Преобразователи инфракрасного излучения
В тепловизорах приемники (преобразователи) ИК-излучения преобразуют тепловое изображение в видеосигнал, который после усиления и обработки подается на ВКУ или устройство записи термограммы. В зависимости от типа тепловизора применяют одноэлементные, многоэлементные или двумерные приемники.
Одноэлементные приемники
Одноэлементные приемники ИК-излучения применяются в настоящее время в большинстве тепловизоров для медицинских целей. Так одноэлементный приемник применен в тепловизорах класса «Рубин», ряде тепловизоров шведской фирмы «Aga» и др. [51]. В приемниках используются явление изменения электропроводности (фоторезисторы) или явление возникновения электродвижущей силы (фотодиоды). Наиболее часто используются фоторезисторы или фотодиоды на основе антимонида индия (InSb); фоторезисторы из кристаллического германия, легированного ртутью (GeHg), и фотодиоды на основе тройного соединения CdHgTe. Фоточувствительный элемент приемника обычно имеет квадратную (прямоугольную) форму с размерами от 0,05X0,05 мм2 до 0,3X0,3 мм2.
Параметры одноэлементных ИК-приемников определяют чувствительность, коэффициент шума, инерционность, динамический диапазон и спектральную чувствительность тепловизора. На рабочее поле и пространственную разрешающую способность тепловизора параметры одноэлементных приемников практически не влияют, так как рабочее поле тепловизора определяется главным образом системой оптико-механического сканирования, а пространственная разрешающая способность – мгновенным полем зрения оптической системы (табл. 1).
Основным параметром одноэлементного ИК-приемника, характеризующим одновременно чувствительность и коэффициент шума тепловизора, является удельная обнаружительная способность. Она равна отношению сигнал/шум на выходе приемника для мощности излучения на входе, равной 1 Вт, измеренному в единичной полосе частот и приведенному к единичной площади приемника.
Соотношение (14) позволяет сформулировать требования к шриемнику, обнаружительная способность которого ограничивается только шумами фонового излучения. Для этого требуется, чтобы в знаменателе соотношения (14) второе и третье слагаемые, связанные с внутренними шумами приемника, были значительно меньше первого слагаемого, определяющего шум фонового излучения. Чтобы пренебречь вторым слагаемым, темновой ток приемника должен быть существенно меньше произведения трех сомножителей e-G2-S. Это требование обычно ограничивает максимальную рабочую температуру приемника, так как с ростом температуры растет темповой ток. Уменьшение третьего слагаемого возможно только путём увеличения произведения *G2-R-S. Этим условиям для фонового излучения тела человека хорошо удовлетворяют приемники на основе антимонида индия InS.b .при охлаждении до температур ниже 77 К, кристаллического германия, легированного ртутью (GeHg), и тройного соединения CdHgTe. Для достижения предельного значения обнаружительной способности необходимо иметь квантовую эффективность приемника, близкую к 1. Квантовая эффективность реальных приемников обычно превышает 0,5 и у многих приемников приближается к теоретическому пределу.
Приемник должен сохранять высокую обнаружительную способность во всем спектральном диапазоне, используемом для формирования теплового изображения. Это возможно только в том случае, если в этом спектральном диапазоне энергия фотонов значительно превышает энергию возбуждения электронов.
Контраст теплового изображения во всем спектральном диапазоне излучения тела человека при перепаде температур 310К–320 К не превышает 1,03. Расчеты показывают, что в спектральном диапазоне 3,5-5 мкм при том же перепаде температур контраст изображения повышается до 1,344, а в спектральном диапазоне 8-14 мкм до 1,148. Поэтому для увеличения контраста между деталями теплового изображения используют приемники с более узким диапазоном спектральной чувствительности, чем спектр излучения тела человека.
Для экспресс-диагностики необходимы тепловизоры, работающие в реальном масштабе времени. В этом случае одним из основных технических параметров приемника является быстродействие, которое определяется его постоянной времени T=RC, где С – емкость. Чем больше T, тем инерционнее приемник и, следовательно, меньше его быстродействие.
Для первых трех приемников удельная обнаружительная способность указана при частоте модуляции лучистого потока 400 Гц, а для четвертого – при 1000 Гц.
Все приведенные в таблице одноэлементные приемники, которые используются в тепловизорах, работают при низких температурах, охлаждение до которых требует применения криогенной техники. Это удорожает тепловизоры и усложняет их эксплуатацию. Поэтому для тепловизоров представляют значительный интерес фотоприемники, работающие без охлаждения.
Многоэлементные приемники
Как уже указывалось, с целью увеличения чувствительности или быстродействия (сокращения времени кадра) тепловизора одноэлементные приемники объединяются в группы. При этом возможны различные методы сканирования изображения (рис. 16, а, б, в). Для увеличения быстродействия тепловизора применяют параллельное сканирование линейкой приемников (рис. 16,а). Каждый приемник 2 сканирует свою строку, каждому необходим свой усилительный тракт 1. Выходные сигналы всех одноэлементных приемников усиливаются, обрабатываются и одновременно подаются на устройство регистрации. Основной недостаток параллельного сканирования заключается в том, что разброс чувствительности одноэлементных приемников приводит к появлению паразитного фона изображения и, кроме того, такой метод сканирования не увеличивает чувствительности тепловизора.
Рис. 16. Методы сканирования изображения. а – параллельное сканирование линейкой приемников; б – последовательное сканирование линейкой приемников в режиме ВЗИ; в – последовательно-параллельное сканирование с помощью двумерной матрицы в режиме ВЗИ.
С целью увеличения чувствительности тепловизора применяют последовательное сканирование линейкой одноэлементных приемников 2, 3 (рис. 16, 6), ориентированных вдоль линии сканирования так, что каждый элемент изображения сканируется всеми одноэлементными приемниками. Выходные сигналы элементов после предварительного усиления поступают на линию задержки и суммируются на выходе. Преимущество этого метода сканирования по сравнению с предыдущим заключается в том, что упомянутый выше паразитный сигнал не возникает, поскольку сигналы всех приемников суммируются, а чувствительность увеличивается. Из телевизионной техники хорошо известно [26], что чувствительность тепловизора возрастает пропорционально корню квадратному из числа используемых одноэлементных приемников, если время сканирования кадра остается постоянным.
Для одновременного увеличения быстродействия и чувствительности тепловизора применяют последовательно-параллельное сканирование большим числом одноэлементных приемников в режиме временной задержки и накопления (рис. 16, в) [86]. Благодаря процессу временной задержки и накопления на выходе каждого канала, состоящего из N элементов, сигнал возрастает в N раз, а шум в 1/N раз, если процесс временной задержки и накопления не вносит дополнительного шума. Число используемых одноэлементных приемников при параллельном, последовательном и последовательно-параллельном сканировании ограничено необходимостью соединения каждого приемника с собственным предварительным усилителем и для современного уровня технологии тепловизоров не может превышать несколько сотен [46]. После разработки приборов с переносом заряда (ППЗ) приборов с зарядовой связью (ПЗС), приборов с инжекцией заряда (ПЗИ) и др. появилась возможность разместить в плоскости изображения тепловизора матрицы из тысяч фотоприемников, что позволит во много раз снизить обнаруживаемый температурный контраст и увеличить быстродействие тепловизора. Так как ПЗС-регистр представляет собой дискретную аналоговую линию задержки, то режим временной задержки и накопления легко осуществить с его помощью [861. Поэтому можно использовать наборы двухмерных матриц ПЗИ малого формата в последовательно-параллельном режиме сканирования. Подобный ИК-приемник с последовательно-параллельным сканированием малоформатных матриц ПЗИ подробно рассмотрен в [86].
Двухмерные приемники с электронным сканированием, т. е. передающие телевизионные трубки – ППЗ, заполняют всю площадь теплового изображения в фокальной плоскости объектива тепловизора. Они используют полное время кадра для накопления сигнала с каждого элемента изображения и с этой точки зрения являются наиболее эффективными. Однако малый контраст тепловых изображений тела пациента исключает в настоящее время использование ППЗ в медицинских тепловизорах. При современном уровне технологии изготовления двухмерных приемников геометрический шум, обусловленный неравномерностью чувствительности приемника по полю изображения, является доминирующим. В работах [46, 51] показано, что для обнаружения с помощью двухмерного детектора перепада температур в 0,2 К при температуре фона 300 К среднеквадратичное отклонение чувствительности отдельных элементов приемника от среднего значения не должно превышать 0,05%, что более чем на порядок точнее достигнутого уровня. Тем не менее работы по решению задачи наблюдения малых температурных перепадов на значительном фоне с помощью двухмерных детекторов не прекращаются. Наибольших успехов удалось получить при совершенствовании пировидиконов и инфракрасных ППЗ. Подробное описание достижений в этих областях содержится в работах. Наряду с совершенствованием самих пировидиконов и инфракрасных ППЗ большое внимание уделяется обработке полученных от них сигналов изображения.
