещенной мишенью

 

Указанные выше значения чувствительности и темнового тока прибора соответствуют значениям аналогичных параметров видиконов серии XQ 1610 фирмы EEV. В то же время инерционность у него значительно меньше (40 %), чем у зарубежных видиконов серии XQ 1610 фирмы EEV (50 %) и N 2606 фирмы Hamamatsu (60 %) [8-10].
Прибор имеет линейную световую характеристику с g = 0,6 (рис. 5.13.4), а его динамический диапазон чувствительности превышает два порядка по шкале освещенности, что соответствует аналогичным параметрам видиконов серии N 2606 фирмы Hamamatsu. На рис. 5.13.4 представлена зависимость тока сигнала от освещенности, соответствующая прибору с наиболее высокой чувствительностью. Для приборов, соответствующих более низким номинальным значениям чувствительности, световые характеристики располагаются между зависимостями 1 и 2 (см. рис. 5.13.4). Разрешающая способность прибора составляет 600 телевизионных линий. Глубина модуляции на отметке 400 телевизионных линий не менее 30 %, что соответствует значению этого параметра для видикона серии XQ 1610 фирмы EEV.

 

 

Рис. 5.13.4. Световые характеристики:
1 - разработанного прибора; 2 - ИК-видикона фирмы Hamamatsu [8]

 

Установка работает в ИК-спектральном диапазоне (от 1,1 до 1,8 мкм). Кроме того, разработанный видикон применен в телевизионной передающей ИК- подсветки, а также в телевизионном устройстве для экспертизы документов и других старинных бумаг, произведений искусства(рис. 5.13.5).

 

 

Рис. 5.13.5. Экспертиза фотографии на документе, испорченной непрозрачной краской

Среди всех классов однотипных технических устройств для криминалистических исследований документов наиболее широкие возможности имеют приборы на основе телевизионных систем с применением современных датчиков изображений (ПЗС-матриц) чувствительностью широкого спектрального диапазона от ближней ультрафиолетовой его части до ближней инфракрасной области спектра. Эти возможности телевизионных приборов обеспечивают явное преимущество перед человеческим глазом, способным воспринимать только излучения видимой области спектра (400 – 700 нм). Наличие в подобных приборах оптики с переменным фокусным расстоянием, осветителей с различными направлениями формируемых световых потоков и спектральными диапазонами излучения, а также оптических (корректирующих, отрезающих и узкополосных) фильтров камеры, делает их незаменимыми при исследованиях двумерных объектов. Благодаря этому, данные приборы широко используются для получения изображений объектов в отраженном, косопадающем, проходящем видимом и инфракрасном свете, а также при выявлении ультрафиолетовой и инфракрасной люминесценции красителей, чернил и растворителей (вытравливающих растворов). Основными производителями оборудования данного назначения являются фирмы Projectina (Швейцария), Foster+Freeman (Великобритания) и ЗАО “ЭВС” (Россия).

Создан программно-аппаратный комплекс “Эксперт-К”. Комплекс предназначен для исследования документов, денежных знаков, ценных бумаг, культурных ценностей и других двумерных объектов телевизионными средствами, а также для электронного документирования и формирования базы данных по цветным изображениям и сопровождающим текстовым данным.

Он обеспечивает проведение следующих видов исследований:

а) исследование документов в отраженном видимом свете;

б) исследование на просвет в видимом свете (400 - 700 нм);

в) исследование характера и цвета люминесценции объектов в УФ-освещении от встроенных источников с центральной длиной волны 365 нм;

г) спектрозональные исследования в узкополосных поддиапазонах длин волн 570, 610, 645, 695, 780, 850 и 950 нм, а также с помощью 11 отрезающих светофильтров;

д) исследование структуры и характера нанесения ферромагнитных материалов, содержащихся в красителях;

е) исследование документов в проходящем ИК-свете (860 нм);

ж) исследование рельефа печати и тиснения в косопадающем видимом и ИК-освещении;

з) исследование микрофрагментов, структуры материалов (в т. ч. и волокнистых), характера и последовательности нанесения красителей при средних и больших увеличениях;

и) исследование ИК-люминесценции красителей, вызываемой интенсивным сине-зеленым светом.

В состав программно-аппаратного комплекса входят следующие телевизионные, осветительные приборы и программное обеспечение. КТП-7625 “Комби-К”, БТП “Магнитоскоп-2”, БТП-7621 -цветная телелупа, блок питания для прибора БТП-7623, обеспечивающий его автономное использование в качестве телеприставки к микроскопу МБС-10.

Современные покровные лаки обладают недостаточной прозрачностью. Это определяется технологией изготовления, но и, конечно, исходными компонентами. Методы контроля применяются недостаточно, хотя перспективы большие. Например, при создания лаковых покрытий могут применяться методы исследования показателя преломления в тонких пленках и в поверхностных слоях с помощью отражения света: методы эллипсометрии. Иммерсионные методы, интреференционные, методы отражательной рефрактометрии, могут дать полезную информацию при контроле компонентов живописных материалов, при экспертной оценке произведений искусства.