Вторичные преобразователи изображения в медицине
Назначение и свойства вторичных преобразователей
В многозвенных системах медицинской интроскопии после взаимодействия первичного излучения с исследуемым объектом формируемое изображение часто преобразуется в световое, видимое изображение. Для преобразования светового изображения в электрические сигналы используют вторичные преобразователи – преобразователи свет – сигнал. В системах телевизионной эндоскопии и офтальмологии используется преобразование в сигнал изображения, сформированного оптической системой. Место преобразователей свет – сигнал в составе диагностических систем проще всего указать на примере рентгенодиагностических комплексов.
К числу основных проблем, возникающих при проведении рентгенологических исследований любым методом, в том числе методом рентгеноскопии, относятся задача максимального снижения дозы рентгеновского облучения, получаемой пациентом и рентгенологом, и задача увеличения яркости наблюдаемого изображения. Наиболее полно обе задачи могут быть решены при использовании телевизионного способа регистрации.
В настоящее время рентгеноскопия осуществляется при помощи обычных флюоресцирующих экранов, электролюминесцентных преобразователей, электронно-оптических преобразователей, а также путем сочетания флюоресцирующих экранов с электронно-оптическими усилителями с применением промежуточной оптики.
Рентгеноскопия с использованием обычного флюоресцирующего экрана является наиболее простым и распространенным методом рентгенодиагностики. Однако возможности метода ограничиваются малой яркостью изображения. Наблюдение изображения проводится лишь в затемненном помещении после определенного времени, необходимого для темновой адаптации глаз наблюдателя. Анализ изображения, имеющего малую яркость свечения, затруднен даже после длительной адаптации глаз, так как при уменьшении яркости значительно ухудшаются острота зрения и контрастная чувствительность глаза.
Анализ возможности увеличения яркости флюоресцирующего экрана за счет повышения
эффективности показывает, что работы в этом направлении могут дать больших результатов, так как даже в случае, если удалось всю энергию падающих на него рентгеновских чумой преобразовать в световое излучение, то яркость экрана могла бы быть увеличена не более чем в несколько раз.
Использование электролюминесцентных преобразователей позволяет увеличить яркость наблюдаемого изображения в 30-100 раз по сравнению с яркостью обычных флюоресцирующих экранов. В результате наблюдение изображения можно проводить в незатемненном помещении. Однако малая разрешающая способность н заметная инерционность электролюминесцентных преобразователей ограничивают возможности этого способа рентгеноскопии, также как и возможность проведения измерений.
Значительно большее увеличение яркости изображения дает использование электронно-оптических преобразователей (по сравнению с флюоресцирующим экраном примерно в 1000 раз), при этом может быть достигнуто высокое качество наблюдаемого изображения. Однако создание электронно-оптического преобразователя, имеющего большую площадь, чувствительную к рентгеновским лучам, представляет технологически сложную задачу. Поэтому получившие распространение электронно-оптические преобразователя имеют диаметр входной рабочей части от 150 до 320 мм.
Повысить величину просматриваемой при рентгеноскопии области можно путем сочетания флюоресцирующего экрана с электронно-оптическим усилителем. Разработанные в настоящее время электронно-оптические усилители дают примерно 50 000- кратное усиление света.
Электронно-оптические усилители и преобразователи имеют весьма малые размеры наблюдаемого изображения (диаметром 10-15 мм), что затрудняет использование их в рентгеноскопии.
Использование электролюминесцентных, электронно-оптических преобразователей и усилителей позволяет снизить требуемую интенсивность рентгеновских лучей, однако каждому из этих способов присущи отмеченные выше существенные недостатки, которые ограничивают возможности такой аппаратуры.
Круг вопросов, решаемых в рентгенологии, может быть значительно расширен путем использования телевизионных методов рентгеноскопии.
Для получения наибольшей чувствительности в системе с рентгенотелевизионной установкой, использующей высокочувствительную передающую трубку в сочетании с обычным флюоресцирующим экраном, целесообразно использовать светосильный зеркальный объектив. Электрический сигнал, образованный передающей трубкой, усиливается и модулирует электронный луч приемной трубки, создавая на экране изображение, имеющее яркость примерно в 10 000 раз выше яркости флюоресцирующего экрана. Такое изображение можно наблюдать в хорошо осве- щенном помещении. Роль вторичного преобразователя играет передающая ТВ трубка.
Одним из достоинств такого построения системы является возможность изменения масштаба съемок путем замены объектива или изменения расстояния от экрана до передающей трубки. Это дает возможность производить обзор большой площади обследуемого объекта.
В настоящее время созданы образцы передающих телевизионных трубок, непосредственно чувствительных к рентгеновским лучам. Необходимо, однако, отметить, что при создании передающей трубки, имеющей большую площадь рентгеночувствительной поверхности и обладающей высокой эффективностью преобразования, встречается ряд технических трудностей.
Эффект, получаемый при использовании телевидения, не ограничивается снижением требуемой интенсивности пучка рентгеновских лучей и увеличением яркости наблюдаемого изображения.
Особенностью телевидения является возможность одновременного воспроизведения изображения на неограниченном числе экранов, что позволяет осуществить фото- или киносъемку изображения в любой момент обследования, не нарушая процесса рентгеноскопии. Значительно совершенствуется процесс обучения, а также появляется возможность одновременной работы нескольких рентгенологов, занимающихся изучением различных диагностических аспектов.
Преимуществом телевизионного метода рентгеноскопии является возможность изменения в широких пределах контрастности изображения путем регулировки характеристик усилительного канала, а также изменение контрастности отдельных участков (например, светлых или темных).
Во многих случаях рентгенодиагностики важно знать истинные размеры объекта: при локализации инородных тел, при определении размеров сердца, турецкого седла и др. Решение этой задачи может быть значительно ускорено при использовании телевидения. Для этого сигнал с выхода передающей трубки должен быть подан на специальное измерительное устройство, где при помощи цифровых схем могут быть произведены интересующие измерения. Результат может быть получен в истинных величинах непосредственно по цифровому прибору или автоматически записан на специальный носитель (магнитный, фотографический и др.).
Использование телевизионных методов в рентгенотехнике позволит значительно усовершенствовать томоскопию и получить в перспективе объемное изображение исследуемого объекта. Телевизионные способы микрофильмирования рентгенограмм позволяют производить изменение градационных характеристик с целью улучшения качества рентгенограмм. Существенно упростить процесс исследования малых различии градаций плотности рентгенограмм можно путем использования телевизионного устройства преобразования яркостного контраста в цветовой (цветового копирования). Последние два метода имеют особо важное значение при рентгенологических исследованиях мягких тканей.
В качестве вторичных преобразователей в настоящее время используются фотоэлектрические преобразователи с внутренним фотоэффектом, матричные преобразователи на базе ППЗ, усилители света и др.
Фотоэлектрические преобразователи с окисло-свинцовой мишенью
В настоящее время наибольшее распространение получили фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с внутренним фотоэффектом. Это преобразователи типа видикон и его модификации: видикон с окисло-свинцовой мишенью (ОСМ), кремникон и др.
Такие преобразователи обладают высокой световой чувствительностью, так как в них реализован принцип накопления световой энергии.
Рассмотрим устройство и принцип действия видикона с ОСМ. Основой конструкции видикона является цилиндрическая колба 1. Один из торцов колбы служит окном, через которое с выхода РЭОП проецируется изображение на расположенную за окном полупроводниковую мишень.
Конструкция узла видикона с ОСМ приведена на рис. 32. ОСМ наносится на полупрозрачную сигнальную пластину 1 и представляет собой поликристаллическую структуру окиси свинца толщиной 12-20 мкм; со стороны сигнальной пластины формируется прослойка полупроводника – 2 с проводимостью n-типа, далее следует слой чистой окиси свинца – 3, обладающей светочувствительностью, затем структура содержит полупроводниковый слой – 4 с проводимостью p-типа. Основное поглощение света происходит в слое окиси свинца 3, представляющем собой упорядоченную игольчатую структуру кристаллов размером около 0,1x3x0,05 мкм, которые расположены перпендикулярно поверхности планшайбы 5.
Рис. 32. Видикон с ОСМ. а – узел мишени; б – конструкция.
Формирование потенциального рельефа происходит на поверхности слоя 4. Для предотвращения растекания образованного потенциального рельефа вдоль слоя 4 (между соседними элементами мишени, имеющими различный потенциальный рельеф), он имеет очень малую толщину, обеспечивающую высокое сопротивление слоя в направлении вдоль мишени.
Коммутация потенциального рельефа осуществляется пучком медленных электронов, следовательно, мишень стабилизируется при потенциале, близком к потенциалу катода. Если учесть, что на сигнальную пластину подается положительный потенциал, вся система представляет собой мозаику фотодиодов, включенных в запорном направлении. Это приводит к существенному снижению темнового тока мишени и уменьшению неравномерности темнового тока по полю изображения.
При рабочих потенциалах сигнальной пластины в толще мишени создается относительно высокая напряженность электрического поля, обеспечивающая эффективное разделение генерированных светом электронно-дырочных пар. Ток сигнала при этом оказывается близким к насыщенному значению, что приводит к высокой линейности характеристики преобразования света в сигнал. Показатель линейности этой характеристики находится в пределах 0,85–0,95. Высокая линейность характеристики преобразования обеспечивает успешное использование этих приборов в рентгенотелевизионных системах. Остальная часть прибора предназначена для формирования и отклонения коммутирующего электронного пучка 2 (см. рис. 32,6). Для формирования пучка электронов используются: термокатод 3; модулятор 4, имеющий отрицательный потенциал от 0 до 100 В (все потенциалы измеряются относительно потенциала термокатода); первый анод 5 с апертурной диафрагмой, непосредственно формирующей апертуру коммутирующего пучка, потенциал этого электрода положительный (+280 В); далее следует второй анод 6 с потенциалом, близким к потенциалу первого анода (+280–(-350 В), второй анод служит для создания эквивалентной потенциальной области, в которой производится отклонение коммутирующего пучка; коллектор 7 на торце имеет мелкоструктурную сетку для образования равномерного отбирающего электрического поля в районе мишени, он является коллектором вторичных электронов.
Потенциал сигнальной пластины – vcn определяет режим работы прибора. При низких положительных потенциалах (до +100 В) мишень работает в первой области (а<1) и обеспечивается стабилизация потенциала элементов мишени после коммутации их электронным пучком при значении, близком к потенциалу катода. Такой режим работы называется режимом коммутации пучком медленных электронов. При потенциалах сигнальной пластины, близких к значениям vCn>Vi, реализуется режим работы мишени во второй области и стабилизация потенциала элементов мишени происходит при значениях, близких к потенциалу коллектора. Это режим коммутации мишени быстрыми электронами. Большинство приборов работают в первом режиме.
Катушка 8 обеспечивает фокусировку коммутирующего пучка в плоскости мишени. Отклонение пучка по вертикали и горизонтали осуществляется двумя парами катушек 9. С этой целью в отклоняющих катушках генерируются пилообразные токи частоты полей и строк. Для направления коммутирующего пучка параллельно оси трубки используют корректирующие катушки. Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора RH, включенного в цепь сигнальной пластины.
Видиконы с ОСМ обладают малой инерционностью, что позволяет их эффективно использовать для исследования динамических процессов. Снижение инерционности достигается за счет уменьшения накопительной емкости. Последнее является следствием увеличения толщины мишени и ее высокой пористости. Уменьшение фотоэлектрической составляющей происходит вследствие создания в слое высокой напряженности отбирающего электрического поля и за счет свойств самого материала мишени. Для уменьшения инерционности в некоторых типах видиконов с ОСМ дополнительно используется внутренняя подсветка мишени, повышающая эффективность считывания потенциального рельефа в затемненных участках изображения. Возникающий при этом сдвиг на постоянную величину уровня черного в сигнале изображения корректируется в процессе преобразования сигнала в тракте усиления и обработки.
Как видно из вышеизложенного, структура ОСМ многослойна. Для предотвращения эффектов, связанных с отражением от внешней поверхности планшайбы видикона диффузно рассеянного света, используются противоореольные диски 6 (cм. рис. 32, а) толщиной около 7 мм, закрепленные на входном окне прибора с помощью оптической склейки.
При передаче изображений, в поле которых содержатся объекты повышенной яркости (прямое прохождение рентгеновских лучей на краях изображения), ток коммутирующего пучка становится недостаточным для полного считывания потенциального рельефа, соответствующего этим участкам изображения. При движении ярких объектов в поле изображения или панорамировании передающей камеры на телевизионном изображении это вызывает характерные искажения («тянучки», «хвосты кометы» и др.). С целью значительного снижения этих эффектов используется так называемый антикометный промежуток – АК-прожектор, который обеспечивает дополнительное считывание увеличенным в 10-15 раз коммутирующим пучком потенциального рельефа пересвеченных участков во время обратного хода по строке. С тем чтобы сохранить полезный потенциальный рельеф, величина которого не превышает заданного значения, в момент обратного хода пучка по строке потенциал катода повышается до + (5-15) В. Этим обеспечивается стабилизация «пересвеченных» участков при этом значении потенциала. Одновременно на управляющий электрод подается импульс положительной полярности с амплитудой 25-55 В, определяющий степень увеличения тока коммутирующего пучка во время обратного хода. Для динамического управления пучком в видиконе с АК-прожектором имеется дополнительный электрод (в районе первого анода), на который подается импульсное напряжение отрицательной полярности.
Настройка режима АК-прожектора производится путем подбора в периоды обратного хода потенциалов дополнительного электрода, катода и модулятора. Характеристики преобразования видиконов ЛИ-457 и ЛИ-458 с АК-прожектором приведены на рис. 33 [16]: 1 – величина катодного импульса во время обратного хода +9 В, 2-1-6 В, 3-1-3 В. Загиб характеристики происходит вследствие ограничения потенциального рельефа, соответствующего пересветкам.
Рис. 33. Зависимость вход-выход для видиконов ЛИ-457 и ЛИ-458
Отклонение и фокусировка коммутирующего пучка –электромагнитные. Размер изображения на мишени 9,5x12,7 мм2 при диаметре колбы 26,7 мм. При освещенности на мишени 1 лк величина тока сигнала составляет около 0,05 мкА. Разрешающая способность 600 линий/мм. Величина остаточного сигнала (инерционность через 40 мс) 8-17%.
Кремникон
Кремникон отечественного производства по принципу действия относится к ФЭП с полупроводниковой светочувствительной мишенью. Отличие его от рассмотренных выше видиконов состоит в способе формирования потенциального рельефа. Мишень кремникона является дискретной – она представляет собой матрицу фотодиодов, изготовленных методом планарной технологии. В отличие от светочувствительных слоев видиконов в качестве материала для мишени кремникона используется легированный полупроводник с низким сопротивлением. Конструкция матричной мишени поясняется рис. 34. Основой мишени является диск 1 из монокристалла кремния с проводимостью n-типа, диаметр диска около 20 мм, толщина 150 мкм. После полировки и очистки на одной из поверхностей диска выращивается оксидная пленка Si02 – 2. В пленке методом фотолитографии создается матрица отверстий 3, а путем диффузии вещества 4, имеющего р-проводимость, сформированная матрица преобразуется в мозаику дискретных р – n-переходов. Непротравленные участки оксидной пленки обеспечивают изоляцию элементов мозаики. На рабочем участке мишени (в круге диаметром 16 мм) толщина ее составляет 15-20 мкм.
Рис. 34. Конструкция мишени кремникона
На поверхности, обращенной к планшайбе, сформирован слой 5 с п+-проводимостыо толщиной 0,2-0,8 мкм. Этот слой формируется диффузией фосфора в тонкую часть диска мишени. Этот слой является сигнальной пластиной. Вывод сигнала изображения осуществляется с помощью тонкой металлической пленки 6, которая наносится на краевую часть диска.
Накопительной частью мишени является активная часть матрицы (фотодиоды). Для предотвращения накопления зарядов на поверхности между фотодиодами на нее наносится резистивное покрытие Sb2S3–7, имеющее высокое удельное сопротивление. Размер элементов матрицы (диодов) около 8 мкм, т. е. меньше сечения коммутирующего пучка на мишени, поэтому дискретность структуры мишени практически не вносит ограничений в разрешающую способность прибора.
Коммутация осуществляется пучком медленных электронов (коэффициент вторичной эмиссии меньше 1), поэтому потенциал элементов мишени в процессе считывания стабилизируется к потенциалу катода. Потенциал сигнальной пластины положительный + (6-10) В, следовательно, диоды матрицы находятся в запертом состоянии, а накопительные емкости после коммутации заряжены. Под действием света возбужденные неосновные носители заряда разряжают элементарные конденсаторы, причем степень разряда определяется величиной освещенности. Ток заряда (сигнала) в этих условиях будет определяться степенью разряда накопительной емкости к моменту повторной коммутации. Как видно, образование сигнала в процессе коммутации аналогично процессу формирования сигнала в видиконе.
Рис. 35. Зависимость вход-выход для видикона ЛИ-445
К числу достоинств кремникона относятся малая величина темнового тока (диоды в темноте заперты), линейность характеристики преобразования и устойчивость мишени к большим освещенностям (пересветкам), а также отсутствие инерционности (время диффузии носителей заряда, возникающих под действием света, от ограниченного слоя подложки к островкам р-проводимости не превышает 10-8).
Типичным отечественным кремниконом является трубка ЛИ-446 с диодно-мозаичной кремниевой мишенью. Она отличается повышенной чувствительностью и сниженной инерционностью. Ее основные характеристики: отклонение и фокусировка коммутирующего пучка электромагнитные; размер изображения на мишени 9,5x12,7 мм2 при диаметре колбы 26,7 мм; при освещенности на мишени 0,5 лк величина тока сигнала 0,25 мкА (рабочая освещенность 0,2 лк); разрешающая способность по всему полю
изображения 600 линий; величина остаточного сигнала (инерционность) через 40 мс – 10%. Характеристика преобразования приведена на рис. 35, некоторые параметры приемников – в п. 2.2.
Матричные фотоэлектрические преобразователи
В конце 60-х годов нашего столетия появились новые устройства – приборы с переносом заряда (ППЗ). Они нашли широкое применение в электронике как устройства памяти, обработки цифровой и аналоговой информации и др., однако наибольший эффект был получен при использовании ППЗ-структур в качестве преобразователей изображений, в частности в эндоскопии.
Основой любого преобразователя на базе ППЗ является конденсатор со структурой металл – окисел – полупроводник (МОП-конденсатор), который является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света или путем инжекции через р-n-переход. Цепочка из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.
К достоинствам ФЭП на базе ППЗ-структур следует отнести: возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую информацию; способность направленной передачи зарядовой информации и преобразования ее в сигналы изображения; высокое быстродействие; высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и габариты; высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным воздействиям, надежность и. большой срок службы.
В числе факторов, сдерживающих в некоторых случаях применение твердотельных ФЭП, следует отметить сравнительно низкую разрешающую способность, а также ряд технологических трудностей, связанных с обеспечением требуемых эксплуатационных характеристик.
Непосредственными предшественниками преобразователей на ППЗ-структурах явились матричные фотодиодные преобразователи с координатной выборкой сигналов изображений. В таких приборах считывание сигналов с отдельных элементов матрицы производится с помощью сдвиговых регистров.
Предельные характеристики ФЭП с координатной выборкой ограничиваются большой емкостью выводов сигналов изображения и неравномерностью чувствительности отдельных элементов матрицы.
Линейные ФЭП содержат один ряд фоточувствительных элементов, т. е. передают одну строку изображения. Для передачи двумерной картины используют перемещение передаваемого изображения поперек строки (например, в системах для передачи кинофильмов кинопленку непрерывно перемещают относительно ППЗ-линейки) или линейный ФЭП перемещают относительно передаваемой сцены (например, в системах съемки поверхности Земли сканирование осуществляется за счет движения космического аппарата, несущего ФЭП). Матричный преобразователь является полным аналогом передающей телевизионной трубки.
Активной ячейкой, осуществляющей преобразование светового потока в электрический заряд, является МОП-конденсатор. На рис. 36 показана такая ячейка, включающая в качестве основы подложку 1 из р-кремния. Путем термического окисления на «е поверхности формируется слой окисла 2, на который наносится металлический электрод 3. Если на электрод 3 подать положительное напряжение v3 относительно подложки 1, то под действием электрического поля под электродом 3 будет образована зона обеднения для основных носителей (указана пунктиром) – в рассматриваемом случае для дырок [75].
Рис. 36. Активная ячейка ППЗ
В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей заряда (в рассматриваемом случае электронов). Эти заряды могут образовываться замечет фото- или термоэлектронной эмиссии. Если рассматриваемый элемент освещен, то в полупроводнике около его поверхности образуются пары носителей заряда электрон-дырка. Электроны заполняют потенциальную яму, причем величина заряда, накопленного за дозированное время, оказывается пропорциональной освещенности. Распространение области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник – окисел ограничивается формированием областей полупроводника p-типа со степенью легирования на несколько порядков выше. В областях стоп-диффузии поверхностный потенциал на границе раздела окисел – кремний близок нулю.
Процесс накопления заряда в потенциальной яме происходит и при неосвещенном элементе за счет тепловой генерации неосновных носителей. В зависимости от температуры и свойств материалов МОП-конденсатора максимальный заряд в ячейке под действием тепловых процессов может образоваться за время от сотых долей до единиц секунд и выше. Если ограничить величину заряда, возникающего под действием тепловой генерации, так называемый уровень логического нуля, то можно определить максимальное время накопления и хранения заряда в ячейке, т. е. определить нижний предел рабочих частот накопительной ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре его устанавливают от единиц до десятков килогерц.
Рассмотрим принципы формирования ППЗ-матриц, а также механизмы считывания накопленных зарядов, реализованные в этих приборах.
На рис. 37 показана одна строчка из МОП-конденсаторов, выполненных на кремниевой подложке. Расстояние между электродами настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод положительного потенциала простираются практически до соседних электродов. Это условно указано на рис. 37, где штриховая линия обозначает поверхностный потенциал в соответствующем участке структуры для различных моментов времени. Там же указан характер изменения во времени потенциалов на электродах структуры.
Рис. 37. Графические обозначения принципа работы ППЗ
Рассматриваемая строчка представляет собой трехфазную структуру, электроды которой соединены между собой через два. Как видно из рис. 37, потенциалы электродов изменяются с циклической последовательностью. Зарядовый пакет, который за время накопления формируется под электродом Э, после подачи на соседний электрод положительного потенциала будет перемещаться под электрод Эг, если потенциал электрода Эг будет уменьшен до исходного значения, то зарядовый пакет полностью переместится под электрод Эг (см. рис. 37). Аналогично зарядовый пакет может быть смещен под электрод Эз и т. д. Цикличность изменения потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядовых пакетов в направлении, указанном стрелкой. В рассматриваемом случае предполагается, что во время переноса зарядовых пакетов вдоль структуры освещение (накопление заряда) прерывается.
Рассмотренная структура может быть использована для формирования сигнала изображения одной строки. Элементу изображения, как нетрудно видеть, соответствует ячейка из трех МОП-конденсаторов. Соседние зарядовые пакеты, сформированные в процессе накопления (например, путем импульсной проекции изображения) изолированы друг от друга потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким напряжением. Канал переноса ограничивается, как было указано выше, областями стоп-диффузии.
Быстродействие ППЗ-структур ограничивается временем переноса заряда из одной накопительной ячейки в другую. Это время достигает единиц. Поэтому максимальные тактовые частоты для ППЗ-структур составляют десятки или сотни МГц.
В отличие от рассмотренных идеализированных механизмов передачи зарядовых пакетов вдоль структуры в реальных условиях величина зарядового пакета по мере передачи его вдоль структуры не остается неизменной. Одна из основных причин этого явления состоит в захвате носителей заряда поверхностными энергетическими уровнями ловушек захвата. Для количественной оценки эффективности переноса зарядовых пакетов используют показатель эффективности передачи заряда или коэффициент потерь (неэффективность передачи).
Величина Кп для ППЗ-структур составляет 10-4–10~5.
Рассмотренные принципы построения линейных ФЭП могут быть применены для образования матричных структур. Линейные ФЭП, приведенные на рис. 37, могут быть скомпонованы в матрицу.
Наибольшее распространение получили ППЗ-преобразователи с покадровым переносом [75] (рис. 38,а). Секция накопления 1 и хранения накопленной информации 2 разделены. После завершения периода накопления в течение короткого времени (обратный ход по кадру) заряд переносится в секцию хранения; режим накопления возобновляется, а в это время в соответствии с принятыми параметрами разложения происходит считывание информации через регистр считывания 3. Аналогично происходит накопление и считывание в приборах с межстрочным переносом (рис. 38,6). В этом случае столбцы 1, в которых происходит накопление, располагаются параллельно со столбцами 2 хранения зарядовых пакетов. Считывание происходит через регистр считывания 3, а переносом из столбцов накопления в столбцы хранения управляет затвор переноса 4.
Рис. 38. Матричные ППЗ с покадровым (а) и межстрочным (б) переносом
Использование ППЗ-преобразователей в системах эндоскопии позволяет получить следующие характеристики: матрица с числом элементов 492x492 обеспечивает разрешающую способность 250 линий при отношении сигнал/шум 46 дБ.
Усилители света
К электровакуумным приборам, предназначенным для усиления яркости изображения, относятся усилители света (УС). Так как спектральный состав света усиленного изображения может отличаться от спектрального состава света входного изображения, то по существу усилители света являются разновидностью ЭОП, которые преобразуют изображения в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и других физических полях в видимое изображение (см. главу 2).
Независимо от числа каскадов усиления, спектрального диапазона усиливаемого света, способа переноса и принципа усиления электронного изображения в основу разработки усилителей света положены три физических принципа: преобразование светового изображения в электронное, усиление электронного изображения и преобразование электронного изображения в видимое (рис. 39).
Рис. 39. Усилители света. 1 – входное изображение, яркость которого необходимо усилить; 2 – фотокатод; 3 – система переноса и усиления электронного изображения; 4 – экран; 5 – усиленное по яркости выходное изображение
По числу каскадов усиления УС подразделяются на однокамерные и многокамерные. По способу переноса электронного изображения – на УС с однородным электростатическим нолем, с электромагнитной фокусировкой, с электростатической фокусировкой. По принципу усиления электронного изображения УС подразделяются: на каскадные с усилением методом оптического контакта экран – фотокатод; каскадные с усилением за счет использования вторичной электронной эмиссии, возникающей с обратной стороны диодов при бомбардировке электронами (эмиссия «на прострел»); канального типа с усилением за счет использования вторичной эмиссии электронов с внутренних стенок микроканалов. Усилить яркость входного изображения можно также за счет уменьшения масштаба переноса электронного изображения на выходной экран.
Описание принципов построения, различных конструкций и областей применения УС можно найти в работах [11, 34, 40, 42, 92]. В медицинской интроскопии УС применяются в некоторых конструкциях УРИ (’’Delkalix”, «Вега-320») для обеспечения работы передающих телевизионных трубок при оптимальной освещенности. В телевизионных микроскопах применение УС в сочетании с суперкремниконом обеспечивает работу при освещении микрообъектов низкими световыми потоками, что позволяет сохранить жизнедеятельность организмов, а при люминесцентных исследованиях предохраняет микрообъекты от выцветания. В офтальмологии применение суперкремникона с УС исключает фотопоражения сетчатки и светобоязнь пациента при длительных исследованиях. Для сочленения УС с суперкремниконами последние делают с волоконно-оптическим диском на входе, а УС – на выходе. Для использования нескольких однокамерных УС они должны иметь волоконно-оптический диск на входе и выходе. Применение волоконной связи между камерами многокаскадных УС дает возможность отдельно изготовлять камеры усилителя, благодаря чему значительно повышается выпуск готовых приборов.
Волоконно-оптические диски позволяют также использовать фотокатоды со сферической поверхностью, так что электростатическая фокусировка может быть осуществлена с пренебрежимо малой дисторсией.
Казалось бы, возможность сочленения передающей телевизионной трубки с несколькими или многокаскадными усилителями яркости позволяет использовать в системах медицинской интроскопии низкочувствительные, но малогабаритные и простые в эксплуатации трубки типа видикон, на базе которых разработан целый парк прикладных телевизионных установок (ПТУ). Однако это не соответствует действительности. Практика показала что при увеличении числа каскадов УС в сильной степени ухудшаются разрешающая способность и контрастная чувствительность, сужается динамический диапазон, возрастают неравномерность фона, собственные шумы и геометрические искажения системы. Например, опыт работы с УРИ «Делкаликс» и «Вега-320» показывает, что лучшее качество воспроизведения рентгеновского изображения обеспечивает УРИ ’’Delkalix”, в котором применен однокамерный усилитель света LBV (Нидерланды) и высокочувствительный изокон Р-880, а не УРИ «Вега-320», где применен трехкамерный усилитель света УМ-92 и ПТУ-38 на видиконе ЛИ-421 (табл. 3).
Известно, что для системы, собственными шумами которой можно пренебречь (идеализированная система), общая квантовая эффективность должна быть распределена между звеньями так, чтобы для всех них коэффициент шума был близок единице. Главная цель применения УС в медицинских интроскопах как раз состоит в том, чтобы за счет предварительного усиления яркости входного изображения исключить влияние на качество выходного изображения собственных шумов системы. Покажем это на примере распределения коэффициента усиления между звеньями УРИ [48]. Общая квантовая эффективность медицинских УРИ при мощности дозы 100 мкР/с и яркости экрана ВК.У 100 кд/м2 составляет 2-108. В табл. 4 приведены результаты расчетов распределения этой квантовой эффективности (а) между звеньями УРИ ’’Delkalix” и «Вега-320», а также требования к /квантовой эффективности звеньев идеализированной системы. В таблице указаны коэффициенты шума (f) звеньев УРИ.
Из табл. 4 видно, что для идеализированной системы, в которой экран поглощает каждый рентгеновский фотон и коэффициент шума каждого звена принят равным 1, достаточно между рентгеновским экраном и замкнутой телевизионной системой поставить УС с коэффициентом преобразования равным 20, если квантовая эффективность оптического узла переноса изображения на передающую телевизионную трубку и фотокатода трубкине ниже 0,1. Такое усиление легко достигается в однокаскадном УС. В УРИ «Делкаликс» применен УС с коэффициентом преобразования равным 150. Однако из-за неполного поглощения рентгеновского потока в экране и недостаточных коэффициенте переноса светового потока первым оптическим узлом и квантовой эффективности фотокатода УС, коэффициент шума УРИ равен 1,94. В УРИ «Вега-320» применен УС с огромным коэффициентом преобразования (2-105), тем не менее коэффициент шума этого УРИ (f=3,76) еще больше, чем у УРИ ’’Delkalix”, Даже повышение коэффициента поглощения рентгеновских лучей в экране системы «Вега-320» не позволяет компенсировать высокие коэффициенты шума первого оптического звена и фотокатода УС. Этот пример наглядно показывает необходимость (при разработке УРИ) проведения расчетов характеристик его звеньев. В приведенных расчетах не учтены некоррелированные с сигналом шумы, влияние которых существенно в многокаскадных УС и телевизионных трубках класса суперортикон.
Поиски путей сокращения потерь информации в первом оптическом узле УРИ привели к созданию РЭОП, в котором рентгеновский экран сочленен с фотокатодом УС через оптически прозрачный слой (а-оптики ~0,5) в одной вакуумной колбе.
Перспективным направлением развития УС, которые найдут широкое применение в системах медицинской интроскопии, является разработка УС прямого переноса изображения с фотокатода на выходной экран. УС прямого переноса прост и компактен. Он состоит из плоского фотокатода и анода (который может быть люминофором или каскадом электронного усиления многокамерного УС или передающей телевизионной трубки), разделенных расстоянием в несколько миллиметров с ускоряющим напряжением между ними, создающими напряженности поля до 50 кВ/см. Изображение в фотоэлектронах фокусируется на анод электростатической системой. Для этих УС подходят высокоэффективные фотокатоды с отрицательным электронным сродством Г851. Такие усилители уже нашли применение в плоских РЭОП.
