Низкоуровневые высокочувствительные приборы различных спектральных диапазонов

Сравниваемые приборы:

• Ближний ИК-диапазон. VC249‑ЭОП — прибор на основе ЭОП — электронно-оптического преобразователя 3+ поколения, на сегодня лучший из приборов подобного типа. Очень сложно создать условия, при которых прибор ничего не видит. Разрешение ЭОП 68 лин/мм. Максимум спектральной чувствительности — приблизительно 800 нм. ЭОП состыкован с камерой VC249 на базе малошумящего сенсора. Разрешение камеры значительно выше разрешения ЭОП.
• ИК-диапазон. VS320 — камера ближнего ИК-диапазона (SWIR) с чувствительностью в диапазоне спектра 0,9–1,8 мкм. Спектральная чувствительность практически плоская. Разрешение 320×256, размер фоточувствительного элемента 30×30 мкм.
• Видимый диапазон. VC400 — высокочувствительная камера видимого диапазона на базе кремневой структуры. Разрешение 2000×2000, размер фоточувствительного элемента более 10 мкм. Максимум спектральной характеристики — примерно 550 нм.

Все камеры разработаны и изготовлены в России научно-производственной компанией «Фотоника».

Условия съемки:

1. Дата: ночь с 8 на 9 января 2018 года.
2. Широта около 58°, долгота около 31°.
3. Безлунная звездная ночь.
4. Проницаемость неба до 19 зв. в. (косвенная оценка).
5. Освещенность на уровне земли: 2,5 нВт/см² (или некоторые условные 4 млк).
6. Время экспозиции всех приборов 40 мс, что соответствует частоте кадров 25 Гц.
7. Светосила всех объективов одинаковая (но фокусные чуть разные): 1:1.0.

Рис. 1. Видеокадры (объекты: человек, таблица, светодиодный фонарь):
а) VC249-ЭОП;
б) VC400;
в) VSM320

Отметим, что все приборы работали в видеорежиме с частотой 25 Гц: это соответствует экспозиции 40 мс. Все приборы отлично справляются со своей задачей и различают объекты и фон, отсутствует засветка от неяркого светодиодного фонарика, но есть различия (рис. 1–3).

Рис. 2. Видеокадры (объект: дом с погасшей, но теплой дровяной печкой):
а) VC249-ЭОП;
б) VC400;
в) VSM320

У прибора с ЭОП преобладает фотонный шум и разрешение ниже, чем у прибора видимого диапазона. В то же время у прибора ближнего ИК-диапазона можно отметить явное свечение неба и то, что VS320 видит рассеянное тепловое излучение неостывшей печи (+100…+200 °C).

Рис. 3. Видеокадры (звезды):
а) VC249-ЭОП;
б) VC400;
в) VSM320

Отдельно продемонстрируем чувствительность SWIR-камеры на примере чувствительности к ИК-излучению абсолютно черного тела (рис. 4). Предельная чувствительность камеры соответствует регистрируемой температуре +50 °C. Это очень и очень высокая чувствительность для неохлаждаемого прибора ближнего ИК-диапазона (до 2 мкм).

Рис. 4. Видеокадры камеры ближнего ИК-диапазона VS320 для разной температуры абсолютно черного тела

Выполним еще один оригинальный тест для камеры ближнего ИК-диапазона, который проводится обычно только для тепловизионных приборов. Проверим чувствительность по чашке с горячим кофе (+80 °C) в видеорежиме (25 Гц) — результат показан на рис. 5.

Рис. 5. Видеокадры ближнего ИК-диапазона (до 1,8 мкм) при выключенном и включенном внешнем освещении

На текущий момент это представители самых высокочувствительных приборов в своих спектральных диапазонах.

Сфера применения для всех приборов разнообразна: улучшение видимости при управлении разными транспортными средствами, регистрация излучения в соответствующих спектральных диапазонах, а для камеры VC400 — и медицинское применение (рентгенография, ДНК-графия, регистрация слабых химических реакций) и астрономия.

В заключение отметим, что при текущем уровне развития приборы видимого диапазона по чувствительности приблизились, а по разрешению и обогнали электронно-оптические преобразователи последнего 3+ поколения.