![Page 1: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/1.jpg)
Veronika Pekarská
ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství
Multimediální učebnice konvenčních zobrazovacích systémů-IR
Fyzika KonstrukceObrazovýřetězec
Využití
Historie
![Page 2: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/2.jpg)
Fyzikální základy
• Elektromagnetické spektrum• Základní zákony termografie• Absolutně černé těleso• Kirchhoffův zákon• Dreyfusův vztah• Emisivita• Difuzní zdroj• Fotoelektrický jev• Pyroelektrický efekt• Lidské tělo
![Page 3: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/3.jpg)
10nm 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km
0,75μm 3μm 6μm 15μm 1mm
rent
geno
véul
trafia
lové
vidi
teln
é
infra
červ
ené
mik
rovl
nné
radi
ové
blíz
ké
stře
dní
vzdá
lené
velm
i vzd
álen
é
Elektromagnetické spektrum
![Page 4: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/6.jpg)
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
,chhE
![Page 7: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/7.jpg)
Signálový radiační tok
• pro tepelné zářiče v jeho zorném poli je reprezentován tokem fotonů v infračervené části spektra.
![Page 8: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/8.jpg)
Základní zákony vyzařování
Wienův posunovací zákon
Planckův vyzařovací zákon
Stefan-Boltzmannův zákon
Absolutně černé těleso
![Page 9: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/9.jpg)
Absolutně černé těleso
Proud fotonů
![Page 10: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/10.jpg)
Absolutně černé těleso
• pohlcování záření a vyzařování absolutně černého tělesa je vysvětleno Kirchhoffovým zákonem (podle Gustava Roberta Kirchhoffa, 1824–1887)
![Page 11: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/11.jpg)
Absolutně černé těleso
• 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
![Page 12: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/14.jpg)
Kirchhoffův zákon
• Dopadající tok může být rozdělen na tři složky:
prošlýodraženýpohlcený
![Page 15: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/15.jpg)
Kirchhoffův zákon
• Koeficienty popisující vlastnosti těles ozářených radiačním tokem:– Koeficient pohltivosti
(absorpce) – α– Koeficient odrazivosti
(reflexe) – ρ– Koeficient propustnosti
(transmise) -
/
/
/
odrazený
prošlý
pohlcený
1
![Page 16: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/18.jpg)
Stefan-Boltzmannův zákon Wienův posunovací zákon
spektrální měrná zářivostLλ,T
spektrální intenzita vyzařováníMλ,T
·π
:∂λ
Vztahy mezi jednotlivými zákony
0
celkový zářivý výkonMe,T
0
Planckůvvyzařovací
zákon
![Page 19: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/19.jpg)
Planckův vyzařovací zákon
Max Planck (1858–1947)
![Page 20: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/20.jpg)
Planckův vyzařovací zákon
• 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
e
λC
(T)LλT
Ce,λ121
51
12
Bk
chChcC 2
21 2 ,
![Page 21: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/21.jpg)
Planckův vyzařovací zákon
• 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 )[,(),( ,,
![Page 22: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/22.jpg)
• V grafu jsou vidět křivky spektrální měrné zářivosti [W.sr-1.m-2.m-1] pro 3 různé teploty [K].
(300,350 a 400K)
Planckův vyzařovací zákon
![Page 23: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/23.jpg)
Stefan-Boltzmanův zákon
Jozef Stefan(1835-1893)
Ludwig Boltzmann(1844-1906)
![Page 24: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/24.jpg)
Stefan-Boltzmanův zákon
• 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
][15
2),()( 244
32
45
0
,
cmWTThc
kdTMTM eee
![Page 25: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/25.jpg)
• Závislost celkového zářivého výkonu [mW.cm-2] na teplotě [K].
Stefan-Boltzmanův zákon
![Page 26: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/26.jpg)
Wienův posunovací zákon
Wilhelm Wien (1864-1928)
![Page 27: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/27.jpg)
Wienův posunovací zákon
• 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
TM e
![Page 28: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/28.jpg)
• Závislost vlnové délky [μm] na teplotě [K].
Wienův posunovací zákon
![Page 29: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/29.jpg)
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
122
1 0
,
0
,, ),(),(),( TMTMTM eee
![Page 30: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/30.jpg)
Dreyfusův vztah
• Zjednodušení vztahu:
∆λ...... šířka spektrálního okna [μm]
n........ dáno velikostí ∆λ a absolutní hodnotou λ1 λ2
ne TTM ),,(,
![Page 31: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/31.jpg)
Emisivita
• bezrozměrný koeficient ε• vyjadřuje zhoršení vyzařovacích vlastností zdroje ve
srovnání s absolutně černým tělesem• závisí na λ a T
AČT),(
),(),(
,
,
TM
TMT
e
zdrojee
![Page 32: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/37.jpg)
ºC373635343332313029282726252423222120191817
čelo
rameno
hruď
předloktí
záda
břicho
ruka
stehno
bérec
chodidlo
30
26
30
27
30
29
20
23
22
17
ºC
okolímin
max
průměr
15
![Page 38: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/38.jpg)
ºC373635343332313029282726252423222120191817
čelo
rameno
hruď
předloktí
záda
břicho
ruka
stehno
bérec
chodidlo
33
28
32
28
31
31
24
28
26
22
ºC
![Page 39: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/39.jpg)
ºC373635343332313029282726252423222120191817
čelo
rameno
hruď
předloktí
záda
břicho
ruka
stehno
bérec
chodidlo
34
31
33
30
33
34
25
31
29
27
ºC
![Page 40: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/40.jpg)
ºC373635343332313029282726252423222120191817
čelo
rameno
hruď
předloktí
záda
břicho
ruka
stehno
bérec
chodidlo
35
33
35
34
34
35
33
33
33
32
ºC
![Page 41: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/41.jpg)
ºC373635343332313029282726252423222120191817
čelo
rameno
hruď
předloktí
záda
břicho
ruka
stehno
bérec
chodidlo
36
36
36
36
35
35
36
35
35
36
ºC
![Page 42: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/42.jpg)
Konstrukceob
jekt
ivfilt
ry a
clo
ny
pozič
ní
jedn
otka
chop
per
dete
ktor
před
zesil
ovač
zobr
azov
ací
jedn
otka
![Page 43: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/43.jpg)
Infrakamera
Převzato z : TermaCam P25 Příručka uživatele. Praha: FLIR SYSTEMS, 2004. 122 s.
![Page 44: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/44.jpg)
Vnitřní struktura
Převzato z : DRASTICH, A.. Netelevizní zobrazovací systémy. Brno: VUT FEI ÚBMI,2001. 174 s. ISBN 80-214-1974-1
![Page 45: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/45.jpg)
Kamerová jednotka (Blokové schéma)
Snímkový snímač
Řádkový snímač
OptikaŠedý filtr
Opticko-mechanická
poziční jednotka
Optický modulátor
Selektivní filtrClona
Detektor
Před-zesilovač
VýběrTstr
Řádkový rozkladový
motor
Snímkový rozkladový
motor
Regulace rychlosti otáček
Vzájemná synchronizace a regulace otáček
Synchronizace řádkového rozkladu
Synchronizace snímkového
rozkladu
Zobrazovací jednotka
![Page 46: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/46.jpg)
Zobrazovací jednotka (blokové schéma)
Hlavní zesilovač
Generátor řádkového rozkladu
Generátor snímkového
rozkladu
Zesilovač a koncový stupeň
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
![Page 47: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/47.jpg)
Objektiv
• Tandemové uspořádání difrakčních čoček z vhodného materiálu s antireflexní vrstvou.
![Page 48: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/48.jpg)
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
![Page 49: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/49.jpg)
Filtrace
Selektivní filtrace
Neselektivní filtrace
![Page 50: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/50.jpg)
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
![Page 51: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/51.jpg)
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).
![Page 52: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/52.jpg)
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
![Page 53: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/53.jpg)
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
![Page 54: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/54.jpg)
Animace - body
![Page 55: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/55.jpg)
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)
![Page 56: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/56.jpg)
Animace - sloupec
![Page 57: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/57.jpg)
„Staring“ formát
• matice elementárních detektorů překrývající celé FOV• počet pixelů stejný jako počet detektorů• není zde potřeba žádných optických rozkladových
elementů
![Page 58: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/58.jpg)
Animace - celoplošná
![Page 59: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/59.jpg)
Skenovací šum
• interakce mezi skenovacím systémem a zářivým tokem vnitřních částí infrakamery
• radiace optických členů
![Page 60: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/60.jpg)
Stínování
• Pokles jasu směrem k okrajům obrazovky při snímaní primárního parametrického pole s konstantní velikostí primárního parametru. Nehomogenita procesu zobrazení.
![Page 61: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/61.jpg)
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
![Page 62: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/62.jpg)
Optická modulace
• optický modulátor - chopper
• rotující disk s výřezy umístěn v cestě měřeného radiačního signálu
![Page 63: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/63.jpg)
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
![Page 64: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/64.jpg)
• režimy optického modulátoru:
Optický modulátor jako
Optický modulátor jako
Optická modulace
přímý zdroj referenční radiace
reflektor radiačního signálu
![Page 65: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/65.jpg)
• referenční radiace je dána teplotou samotného modulátoru a jeho povrchovou emisivitou
• nevýhodou je obtížné udržení konstantní teploty modulátoru
Optický modulátor jakopřímý zdroj referenční radiace
![Page 66: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/66.jpg)
• 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
![Page 67: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/67.jpg)
Detektory
• detektor IR záření v infrazobrazovacích systémech převádí zářivou energii na jiné formy energie (na elektrický signál)
• základní charakteristiky
• rozdělení
• porovnání
![Page 68: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/68.jpg)
Základní charakteristiky infradetektorů
• Kvantová účinnost
• Spektrální citlivost
• Prahový výkon
• Detektivita
• Šumový ekvivalent rozdílu teplot
![Page 69: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/69.jpg)
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
p
o
n
n
![Page 70: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/70.jpg)
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
f
fUfR m
,
,,
![Page 71: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/71.jpg)
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
WR
uNEP
WR
iNEP
u
n
i
n
![Page 72: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/72.jpg)
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)
![Page 73: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/73.jpg)
Detektivita
• Reciproká hodnota k NEP.
11 WNEP
D
![Page 74: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/74.jpg)
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
NEP
fD ..
.* /dA
![Page 75: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/75.jpg)
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
SNR
![Page 76: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/76.jpg)
podletypusoučástky
podletypupolovodiče
selektivní(fotonové)
neselektivní(tepelné)
vlastní(intrinsické)
nevlastní(extrinsické)
fotokonduktivníPC
fotovoltaickéPV
bolometrické
mikro-bolometrické
mozaikovémikrobolometrické
IR detektory
![Page 77: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/77.jpg)
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
![Page 78: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/78.jpg)
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]
mQ
ch
gc .
![Page 79: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/79.jpg)
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
![Page 80: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/80.jpg)
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
![Page 81: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/81.jpg)
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)
![Page 82: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/82.jpg)
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]
qdR
1
![Page 83: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/83.jpg)
Fotokonduktivní detektory PC
• změna signálového napětí duo vlivem změny ozáření dФq je proporcionální vlastnostem napájecího obvodu
duo..... změna signálového napětí [V]
dΦq.... změna ozáření [W]
22q
q
Ld
LBo
d
RR
RUdu
)(
![Page 84: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/84.jpg)
Fotokonduktivní detektory PC
Náhradní schéma fotokonduktivního detektoru
iq proud
Rd odpor detektoru
Cd kapacita detektoru
u signálové napětí
iq Rd Cd u
![Page 85: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/85.jpg)
Fotokonduktivní detektory PC
Nejjednodušší zapojení v pracovním režimu
U napětí zdroje
RL odpor obvodu
Rd odpor detektoru
Φq ozáření
u signálové napětí
U
RL
Rd uΦq
![Page 86: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/86.jpg)
Fotokonduktivní detektorySPRITE
• Signal Processing In The Element
• fotokonduktivní materiál CMT
• spektrální interval 8-14 μm
![Page 87: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/87.jpg)
Fotokonduktivní detektorySPRITE
• 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.
![Page 88: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/88.jpg)
Fotokonduktivní detektorySPRITE
+ -
+
CMT
směr skenování
pohyb nosičů náboje
IR
![Page 89: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/89.jpg)
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“
![Page 90: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/90.jpg)
Fotokonduktivní detektoryQWIP
• 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)
![Page 91: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/91.jpg)
Fotokonduktivní detektoryQWIP
• hodnota měrné detektivity pro centrální vlnovou délku λp byla stanovena na:
)exp(*Tk
chD
p
2
610 1,1
![Page 92: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/92.jpg)
Fotokonduktivní detektoryQWIP
• interakce fotonů a excitace nosičů se uskutečňuje mezi vodivými pásmy, které tvoří studnu
šířka studnyvýška studnyenergetické úrovně (závislé na šířce)
b
bh
h∆ESB
E1
E1
E2
, E2
![Page 93: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/93.jpg)
Fotokonduktivní detektoryQWIP
• 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.
![Page 94: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/94.jpg)
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:
qi qg
![Page 95: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/95.jpg)
Fotovoltaické detektory PV
katoda
+ +
-+
-
- -
+
anoda
P vrstva
N vrstva
izolační vrstva
N+
N
depletiční vrstva
dlouhé vlnové délky
krátké vlnové délky
![Page 96: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/96.jpg)
Fotovoltaické detektory PV
• 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
qU(i
1exp
![Page 97: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/97.jpg)
Fotovoltaické detektory PV
• v závislosti na zapojení diody může PN přechod pracovat jako zdroj napětí, zdroj proudu nebo zdroj výkonu
![Page 98: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/98.jpg)
Fotovoltaické detektory PV
Náhradní schéma PV detektoru
io proud zdroje
iq proud
Cd kapacita detektoru
io ig
Cd
Rd
RL
Rd odpor detektoru
RL odpor obvodu
![Page 99: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/99.jpg)
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
![Page 100: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/100.jpg)
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
![Page 101: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/101.jpg)
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
dT
dR
Rd
d
1
![Page 102: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/102.jpg)
Bolometrické detektory
Základní zapojení bolometrického detektoru
UB
RL
Bolometr Rd
Výstupní signál u(t)h·v
![Page 103: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/103.jpg)
Bolometrické detektory
• 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]
T
bRRd exp 0
![Page 104: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/104.jpg)
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)
![Page 105: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/105.jpg)
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
![Page 106: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/106.jpg)
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.
![Page 107: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/107.jpg)
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
![Page 108: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/108.jpg)
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
![Page 109: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/109.jpg)
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).
![Page 110: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/110.jpg)
Obrazový řetězec – skenovací IR ZS
• Postup zpracování a zobrazení signálu:
pozičníjednotka
obrazovájednotka
kamerovájednotka
monitor
zobrazovací jednotka
![Page 111: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/111.jpg)
Obrazová jednotka - skenovací IR ZS
• zpracování a korekce signálu• kvalita záleží na mnoha faktorech
zesilovací stupně:• korekce emisivity• korekce nelinearity• výběr teplotního rozsahu
![Page 112: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/112.jpg)
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
![Page 113: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/113.jpg)
Korekce nelinearity
• korekce na nelinearitu transformace parametrického pole na elektrický signál
![Page 114: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/114.jpg)
Výběr teplotního rozsahu
• výběr zobrazovaného teplotního intervalu proveden změnou zesílení
![Page 115: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/115.jpg)
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
![Page 116: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/116.jpg)
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
![Page 117: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/117.jpg)
Kvalita IR ZS systémů
• Spektrální citlivost• Rozlišovací schopnost• Minimální rozlišitelná teplotní diference
![Page 118: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/118.jpg)
Spektrální citlivost
• Infraradiometrické systémy jsou citlivé na široké pásmo frekvencí elektromagnetického záření.
• Integrální citlivost R:
– citlivost k celkovému výkonu detekované signálové radiace.
][ 1
WVU
R
![Page 119: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/119.jpg)
Spektrální citlivost
• 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
f
fUfR m
,
,,
![Page 120: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/120.jpg)
Rozlišovací schopnost
• je dána minimální vzdáleností dvou ještě rozlišitelných bodů
prostorovározlišovacíschopnost
energetickározlišovacíschopnost
rozlišovacíschopnost
![Page 121: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/121.jpg)
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
![Page 122: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/122.jpg)
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.
![Page 123: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/123.jpg)
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
n
s
uuT
SNR
TNETD
![Page 124: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/124.jpg)
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)
![Page 125: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/125.jpg)
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
![Page 126: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/126.jpg)
Lékařská termografie
• neinvazivní biofyzikální vyšetřovací metoda využívaná pro měření, registraci a zobrazování teplotních jevů
Převzato z http://www.polymed.sk
![Page 127: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/127.jpg)
Bezkontaktnítermografie
Kontaktnítermografie
Lékařskátermografie
![Page 128: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/128.jpg)
Kontaktní termografie
• metody jsou založené na teplotní roztažnosti látek, často kapalin (rtuť)
![Page 129: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/129.jpg)
Kontaktní termografie
• lékařský rtuťový teploměr
• elektronické kontaktní teploměry
• termistory
• tekuté krystaly
![Page 130: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/130.jpg)
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)
![Page 131: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/131.jpg)
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)
![Page 132: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/132.jpg)
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
![Page 133: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/133.jpg)
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
![Page 134: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/134.jpg)
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.
![Page 135: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/135.jpg)
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
![Page 136: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/136.jpg)
Výhody bezkontaktní termografie
• neinvazivnost• jednoduchost• bezpečnost pro pacienta i obsluhu• nízká cena vyšetření
![Page 137: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/137.jpg)
Termogram
Termogram dolní končetiny
po chirurgickém zákroku (levá končetina)
Termogram s nálezemv okolí klíční kosti
![Page 138: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/138.jpg)
Termogram
• Infračervená kamera SVIT firmy Promedical
Převzato z http://www.promedical.cz/infrakamera.htm
![Page 139: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/139.jpg)
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.
![Page 140: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/140.jpg)
Využití v medicíně
• 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
![Page 141: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/141.jpg)
Využití v medicíně
• 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
![Page 142: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/142.jpg)
Využití v medicíně
• onkologie - počáteční stádia a diferenciální diagnostika
Převzato z http://thermographyclinicscanada.com/
![Page 143: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/143.jpg)
Využití v medicíně
• 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)
![Page 144: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/144.jpg)
Využití v medicíně
• 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)
![Page 145: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/145.jpg)
Využití v medicíně
• 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
![Page 146: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/146.jpg)
1800 1900 2000
W Herschel Melloni Langley
1821
1930
Seebeck
Časová osa
1830
1880
1850
1800
term
očlá
nek
optik
a pr
o IR
J Herschel
term
ogra
f18
40
počá
tek
bolo
met
r
optik
a pr
o IR
1. g
ener
ace
2. g
ener
ace
3. g
ener
ace
1990
FPA
![Page 147: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/147.jpg)
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
![Page 148: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/148.jpg)
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.
![Page 149: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/149.jpg)
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
![Page 150: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/150.jpg)
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
![Page 151: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/151.jpg)
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
![Page 152: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/152.jpg)
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
![Page 153: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/153.jpg)
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
![Page 154: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/154.jpg)
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
![Page 155: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/155.jpg)
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
![Page 156: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/156.jpg)
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
![Page 157: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/157.jpg)
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
![Page 158: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/158.jpg)
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
![Page 159: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/159.jpg)
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
Qn g
t
![Page 160: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/160.jpg)
SNR
• SNR – Signal-to-Noise Ratio:– odstup signálu od šumu– popisuje kvalitu přenosu informace
![Page 161: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/161.jpg)
CMT
• 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
![Page 162: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/162.jpg)
Diferenciální diagnostika
• porovnávání• v průběhu nemoci několik měření – sleduje se dynamika
onemocnění• využívá se u párových orgánů
![Page 163: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/163.jpg)
Difuzní zdroj a lambertovský zářič
• koeficient emisivity je nezávislý na směru vyzařování
![Page 164: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/164.jpg)
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.
![Page 165: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/165.jpg)
Fotoelektrický jev
λ........ mezní vlnová délka [μm]
Qg...... zakázané pásmo (energie) [eV]
mQ
ch
gc .
![Page 166: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/166.jpg)
Vnější Vnitřní
Fotoelektrický jev
![Page 167: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/167.jpg)
Vnější fotoelektrický jev
• Působením vnějšího elektromagnetického záření se elektrony z povrchu látky uvolňují do okolí.
![Page 168: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/168.jpg)
Vnitřní fotoelektrický jev
• Uvolněné elektrony látku neopouští, zůstávají v ní jako vodivostní elektrony.
![Page 169: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/169.jpg)
Pyroelektrický jev
• schopnost materiálu generovat dočasný elektrický potenciál při změně jeho teploty
• tepelné detektory
![Page 170: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/170.jpg)
VFOV, HFOV, IFOV
• 1 - VFOV, 2 - HFOV, 3 – IFOV• VFOV: vertikální zorné pole, HFOV: horizontální zorné
pole, IFOV: okamžité zorné pole (velikost bodu)
![Page 171: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/171.jpg)
FPA
• 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
![Page 172: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/172.jpg)
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.
![Page 173: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/173.jpg)
Odezva na jednotkový impuls - PSF
• Point Spread Function (PSF) – popisuje reakci zobrazovacího systému na bodový zdroj
impuls odezva
![Page 174: Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062309/56815a65550346895dc7ae76/html5/thumbnails/174.jpg)
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