veronika pekarská Čvut - fakulta biomedicínského inženýrství

Veronika Pekarská

ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství

Multimediální učebnice konvenčních zobrazovacích systémů-IR

Fyzika KonstrukceObrazovýřetězec

Využití

Historie

Fyzikální základy

• Elektromagnetické spektrum• Základní zákony termografie• Absolutně černé těleso• Kirchhoffův zákon• Dreyfusův vztah• Emisivita• Difuzní zdroj• Fotoelektrický jev• Pyroelektrický efekt• Lidské tělo

10nm 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km

0,75μm 3μm 6μm 15μm 1mm

trafia

Elektromagnetické spektrum

• Přestože jsou vlnové délky udávané v mikrometrech (μm), používají se v tomto spektrálním pásmu i jiné jednotky, např. nanometry (nm) a Ångströmy (Å). Vztah mezi různými jednotkami je následující:

10 000 Å = 1 000 nm = 1 μ = 1 μm

Zdroje infračerveného záření

• infračervené záření může generovat hmota s teplotou vyšší než je absolutní nula (0K)

• velikost zářivého toku generovaného tepelným zdrojem, spektrální složení a směr šíření závisejí na vlastnostech a teplotě zdroje.(zvýšení teploty = vzrůst energie zářivého toku, kratší vlnové délky )

• infračervená radiace je proud fotonů

Energie fotonu

E........energie fotonu[J]

h........ Planckova konstanta[J·s]

v......... frekvence[s-1]

c......... rychlost světla[m·s-1]

λ......... vlnová délka[μm]

19109861

Signálový radiační tok

• pro tepelné zářiče v jeho zorném poli je reprezentován tokem fotonů v infračervené části spektra.

Základní zákony vyzařování

Wienův posunovací zákon

Planckův vyzařovací zákon

Stefan-Boltzmannův zákon

Absolutně černé těleso

Proud fotonů

• pohlcování záření a vyzařování absolutně černého tělesa je vysvětleno Kirchhoffovým zákonem (podle Gustava Roberta Kirchhoffa, 1824–1887)

• ideální těleso, které pohlcuje veškerou radiaci na něj dopadající, bez ohledu na vlnovou délku a úhel, pod kterým na těleso dopadá

• pokud je AČT zdrojem radiace je ideální absorber i emiter radiace

• vyzařuje na všech vlnových délkách při dané teplotě maximální dosažitelnou energii zářivého toku

Kirchhoffův zákon

• v zájmu zachování energie musí být v termodynamické rovnováze emitovaný tok a absorbovaný tok na všech vlnových délkách a ve všech směrech při dané teplotě stejný

Kirchhoffův zákon

• těleso schopné pohlcovat (absorbovat) veškeré na něj dopadající záření je schopné stejné množství záření vyzařovat (emitovat)

• zákon vypovídá o základních vlastnostech těles, které jsou se svým okolím v termodynamické rovnováze a dopadá na ně zářivý tok z vnějšího zdroje signálové radiace

Kirchhoffův zákon

• Dopadající tok může být rozdělen na tři složky:

prošlýodraženýpohlcený

Kirchhoffův zákon

• Koeficienty popisující vlastnosti těles ozářených radiačním tokem:– Koeficient pohltivosti

(absorpce) – α– Koeficient odrazivosti

(reflexe) – ρ– Koeficient propustnosti

(transmise) -

odrazený

prošlý

pohlcený

Kirchhoffův zákon

• podle velikostí jednotlivých koeficientů se těleso chová jako:– Absolutně černé: dokonalý příjímač, α=1, ρ=τ=0– Šedé: α<1 a konstantní, ρ=1- α, τ=0– Antireflexní materiál: α+τ=1, ρ=0 – Zrcadlo: dokonalý odražeč, ρ=1, α=τ=0– Dokonale propustný materiál: τ=1, α=ρ=0– Matný – opacitní materiál: α+ρ=1, τ=0– Obecný materiál:0≠ (α,ρ,τ) ≠1

Kirchhoffův zákon

• termodynamická rovnováha tělesa v poli infračerveného záření:

absorbovaný výkon [W]=

α x E[W.m-2] x plocha[m2]=

ε x M[W.m-2] x plocha[m2]=

vyzářený výkon [W]

E........ozáření, expoziceM....... intenzita vyzařování

Stefan-Boltzmannův zákon Wienův posunovací zákon

spektrální měrná zářivostLλ,T

spektrální intenzita vyzařováníMλ,T

:∂λ

Vztahy mezi jednotlivými zákony

celkový zářivý výkonMe,T

Planckůvvyzařovací

zákon

Max Planck (1858–1947)

• základní zákon tepelného vyzařování AČT

h........ Planckova konstanta 6,6256 · 10-34[J · s]

kB....... Boltzmannova konstanta 1,3807 · 10-23[J · K-1]

c.........rychlost světla 2,9979 · 108[m · s-1]

C1...... 1. vyzařovací konstanta 1,191 · 10-16[W · m2]

C2...... 2. vyzařovací konstanta 1,4388 · 10-2[K · m]

]μmcmsr[W

(T)LλT

Ce,λ121

chChcC 2

21 2 ,

• spektrální měrná zářivost L (výkon generovaný z jednotky plochy povrchu zdroje na dané vlnové délce do jednotkového prostorového úhlu) při absolutní teplotě zdroje T [K] v energetickém tvaru

• Spektrální intenzita vyzařování absolutně černého tělesa M v energetickém tvaru:

]12 mcmWTLTM ee )[,(),( ,,

• V grafu jsou vidět křivky spektrální měrné zářivosti [W.sr-1.m-2.m-1] pro 3 různé teploty [K].

(300,350 a 400K)

Stefan-Boltzmanův zákon

Jozef Stefan(1835-1893)

Ludwig Boltzmann(1844-1906)

• Vyjadřuje intenzitu vyzařování AČT.• Výsledná intenzita vyzařování černého tělesa je

úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty (T):

• Lze vyjádřit integrací Planckova vyzařovacího zákona:

][)( 24 cmWTTM ee

2),()( 244

cmWTThc

kdTMTM eee

• Závislost celkového zářivého výkonu [mW.cm-2] na teplotě [K].

Wilhelm Wien (1864-1928)

• maximum spektrální intenzity vyzařování se mění v závislosti na teplotě, odpovídající vlnovou délku lze stanovit vyhledáním lokálního extrému odpovídajících funkcí

• z toho vyplývá, že čím je těleso teplejší, tím vyzařuje na kratších vlnových délkách a tedy na vyšších frekvencích

][28980),(

max, KmT

• Závislost vlnové délky [μm] na teplotě [K].

Dreyfusův vztah

• popisuje vyzařování v konečném intervalu spektra• detektory infračerveného záření mají omezenou

spektrální citlivost – je nutné stanovit výkon záření generovaného z jednotky plochy absolutně černého tělesa v konečném spektrálním intervalu

,, ),(),(),( TMTMTM eee

Dreyfusův vztah

• Zjednodušení vztahu:

∆λ...... šířka spektrálního okna [μm]

n........ dáno velikostí ∆λ a absolutní hodnotou λ1 λ2

ne TTM ),,(,

Emisivita

• bezrozměrný koeficient ε• vyjadřuje zhoršení vyzařovacích vlastností zdroje ve

srovnání s absolutně černým tělesem• závisí na λ a T

AČT),(

),(),(

zdrojee

Emisivita

• koeficient emisivity nabývá hodnot 0 až 1.• koeficient emisivity je závislý na:

– typu materiálu zdroje– vlastnostech povrchu zdroje– vlnové délce– teplotě materiálu– směru vyzařování

Emisivita

• Základní typy radiačních zdrojů:– Absolutně černá tělesa: ε(λ)=1

• Lambertovský zářič– Šedá tělesa: ε(λ)<1 a konstantní

• Lambertovský zářič, ale jeho vyzařování je na všech vlnových délkách ε x menší než vyzařování absolutně černého tělesa.

– Selektivní zdroje: ε(λ) se mění v závislosti na λ • emisivita závislá na směru vyzařování

Lidské tělo

• Neochlupený a suchý povrch lidského těla se chová jako téměř dokonalé černé těleso a to nezávisle na barvě pokožky. (spektrální interval nad 6μm)– Spektrální interval 3-6μm: selektivní zářič– Spektrální interval menší než 3μm: povrch kuže

cástečně transparentní• Pokožka není ideální Lambertovský zářič

Vyzařování infračerveného záření lidským tělem

Fyzikální veličina Fyzikální rozměrAbsolutně černé

těleso Lidské tělo

λe,max(T=310K) μm 9,2903 9,2903

Me,λmax(T=310K) W cm-2 μm-1 3,7098*10-3 3,635*10-3

Me(0-∞)(T=310K) W cm-2 5,2635*10-2 5,162*10-2

Le(0-∞)(T=310K) W cm-2 sr-1 1,6750*10-2 1,642*10-2

Povrchová teplota kůže člověka (ºC)

Teplotaokolí

Chodidlo Bérec Stehno Břicho Záda Hruď Rameno Předloktí Ruka ČeloStředníhodnota

1517,4±2,4

22,3±1,8

23,2±2,2

29,1±2,3

30,1±2,4

29,9±2,2

26,2 ±1,3

27,0 ±2,0

19,7 ±2,7

29,7 ±2,1

25,7 ±1,2

2021,7±0,9

25,8 ±1,0

27,9 ±1,5

30,7 ±1,7

31,3 ±1,1

31,9 ±1,1

28,0 ±0,8

27,7 ±0,7

24,0 ±1,3

32,9 ±0,9

28,2 ±0,8

2527,1±0,8

28,9 ±1,0

30,5 ±1,1

33,5 ±0,4

32,7 ±1,5

32,8 ±0,9

30,8 ±2,0

30,3 ±1,3

25,4±2,1

33,9±0,4

30,6±0,9

3031,6±1,0

32,7 ±0,7

33,4 ±0,6

34,7 ±0,8

34,4 ±0,8

34,5 ±0,8

33,4 ±0,8

33,6 ±0,6

32,9 ±0,9

34,8 ±0,7

33,4±0,5

3535,5±0,3

35,3±0,2

35,0±0,4

35,1±0,6

35,4±0,4

35,9±0,3

36,0±0,2

35,7±0,3

35,8±0,2

35,8±0,6

35,7±0,2

ºC373635343332313029282726252423222120191817

rameno

předloktí

břicho

stehno

bérec

chodidlo

okolímin

průměr

ºC373635343332313029282726252423222120191817

rameno

předloktí

břicho

stehno

bérec

chodidlo

ºC373635343332313029282726252423222120191817

rameno

předloktí

břicho

stehno

bérec

chodidlo

ºC373635343332313029282726252423222120191817

rameno

předloktí

břicho

stehno

bérec

chodidlo

ºC373635343332313029282726252423222120191817

rameno

předloktí

břicho

stehno

bérec

chodidlo

Konstrukceob

ivfilt

pozič

Infrakamera

Převzato z : TermaCam P25 Příručka uživatele. Praha: FLIR SYSTEMS, 2004. 122 s.

Vnitřní struktura

Převzato z : DRASTICH, A.. Netelevizní zobrazovací systémy. Brno: VUT FEI ÚBMI,2001. 174 s. ISBN 80-214-1974-1

Kamerová jednotka (Blokové schéma)

Snímkový snímač

Řádkový snímač

OptikaŠedý filtr

Opticko-mechanická

poziční jednotka

Optický modulátor

Selektivní filtrClona

Detektor

Před-zesilovač

VýběrTstr

Řádkový rozkladový

Snímkový rozkladový

Regulace rychlosti otáček

Vzájemná synchronizace a regulace otáček

Synchronizace řádkového rozkladu

Synchronizace snímkového

rozkladu

Zobrazovací jednotka

Zobrazovací jednotka (blokové schéma)

Hlavní zesilovač

Generátor řádkového rozkladu

Generátor snímkového

rozkladu

Zesilovač a koncový stupeň

Aditivní člen

Generace zatemňovacích

impulzů

Diferenční ampl. analyz. izoterma

Poloha izotermy

Šířka ∆t izotermy

Korekce nelinearity

„Volba clony“

Generátor stupnice šedosti

Korekce emisivity

„Emisivita“

Výběr teplotního

rozsahu ∆TK

„Citlivost“

Invertor

Zobrazení izotermální / normální

Zobrazení normální, izotermální, s max kontrastem

Výstup

Zdroj předpětí

„Jas“

Zesilovač

„Kontrast“

Kamerová jednotka

Objektiv

• Tandemové uspořádání difrakčních čoček z vhodného materiálu s antireflexní vrstvou.

Clonění

• 3 typy clon:– vstupní a výstupní clona s neměnnou aperturou

definuje využité okrajové paprsky čoček– clona s proměnnou aperturou umožňuje ovlivnit

ozáření detektoru v závislosti na velikosti zářivého toku generovaného ze snímané scény

Filtrace

Selektivní filtrace

Neselektivní filtrace

Útlum signálové radiace pomocí šedých filtrů.

Využití:velikost zobrazované povrchové teploty je tak velká, žeozáření detektoru nelze dále zmenšovat zmenšovánímotvoru clony. Pomocí šedého filtru dochází k zeslabenízářivého toku o konstantní útlumový faktor definovanýstupněm šedosti filtru.

Šedý filtr = hrubý výběr zobrazovaného teplotního intervalu

Selektivní filtrace

• Filtrace signálové radiace a to zejména uzobrazení objektů, které vykazují selektivníabsorpci a tedy i selektivní emisi IR záření.(Kirchhoffův zákon)• Potlačení veškeré zářivé energie, kteránení emitována ze selektivního zdroje.• Selektivní filtrace pro výběr spektrálního intervalu, prokterý je daný materiál propustný. Cílem je změřit radiaciod zdroje umístěného za transparentním oknem. Příkladempožadavku na výběr spektra signálové radiace je eliminacenežádoucích zdrojů IR záření (Slunce).

Opticko mechanická poziční jednotka

Podle způsobu rozkladu primárního parametrického pole známe tyto formáty skenování :

• Sériový• Paralelní• „Staring“ – nejedná se o skenování (mechanický rozklad

obrazu)

• obrazové artefakty skenování:• skenovací šum• stínování• narcisový jev

Sériový formát skenování

• okamžité zorné pole elementárního detektoru (IFOV) je pomocí zrcadel a hranolů přenášeno po vhodné trajektorii tak, aby překrylo celé zorné pole(FOV)

• skenování vyžaduje dva optické prvky (zrcadlo a hranol), které se pohybují v navzájem kolmých směrech

• celý snímaný objekt je skenován po jednotlivých ploškách

• pohyb zleva do prava je zajištěn hranolem, shora dolů zrcadlem

Animace - body

Paralelní formát skenování

• větší počet elementárních detektorů zajistí překrytí FOV v jednom směru (sloupec)

• obraz je rozkládán ve směru kolmém na orientaci „sloupce“

• tento typ skenování vyžaduje jeden optický rozkladový prvek (hranol)

Animace - sloupec

„Staring“ formát

• matice elementárních detektorů překrývající celé FOV• počet pixelů stejný jako počet detektorů• není zde potřeba žádných optických rozkladových

elementů

Animace - celoplošná

Skenovací šum

• interakce mezi skenovacím systémem a zářivým tokem vnitřních částí infrakamery

• radiace optických členů

Stínování

• Pokles jasu směrem k okrajům obrazovky při snímaní primárního parametrického pole s konstantní velikostí primárního parametru. Nehomogenita procesu zobrazení.

Narcisový jev

• vzniká vlivem reflektovaného zářivého toku od chlazeného detektoru zpět na detektor

• není-li fokusován homogenně snižuje úroveň užitečné radiace v celém zorném poli

• je-li částečně fokusován vytváří v obrazu nehomogenitu

Optická modulace

• optický modulátor - chopper

• rotující disk s výřezy umístěn v cestě měřeného radiačního signálu

Optická modulace

• IR radiometrické systémy pracují na principu srovnávání neznámé měřené intenzity vyzařování snímaného objektu se známou intenzitou vyzařování vnitřního referenčního zdroje

• systém vyhodnocuje diferenci mezi zářivým tokem snímaného objektu a zářivým tokem referenčního zdroje (Φ-Φref)

• detektor je střídavě ozařován radiačním signálem ze snímaného objektu a radiačním signálem od optického modulátoru – referenčního zdroje

• zavádění referenčního signálu časově odpovídá zpětnému běhu optických rozkladových prvků skeneru do výchozích bodů řádku, snímku

• režimy optického modulátoru:

Optický modulátor jako

Optická modulace

přímý zdroj referenční radiace

reflektor radiačního signálu

• referenční radiace je dána teplotou samotného modulátoru a jeho povrchovou emisivitou

• nevýhodou je obtížné udržení konstantní teploty modulátoru

Optický modulátor jakopřímý zdroj referenční radiace

• modulátor tvořen zrcadlem• referenční zdroj tepla generuje referenční radiace• radiace je zkolimována a nasměrována na list

modulátoru, od kterého se odráží do zorného pole detektoru v časovém intervalu zavádění referenčního signálu

• přesné a stabilní měření

Optický modulátor jakoreflektor radiačního signálu

Detektory

• detektor IR záření v infrazobrazovacích systémech převádí zářivou energii na jiné formy energie (na elektrický signál)

• základní charakteristiky

• rozdělení

• porovnání

Základní charakteristiky infradetektorů

• Kvantová účinnost

• Spektrální citlivost

• Prahový výkon

• Detektivita

• Šumový ekvivalent rozdílu teplot

Kvantová účinnost

• účinnost převodu fotonů na částice elektrického signálu (fotoelektrony a nábojové páry elektron-díra)

η…......kvantová účinnost

np ……počet fotonů

no ……fotoelektrony, páry elektron-díra

Spektrální citlivost

• spektrální citlivost = responzivita• vztah mezi výstupním signálem detektoru a výkonem

signálové radiace na vstupu

f…..…frekvence optické modulace [Hz]U…… signál na výstupu detektoru(napětí,

pro proud [AW-1μm-1])Ф…….zářivý tok [W]

11 -- .μV.W

fUfR m

Prahový výkon

• NEP (Noise equivalent power)• výkon šumu na výstupu detektoru bez přítomnosti

signálové radiace (poměr SNR=1)

in,un……efektivní hodnoty šumového proudu, napětí

RI,RU….proudová, napěťová spektrální responzivita

Prahový výkon

• hodnota NEP by měla být co nejmenší

(malá hodnota = vysoký odstup signálu od šumu SNR)• hodnota NEP je pro konkréktní detektor vždy konstatní

(mění se pouze SNR)

Detektivita

• Reciproká hodnota k NEP.

11 WNEP

Normalizovaná detektivita

• D* - měrná detektivita(detektivita vztažená na jednotku plochy detektoru)

Ad.......aktivní plocha detektoru∆f....... šířka přenášeného pásma při měření šumu

• příklad: bolometrický detektor (128 elementů) s responzivitou 5kV.W-1, v režimu 8-12μm má měrnou detektivitu 2.108 cm.Hz1/2.W-1

121 WHzcm

.* /dA

Šumový ekvivalent rozdílu teplot

• NETD (Noise equivalent temperature difference)• rozdíl teplot mezi dvěma černými tělesy, který na

výstupu detekčního systému produkuje takovou úroveň elektrického signálu, že =1

• popisuje teplotní citlivost IR ZS• NETD [K]• typické hodnoty NETD v termografii:

– pro bolometrické detektory 80-200 mK – pro fotonové detektory 10 mK

• hodnota NETD je závislá na šírce pásma v kterém měříme

podletypusoučástky

podletypupolovodiče

selektivní(fotonové)

neselektivní(tepelné)

vlastní(intrinsické)

nevlastní(extrinsické)

fotokonduktivníPC

fotovoltaickéPV

bolometrické

mikro-bolometrické

mozaikovémikrobolometrické

IR detektory

Selektivní - fotonové detektory

• využívají přímé přeměny dopadajícího záření na elektrický náboj, elektrický proud

• kvantové detektory jsou polovodičové systémy• dopadající záření přímo excituje elektrony• jejich počet a tedy i velikost výstupního elektrického

signálu je úměrný intenzitě záření• využívá se CMT• nutnost chlazení

Selektivní - fotonové detektory

• Základem je fotoelektrický jev: je-li energie elektronu ve valenčním pásmu, která mu byla předána fotonem záření, dostatečná k překonání zakázaného pásma Qg , elektron opustí valenční pásmo a pohybuje se v pásmu vodivostním (vznik párů elektron-díra). Minimální energie fotonu (vlnová délka) je dána šířkou zakázaného pásma.

λc........mezní vlnová délka

Qg.......zakázané pásmo energie [eV]

Vlastní – intrinsické detektory

• Stejná koncentrace elektronů a děr

• vzhledem k malé šířce energetického pásma Qg budou nábojové nosiče generovány také nezávisle na detekovaných fotonech, vlivem tepelné energie materiálu detektoru

• počet těchto nosičů, které vytváří šum, je dán Boltzmannovým distribučním zákonem

Nevlastní - extrinsické detektory

• nestejná koncentrace elektronů a děr (způsobená příměsemi do základního materiálu)

• vhodné pro delší vlnové délky (vlnové délky, pro které není možné najít vlastní polovodiče s dostatečně malou šířkou zakázaného pásma)

• dva typy vodivosti:– P - vodivost: převládají akceptorové hladiny, vodivost

způsobují díry, elektrony jsou minoritní– N - vodivost: převládají donorová centra, vodivost

způsobují elektrony, díry jsou minoritní

Nevlastní - extrinsické detektory

• volné nábojové nosiče vznikají ionizací akceptorových nebo donorových příměsových atomů

• detekovaný foton musí mít energii stejnou nebo větší než je ionizační energie aktivačních příměsí

• vliv termální excitace je větší než u vlastních detektorů (malá energie potřebná pro excitaci)

• vyžadují chlazení až na 4K (kapalné hélium)

Fotokonduktivní detektory PC

• PhotoConduktor detectors• Fotoodpory• Fyzikální princip – změna vodivosti vlivem ozáření.

Velikost odporu detekce je inverzně proporcionální ozáření:

Rd...... odpor detektoru [Ω]

Φq...... ozáření detektoru [W]

• změna signálového napětí duo vlivem změny ozáření dФq je proporcionální vlastnostem napájecího obvodu

duo..... změna signálového napětí [V]

dΦq.... změna ozáření [W]

Náhradní schéma fotokonduktivního detektoru

iq proud

Rd odpor detektoru

Cd kapacita detektoru

u signálové napětí

iq Rd Cd u

Nejjednodušší zapojení v pracovním režimu

U napětí zdroje

RL odpor obvodu

Rd odpor detektoru

Φq ozáření

u signálové napětí

Rd uΦq

Fotokonduktivní detektorySPRITE

• Signal Processing In The Element

• fotokonduktivní materiál CMT

• spektrální interval 8-14 μm

• SPRITE je speciálním typem skenovacího CMT detektoru

• musí být chlazen a vyžaduje skenovací optiku• jeden snímací prvek zde nahrazuje několik běžných

sériových elementů• může být použito k paralelní skenování pro zvýšení

účinnosti a rychlosti• pracovní pásmo 8 – 14 μm• optika F/2 – F/4• teplotním rozlišení NETD 0,2 Kelvinů.

směr skenování

pohyb nosičů náboje

Fotokonduktivní detektoryQWIP

• Quantum Well Infrared Photodetector

(well = studna pro excitaci nosičů)• Výroba materiálových vrstev atomární tloušťky (jednotky

Ångströmů - Å )

10 000 Å = 1 000 nm = 1 μ = 1 μm

• Střídáním atomárních vrstev vhodných materiálů vede ke vzniku lokální změny energetických hladin – „well“

• MQW detektory (Multiple Quantum Wells) – vzájemně navazující tenké vrstvy v sendvičové konfiguraci

• kvantová detekční účinnost QWIP detektoru může být zvýšená zvětšováním počtu vrstev v sendviči (MQW)

• hodnota měrné detektivity pro centrální vlnovou délku λp byla stanovena na:

)exp(*Tk

610 1,1

• interakce fotonů a excitace nosičů se uskutečňuje mezi vodivými pásmy, které tvoří studnu

šířka studnyvýška studnyenergetické úrovně (závislé na šířce)

h∆ESB

• Vlivem násobného uspořádání vrstev v sendviči dochází ve studni k rozštěpení hladin a vytváření energetických pásem, mezi kterými mohou být excitovány elektrony detekovanými fotony. Mění se rozsah spektrální citlivosti senzoru.

• Podmínky excitace elektronů:– Energie detekovaného fotonu musí být stejná nebo

větší než je šířka pásma mezi hladinami– V elektromagnetickém poli IR fotonů musí excitovat

komponenta složky elektrického pole E, která má směr odlišný od normály k sendvičové struktuře.

Fotovoltaické detektory PV

• PhotoVoltaic detectors• Fotodiody• Fyzikální princip – vytvoření PN přechodu pomocí dvou typů

extrinsických materiálů. Záření dopadající na přechod je absorbováno tenkou depletiční vrstvou, kde excituje nosiče, které jsou elektrickým polem přechodu rozděleny a vytváří tak fotonapětí.

• Fotoproud generovaný dopadajícím zářivým tokem:

katoda

P vrstva

N vrstva

izolační vrstva

depletiční vrstva

dlouhé vlnové délky

krátké vlnové délky

• proud procházející diodou (na detektor dopadá zářivý tok):

io........ reverzní saturační proud [A]U .......napětí na diodě [V]q ....... náboj vybuzených vodičů [C]β ....... emisní konstanta (pro ideální diodu = 1)k ........ Boltzmannova konstanta [J·K-1]T........ absolutní teplota [K]

go i)Tkβ

• v závislosti na zapojení diody může PN přechod pracovat jako zdroj napětí, zdroj proudu nebo zdroj výkonu

Náhradní schéma PV detektoru

io proud zdroje

iq proud

Cd kapacita detektoru

Rd odpor detektoru

RL odpor obvodu

Neselektivní - tepelné detektory

• využívají pyroelektrického jevu• fungují na základě změny některé vlastnosti materiálu

(např. odporu) důsledkem absorpce energie infračerveného záření

• transformace zářivé energie na energii tepelnou a její transformace na energii elektrickou

• reagují na celkovou energii zářivého toku• zářivá energie je absorbována krystalickou mřížkou a

způsobuje změnu rotačně-vibračních kmitů atomů. • tepelné detektory jsou jednoduché, levné a nevyžadují

chlazení• lze je využít jen jako bodové měřiče teploty

Neselektivní - tepelné detektory

• vykazují vlastnosti černého tělesa• zářivá energie je absorbována tenkým načerněným

povrchem• pohlcují, pokud možno, dokonale dopadající radiaci• spektrální citlivost je určena spektrálními absorpčními

vlastnostmi povrchové černě detektoru• ustálené zvýšení teploty vyvolané absorbovaným

zářením je mírou energie dopadajícího zářivého toku• doba potřebná k dosažení termodynamické rovnováhy

detektoru určuje velikost jeho časové konstanty

Bolometrické detektory

• tepelné detektory• v závislosti na ohřátí se mění elektrický odpor detektorů• charakteristická veličina: teplotní součinitel odporu α:

– odpor elektrických vodičů s roustoucí teplotou stoupá: α má kladnou hodnotu

– odpor R[Ω] elektrických polovodičů s roustoucí teplotou T[K] klesá: α má zápornou hodnotu

Základní zapojení bolometrického detektoru

Bolometr Rd

Výstupní signál u(t)h·v

• polovodičové materiály – termistorové bolometry jsou u infrakamer většinou typu NTC (Negative Temperature Coefficient, α cca -5%.K-1)

• závislost odporu termistoru na teplotě je exponenciální:

Ro...... odpor bolometru [Ω]b........ materiálová konstantaT........ absolutní teplota [K]

bRRd exp 0

Mikrobolometrické detektory

• standardní bolometry mají velkou tepelnou časovou konstantu (jsou pomalé)

• bylo nutné snížit tepelnou kapacitu detektoru a zmenšit tepelní vodivost

• ideální stav = detektor je ve vakuu, nemá mechanický kontakt se základnou

• skutečnost = nutný elektrický kontakt detektoru s čtecí elektronikou (ideálnímu stavu se však lze přiblížit)

Mikrobolometrické detektory

• materiál vhodný ke konstrukci mikrobolometru je amorfní film z VOx (vanadium-oxid) s α=-2%.

• používá se amorfní křemík nebo germánium • není nutné chlazení• vyžaduje se stabilizace teploty elementu

Mikrobolometrické mozaikové detektory

• paralelní uspořádání mikrobolometrických elementů do detekčních mozaik (např. 320 x 240).

• struktura je:– tepelně izolována od prostředí– tepelně stabilizována (termoelektrické chlazení na

pokojovou teplotu)– uzavřená do vakuovaného pouzdra se vstupním

oknem např. z germania.

Mikrobolometrické mozaikové detektory

• každý element je izolován od sousedního, aby se vzájemně neovlivňovali

• zamezení ztrátě rozlišovací schopnosti• eliminace vlivu interní radiace =

– automatický teplotní kompenzační systém– přesné senzory teploty– referenční tepelný zdroj

Fotoelektrické / Tepelné detektory

Vlastnosti Fotodetektor Tepelný detektor

Responzivita vysoká nízká

Měrná detektivita D*≈1011 až 1012 D*≈108 až 109

Časová konstanta velmi krátká (μs) dlouhá (ms)

Spektrální citlivost omezená široká (μm)

Nejčastejší typ PtSi, InSb, QWIP mikrobolometr

Pracovní teplota nízká

(vyžaduje chlazení)

pokojová teplota

Cena vysoká nízká

Předzesilovač

• detektor infrazáření je stejnosměrně vázán na předzesilovač

• zesiluje signál pro jeho další zpracování• Výstup předzesilovače má velký dynamický rozsah (60-

80dB) proto je infrakamera vybavena obvody pro výběr střední zobrazované teploty a zobrazovaného teplotního intervalu (interval určuje rozsah teplot pro následné barevné zpracování).

Obrazový řetězec – skenovací IR ZS

• Postup zpracování a zobrazení signálu:

pozičníjednotka

obrazovájednotka

kamerovájednotka

monitor

zobrazovací jednotka

Obrazová jednotka - skenovací IR ZS

• zpracování a korekce signálu• kvalita záleží na mnoha faktorech

zesilovací stupně:• korekce emisivity• korekce nelinearity• výběr teplotního rozsahu

Korekce emisivity

• korekce na emisivitu zobrazované scény provedena změnou zesílení

• používaná při zobrazení šedého tělesa jehož emisivita je známá (ε x menší než u černého tělesa)

• zmenšení radiačního signálu vykompenzováno zvětšením zesílení videosignálu

Korekce nelinearity

• korekce na nelinearitu transformace parametrického pole na elektrický signál

Výběr teplotního rozsahu

• výběr zobrazovaného teplotního intervalu proveden změnou zesílení

Poziční jednotka - skenovací IR ZS

• trajektorie rozkladu pole musí odpovídat trajektorii jeho rekonstrukce na obrazovce IR ZS

• Je nutné generovat elektrický signál zajišťující:– geometrickou identičnost (snímaný obraz-výstup),– stejnou rychlost rozkladu,– synchronnost časování počátku řádku a snímku

Poziční jednotka - skenovací IR ZS

• Elektrická část poziční jednotky elektrický signál vyrobí a zajistí synchronizaci posuvu optické osy skeneru s posunem elektronového paprsku reprodukční obrazovky.

• Na rozkladové elementy se umístí optické (nebo elektromagnetické) snímače, které zajistí generaci impulsů, časově vázaných s pozicí rozkladových generátorů.

• U digitálních systémů je činnost řízená procesory. Multiprocesorové systémy, kde jsou jednotlivým procesorům přiřazené funkce. (řízení optické jednotky, kalibrace,…)

• neskenovací systémy: (FPA mozaikové detektory) výstupní signál z FPA detekční jednotky je v digitální formě

Kvalita IR ZS systémů

• Spektrální citlivost• Rozlišovací schopnost• Minimální rozlišitelná teplotní diference

• Infraradiometrické systémy jsou citlivé na široké pásmo frekvencí elektromagnetického záření.

• Integrální citlivost R:

– citlivost k celkovému výkonu detekované signálové radiace.

• Spektrální citlivost – responzivita R(λ):

f......... frekvence optické modulaceU....... signál na výstupu detektoru (napětí nebo

proud)Φ....... zářivý tok

– popisuje celý systém

11 -- .μV.W

fUfR m

Rozlišovací schopnost

• je dána minimální vzdáleností dvou ještě rozlišitelných bodů

prostorovározlišovacíschopnost

energetickározlišovacíschopnost

rozlišovacíschopnost

Prostorová rozlišovací schopnost

• určuje, jak malý bod je systém ještě schopen zobrazit (jaký nejmenší předmět ve scéně mající vysoký kontrast vůči pozadí bude identifikovatelný)

• jednotka: počet párů čar / mm• určuje ji průběh MTF a PSF

Energetická rozlišovací schopnost

• počet stupňů kontrastů, které je ještě systém schopen zobrazit (minimální změna která může být systémem identifikována)

• IR přibližně: 0,5°C (pro termokamery využívané v medicíně je hodnota nižší)

• pro IRZS - NETD - senzitivita zobrazovacího systému je velikost nejmenšího signálu, který ještě je detekovatelný senzorem. NETD [K]

• NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – teplotní diference ekvivalentní šumu.

Energetická rozlišovací schopnost

• NETD reprezentuje takovou změnu teploty, která zvýší úroveň signálu na úroveň šumu (SNR=1)

us......... efektivní hodnota šumu

un......... špičková hodnota signálového napětí

Minimální rozlišitelná teplotní diference

• MRDT (Minimum Resolvable Temperature Difference)• změna teploty černého tělesa, která odpovídá minimální

změně záření, způsobující rozlišitelnou změnu výstupního signálu

(v úvahu bereme vlastnosti přístroje, monitoru a pozorovatele)

Minimální rozlišitelná teplotní diference

• určování MRDT – postupně se mění teplotní diference (T1–T2) a subjektivně se hodnotí (pozorovatel), jestli je prostorová frekvence čárového fantomu ještě rozlišitelná

• pro dnešní IR ZS je MRDT v řádech 10-2K

Lékařská termografie

• neinvazivní biofyzikální vyšetřovací metoda využívaná pro měření, registraci a zobrazování teplotních jevů

Převzato z http://www.polymed.sk

Bezkontaktnítermografie

Kontaktnítermografie

Lékařskátermografie

Kontaktní termografie

• metody jsou založené na teplotní roztažnosti látek, často kapalin (rtuť)

Kontaktní termografie

• lékařský rtuťový teploměr

• elektronické kontaktní teploměry

• termistory

• tekuté krystaly

Lékařský rtuťový teploměr

• kapalinový teploměr, upraven k měření maximální teploty

(zúžení kapiláry v místě nad baňkou se rtutí - po použití je nutné rtuť „sklepat“)

• pomalé měření (cca 8 min)

Elektronické kontaktní teploměry

• LCD displej, teplotní senzor umístěn v kovové špičce, která se přikládá k místu měření – orientační měření

• s kontaktními sondami fixovanými na povrch těla –přesné měření (i dlouhodobě)

Termistory

• odporové polovodičové senzory (závislost odporu na teplotě)– negastory

• teplotní součinitel odporu negativní• závislost odporu na teplotě je nelineární• velký vnitřní odpor (v řádech MΩ) => odpor

přívodních vodičů je zanedbatelný – pozistory

• teplotní součinitel odporu pozitivní• nejsou vhodné pro měření teploty těla

Tekuté krystaly

• teplotními indikátory jsou kapalné krystaly, které mají různé termooptické vlastnosti– změna prostorového uspořádání molekul v závislosti

na teplotě• zvýšení teploty: vzdálenost mezi molekulami se zmenší

Bezkontaktní termografie

• každý objekt, kterého teplota je vyšší než absolutní nula (nula Kelvina), je zdrojem infračerveného záření.

• spektrum infračerveného záření závisí od teploty vyžařujícího tělesa a jeho okolí

• infračervené záření – elektromagnetické vlnění, které se vyzařuje z povrchu lidského organismu:– vlnová délka v rozmezí 1.10-6 až 1.10-3 m– energie 1 až 1.10-3 e.V.

Bezkontaktní termografie

• na detekci infračerveného záření se používají přístroje, které transformují vyzářenou tepelní energii na obraz rozdělení povrchové teploty zkoumaného objektu

• nejrozšířenější jsou termovizní zařízení

Výhody bezkontaktní termografie

• neinvazivnost• jednoduchost• bezpečnost pro pacienta i obsluhu• nízká cena vyšetření

Termogram

Termogram dolní končetiny

po chirurgickém zákroku (levá končetina)

Termogram s nálezemv okolí klíční kosti

Termogram

• Infračervená kamera SVIT firmy Promedical

Převzato z http://www.promedical.cz/infrakamera.htm

Využití v medicíně

• chorobou postihnuté místo vydává jiné množství tepla než okolité zdravé tkáně.

• na termogramu se to projeví změnou v rozdělení teploty tělesného povrchu, co může být hodnoceno jako nespecifický příznak nemoci.

• chorobní stavy cévního řečiště (hlavně poruchy prokrvení dolních a horních končetin a pod.)

Převzato z http://www.medicalthermography.com/WHAT%20IS%20THERMOGRAPHY/UKTA%20poster2.pdf

• angiologie (diagnostika zápalu žil a rozšiřování křečových žil, diabetická angiopatie)

• Pomocí termovize můžeme odhalit ložiskové chorobní procesy, které závisí od:– rozdílu teploty ložiska a okolité zdravé tkáně– hloubky uložení ložiska– stádia chorobního procesu– citlivosti a geometrické rozlišovací schopnosti

termografického přístroje

• onkologie - počáteční stádia a diferenciální diagnostika

Převzato z http://thermographyclinicscanada.com/

• mamologie (sledování prsních žláz žen na vykonávání preventivních měření a sledování vývoje nových nádorových formací)

• klinická diagnostika zápalových procesů (revmatická artritida, primární deformace, osteoartróza, periartritída, vibrační těžkosti, polyneuropatie, sakroiliitída, spondylartritída, poškození páteře, zápalové procesy žlučníku, štítné žlázy a jiné)

• traumatologie [popáleniny, omrzliny (stav cév) a jiné, s následnou kontrolou efektivnosti léčby poranění, poškození nervů, zlomenin]

• experimentální medicína (sledování nových medicínských preparátů a funkční vliv fyziologického množství na lidský organizmus)

• rychlá diagnostika všeobecné hypertermie otevřených častí těla člověka (atypická pneumonie, horečky s různou etiologií)

• rychlá diagnostika LOR onemocnění (čelistní sinusitídy, čelní sinusitídy, zápalu přínosových dutin)

• termovizní kontroly v sportovní medicíně, fyzioterapii, kosmetologii, na letištích (chřipkové epidemie)

převzato z http://zpravy.idnes.cz/podezreni-na-praseci-chripku-ohlasili-take-lekari-z-plzne-pm4-/domaci.asp?c=A090429_094313_domaci_ban

1800 1900 2000

W Herschel Melloni Langley

Seebeck

Časová osa

očlá

J Herschel

počá

Sir Frederick William Herschel

• hledal materiál pro optický filtr, kterým by se při pozorování slunce snížil jas obrazu v dalekohledech

• rozpoznal, že musí existovat bod, v němž tepelný efekt dosáhne maxima

*1738 †1822

objevení infračervené složky světla

• 1800 - Sir Frederick William Herschel - experiment s použitím teploměru a skleněných hranolů, rozkládajících sluneční světlo na spektrum.

• testoval která část spektra nese největší množství tepla.

• posunul teploměr až za konec červené složky světla a očekával, že tepelný efekt vymizí, teplota vzrostla více než v předchozích případech.

• Tato ,,neviditelná" složka světla byla pojmenována infračervená.

Thomas Johan Seebeck

• v roku 1821 objevil termoelektrický jev, co umožnilo další rozvoj ve zkoumání infračerveného spektra a nahrazení doposud používaných teploměrů za termočlánky

*1770 †1831

Termoelektrický jev

• přímá přeměna rozdílu teplot na elektrické napětí, nastává při teplotních rozdílech mezi dvěma rozdílnými kovy s rozdílnou teplotou, na tomto principu funguje termočlánek

T1, T2 – spoje s různými teplotami

A,B –různé kovy

názorné zapojení jednoduchéhotermočlánku do obvodu,

na voltmetru odměříme napětí

Macedonio Melloni

• 1830 - kamenná sůl (NaCl)• k dispozici v krystalech

dostatečně velkých, aby z ní šly vyrobit čočky a hranoly

• propouští infračervené záření• se stala se hlavním optickým

materiálem pro infračervené spektrum

• byla nahrazena až v roce 1930 kdy byla zvládnuta metoda výroby syntetických krystalů

*1798 †1854

Sir John Frederick William Herschel

• na základě diferenciálního odpařování tenké vrstvy oleje vystavené tepelnému záření, které na ni zaměřil, bylo možné spatřit tepelný obraz díky odráženému světlu, protože interferenční účinky olejové vrstvy zajistily, že obraz byl pro lidské oko viditelný

• v roce 1840 vytvořil jednoduchý záznam teplotního obrazu na papír - "termograf"

*1792 †1871

Samuel Pierpont Langley

• 1880 - vynalezl bolometr• sestával z tenkého

začerněného proužku platiny připojeného k jedné větvi Wheatstonova můstku, na který bylo zaměřeno infračervené záření, na něž reagoval citlivý galvanometr

• problémem byla potřeba chlazení na teploty blízké absolutní nule

*1834 †1906

První generace termokamer

• určené převážně pro vojenské účely, kde se některé používají dodnes

• diskrétní detektory - fotovodivé lineární matice s maximálně 100 elementy většinou vyráběné z InSb, PbSb a HgCdTe.

• důležitým zlomem v 80. letech bylo vynalezení SPRITE detektorů a nasazení skenovací technologie

kamera z roku 1969, která i spříslušenstvím vážila přibližně 66 kg

SPRITE

• SPRITE - Signal Processing In The Element• speciální typ skenovacího CMT detektoru• musí být chlazen a vyžaduje skenovací optiku, ale jeden

snímací prvek zde nahrazuje několik běžných sériových elementů

• paralelní použití několika SPRITE elementů v jednom detektoru může být použito pro zvýšení účinnosti a rychlosti

• pracovní pásmo 8 – 14 μm• optika F/2 – F/4• typickým teplotním rozlišením NETD 0.2 K

Druhá generace termokamer

• 1990 – nová technologie mozaikových detektorů FPA (Focal Plane Array) – umožněn vývoj pasivních nechlazených neskenovacích infrazobrazovacích systémů obsahujících 100 – 1000 elementů

• multiprvkové SPRITE detektory• skenovací systém• teplotní rozlišení NETD kleslo na 0.1 Kelvinů• menší, lehčí a prodávaly se i v komerčním provedení• základní čtecí logika a plná integrace snímaných

elementů byly na společném chipu

Třetí generace termokamer

• neskenovací termokamery • s 2D chlazenými FPA

detektory vyráběné z HgCdTe, InSb nebo technologii QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector)

• s nechlazenými FPA založenými na mikrobolometrech nebo feroelektrické technologii

• více než jeden milión elementů model z roku 2002 vážící i s baterií

pouhých 0,7 kg

Třetí generace termokamer

• digitální zpracování signálu na společném chipu• rychlé integrované vyčítací obvody ROIC• volba pixelů, antiblooming každého pixelu, předzesílení,

úprava a filtrace v blocích• nevyužívá se skenovací mechanika = zjednodušení

optiky (úkol optiky je zaostřit infračervený obraz na FPA)• chlazené i nechlazené kamery, které sice nemají natolik

kvalitní obraz, ale jsou výrazně levnější

Boltzmannův distribuční zákon

nt........počet tepelně generovaných nosičůk......... Boltzmanova konstanta [J·K-1]T........ absolutní teplota [K]

• chlazení detektoru = snížení šumu (např. na 77K – teplota kapalného dusíku)

exp(Tk

• SNR – Signal-to-Noise Ratio:– odstup signálu od šumu– popisuje kvalitu přenosu informace

• CMT (Cadmium Mercury Telluride)• HgCdTe (tellurid rtuťnokademnatý)• výhodou CMT je možnost nastavení maximální citlivosti

v rozmezí 3 - 5 μm nebo 8 - 14 μm změnou poměru složek sloučeniny

• signálový výstup je při pokojové teplotě zaplavený šumem generovaným detektorem

• detekční pásmo 3 - 5 μm se chladí na 190 K, 8 - 14 μm na 77 K

Diferenciální diagnostika

• porovnávání• v průběhu nemoci několik měření – sleduje se dynamika

onemocnění• využívá se u párových orgánů

Difuzní zdroj a lambertovský zářič

• koeficient emisivity je nezávislý na směru vyzařování

Fotoelektrický jev

• elektrony jsou uvolňovány z látky v důsledku absorpce elektromagnetického záření látkou

• je-li energie elektronu ve valenčním pásmu, která mu byla předána fotonem záření, dostatečná k překonání zakázaného pásma Qg , elektron opustí valenční pásmo a pohybuje se v pásmu vodivostním (vznik párů elektron-díra). Minimální energie fotonu (vlnová délka) je dána šířkou zakázaného pásma.

Fotoelektrický jev

λ........ mezní vlnová délka [μm]

Qg...... zakázané pásmo (energie) [eV]

Vnější Vnitřní

Fotoelektrický jev

Vnější fotoelektrický jev

• Působením vnějšího elektromagnetického záření se elektrony z povrchu látky uvolňují do okolí.

Vnitřní fotoelektrický jev

• Uvolněné elektrony látku neopouští, zůstávají v ní jako vodivostní elektrony.

Pyroelektrický jev

• schopnost materiálu generovat dočasný elektrický potenciál při změně jeho teploty

• tepelné detektory

VFOV, HFOV, IFOV

• 1 - VFOV, 2 - HFOV, 3 – IFOV• VFOV: vertikální zorné pole, HFOV: horizontální zorné

pole, IFOV: okamžité zorné pole (velikost bodu)

• detektory se skládají z matice detekujících elementů vyrobených z CMT (HgCdTe) nebo PS (PtSi)

• celá snímaná oblast je optikou zaostřena na matici• systém je limitován velikostí matice• pro co největší rozlišení je potřebný co nejvyšší počet

elementů

Modulační transferová funkce - MTF

• Modulation Transfer Function (MTF) je parametr popisující prostorovou rozlišovací schopnost a kvalitu obrazu zobrazovacího systému.

• MTF určuje jak kvalitně zobrazovací systém zreprodukuje snímanou scénu.

Odezva na jednotkový impuls - PSF

• Point Spread Function (PSF) – popisuje reakci zobrazovacího systému na bodový zdroj

impuls odezva

Koeficient emisivity

T: celé spektrum; SW: 2–5 μm

materiál teplota v °C spektrum emisivita

kůže lidská 32 T 0,98

dřevo 17 SW 0,98

voda destilovaná 20 T 0,96

cihla (červená, hrubá) 20 T 0,88–0,93

papír bílý 20 T 0,7–0,9

voda sníh –10 T 0,85

titan leštěný 1000 T 0,36

stříbro leštěné 100 T 0,03

veronika pekarská Čvut - fakulta biomedicínského inženýrství

Documents

rešeršní služby v Ústřední knihovně Čvut (mgr....

procesní inženýrství - tabulky

obsah - zcu.cz · 1 obsah 1 b2301–strojní inženýrství...

Říční inženýrství

enzymové inženýrství

123main cvičení i. · katedra materiÁlovÉho...

zÁklady dopravnÍho inŽenÝrstvÍ

sociální inženýrství

portfolio fa Čvut

genové inženýrství (josef „faskal“ novák)

fbmi Čvut

porovnání účinků laseru a magnetoterapie u...

katedra lékařských a humanitních oborů fbmi Čvut ve...

seminÁrnÍ prÁce asijskÁ bojovÁ...

institut environmentálního inženýrství

fakulta bezpečnostního inženýrství vŠb–tuo

magisterský program biomedicínské inženýrství a...

Úloha biomedicínského inženýra na sálech

základy obrazového inženýrství

České vysoké učení technické v praze fakulta ... ·...