Матричный тепловизор

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики, исследования и контроля в области медицины и в смежных областях, таких как косметология, физиология и др. Матричный тепловизор содержит фоточувствительный узел, включающий объектив, криостат, входное окно криостата, фотоприемную матрицу, кремниевый мультиплексор, систему охлаждения, холодный экран, электронную систему аналоговой обработки сигналов, содержит также цифровой узел, состоящий из электронного модуля с АЦП и соединенного с ним компьютера, источник питания и монитор, соединенный с цифровым узлом, фотоприемная матрица тепловизора выполнена на основе арсенида индия, содержит также линию связи, цифровой узел выполнен в отделенном от фоточувствительного узла экранированном корпусе и через линию связи соединен с фоточувствительным узлом, электронный модуль с АЦП содержит дифференциальный усилитель, сигнальный процессор и микросхему связи с шиной компьютера, электронная система аналоговой обработки сигналов выполнена с возможностью управления матрицей через кремниевый мультиплексор и исполнительными системами (системой калибровки чувствительности элементов матрицы и системой наводки на резкость объектива), также содержит систему калибровки, встроенную в фоточувствительный узел, и принтер, клавиатуру, манипулятор "мышь", соединенные с цифровым узлом. Фотоприемная матрица имеет размерность 128 х 128 элементов, может быть квадратной или прямоугольной формы и содержать m х n элементов, где m, n ~ 100 - 1000. Фоточувствительными элементами матрицы служат конденсаторы со структурой МДП, также могут быть фотодиоды. Объектив имеет фокусное расстояние F, превышающее 90,01 м, и относительное отверстие в пределах F/0,5 - F/16. Источник питания соединен с электронной системой аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами. Также его дополнительно соединяют с цифровым узлом. В качестве источника питания также используют источник питания компьютера. Техническим результатом является повышенная контрастность изображения, высокое быстродействие (порядка 50 кадров в секунду), высокая предельная температурная чувствительность (не хуже 0,03^oС). 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики, исследования и контроля в области медицины и в смежных областях, таких как косметология, физиология и др.

Известно устройство (S.D.Gunapala, S.V.Bandara, J.K.Liu et. al. "Long-wavelength 640х484 GaAs/Al_xGa_1-xAs Quantum Well Infrared Photodetector Focal Plane Array Camera" in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjorn F. Andresen, Marija Strojnik, Editors, Proc. SPIE 3061, p. 722-727 (1997)), представляющее собой тепловизионную камеру, состоящую из фотоприемной матрицы, созданной на основе многослойных мезаструктур GaAs/Al_xGa_1-xAs, гибридно состыкованной с кремниевым мультиплексором, криостата с системой охлаждения детектора, объектива и электронной системы с монитором, позволяющее визуализировать инфракрасное изображение живых и неживых объектов.

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Сложная технология изготовления и, соответственно, высокая стоимость матричного приемника излучения. Для создания мезаструктур с квантовыми потенциальными ямами требуется методами молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно нанести 50 пар слоев определенной толщины (45 Ангстрем GaAs и 500 Ангстрем Al_0,3Ga_0,7As), создать контактные слои из GaAs, а также ряд других технологических слоев со строго заданными параметрами.

Низкая квантовая эффективность фотоприемника, затрудняющая достижение высокой температурной чувствительности при высоком быстродействии.

Слишком низкая рабочая температура фотоприемника (70 К), требующая дополнительной процедуры - откачки паров азота из сосуда Дьюара для создания в нем пониженного давления.

Относительно высокий уровень шума кремниевого мультиплексора, заставляющий учитывать вклад этой компоненты даже наряду со значительным шумом, вносимым флуктуациями потока фотонов.

Не слишком высокая предельная достигнутая на данном приборе температурная чувствительность (43 мК), обусловленная, в основном, всеми перечисленными выше факторами.

Достаточно низкая частота кадров (30 Гц), обеспечиваемая тепловизионной камерой. Такая частота кадров ограничивает исследование температурной кинетики быстропротекающих процессов и, соответственно, сужает область применимости данного тепловизора.

Известно устройство (E.Seeberger, J.Gates "New technologies for staring infrared FPA radiometry" in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjorn F. Andresen, Marija Strojnik, Editors, Proc. SPIE 3061, p.811-822 (1997)), представляющее собой объединенные в одном корпусе источник питания, фоточувствительный и цифровой узлы, где фоточувствительный узел состоит из фотоприемной матрицы, гибридно состыкованной с кремниевым мультиплексором, холодного экрана, сужающего апертуру для снижения уровня засветки фотоприемника фоновым и рассеянным излучением, криостата, входного окна криостата, системы охлаждения детектора, объектива, электронной системы аналоговой обработки сигнала, а цифровой узел состоит из электронного модуля с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и соединенного с ним компьютера (электронной системы цифровой обработки и преобразований сигнала), цифровой узел соединен с системой сохранения данных на магнитных дисках и монитором. Фотоприемная матрица сформирована на барьерах Шоттки на основе силицида платины (PtSi).

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Фоточувствительными элементами, из которых формируется фоточувствительная матрица тепловизора, являются барьеры Шоттки, созданные на основе силицида платины (PtSi). Это ухудшает ряд важных характеристик тепловизора.

При тепловизионном мониторинге объектов, имеющих неоднородно распределенную температуру 20-40^oC, подобные устройства дают невысокий контраст изображения. Это, в частности, ограничивает таким приборам применение в области медицинской диагностики, где на первый план выдвигается возможность визуального обнаружения термоасимметрии и ограниченных очагов именно в указанной области температур.

Низкий квантовый выход (порядка 0,1%), обеспечиваемый фоточувствительными ячейками матрицы на PtSi, не позволяет применять такие тепловизоры для слабоизлучающих объектов в режиме высоких кадровых частот. Снижение быстродействия, соответственно, ограничивает сферу применимости данных тепловизионных приборов. Так, в работе (E.Seeberger, J.Gates "New technologies for staring infrared FPA radiometry" in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjorn F. Andresen, Marija Strojnik, Editors, Proc. SPIE 3061, p. 811-822 (1997)) авторам удалось при температуре излучателя 23^oC и при использовании объектива с относительным отверстием F/1,5 (F - фокусное расстояние объектива) добиться не очень высокой предельной температурной чувствительности - 37,6 мК - лишь при времени накопления сигнального заряда (времени кадра) 16,67 мс. Понятно, что увеличение кадровой частоты, которую потенциально вполне смог бы обеспечить кремниевый мультиплексор, привело бы к дальнейшей потере чувствительности.

Одним из факторов, влияющих на увеличение уровня электронных помех и, в результате, вызывающих дополнительное снижение предельной температурной чувствительности тепловизионной системы, является реализованное в устройстве совмещение в едином корпусе аналоговой и цифровой частей электронной обработки сигнала. При таком конструктивном исполнении, как правило, невозможно полностью избавиться от некоррелированных с тактовой частотой мультиплексора импульсных электромагнитных наводок, которые создает схема цифровой обработки сигнала на входе АЦП, а также от импульсных наводок, создаваемых самим АЦП на низкоуровневых цепях предварительного преобразования аналогового информационного сигнала с матрицы.

Наиболее важной характеристикой тепловизора является долговременная стабильность температурной чувствительности всех составляющих матрицу фотоприемных ячеек. Естественный дрейф исходных параметров прибора требует периодической тонкой подстройки чувствительности элементов (процедура калибровки). В устройстве такая процедура возможна лишь от внешнего источника калиброванного излучения (например, от имитатора абсолютно черного тела). Поскольку, как отмечают авторы, эта процедура периодически должна проводиться, всплывает такой конструктивный недостаток устройства, как отсутствие встроенного источника калиброванного излучения и необходимость в наличии дополнительной внешней системы калибровки для коррекции отклонения параметров чувствительности тепловизора. Это усложняет в целом систему и повышает трудоемкость ее обслуживания.

Техническим результатом изобретения является: - повышение контрастности тепловизионного изображения в диапазоне температур, соответствующем температуре поверхности человеческого тела (20-40^oC); - повышение частоты кадров тепловизионной системы при сохранении высокой температурной чувствительности прибора; - исключение возможности появления некоррелированных с тактовой частотой мультиплексора импульсных электромагнитных наводок на входе АЦП тепловизионной системы и импульсных наводок, создаваемых самим АЦП на низкоуровневых цепях предварительного преобразования аналогового информационного сигнала с матрицы, тем самым снижение уровня помех и, соответственно, повышение температурной чувствительности тепловизора; - упрощение процедуры периодического проведения тонкой подстройки (калибровки) чувствительности элементов матрицы; - получение возможности оптимального выбора соотношения между размерами зоны термографического обследования, размерами помещения, в котором проводятся измерения, и глубиной резкости изображения.

Технический результат достигается тем, что в матричном тепловизоре, содержащем фоточувствительный узел, включающий объектив, криостат, входное окно криостата, фотоприемную матрицу, кремниевый мультиплексор, систему охлаждения, холодный экран, электронную систему аналоговой обработки сигналов, содержащем также цифровой узел, состоящий из электронного модуля с АЦП и соединенного с ним компьютера, а также источник питания и монитор, соединенный с цифровым узлом, фотоприемная матрица выполнена на основе арсенида индия. Устройство содержит также линию связи. При этом, цифровой узел выполнен в отделенном от фоточувствительного узла экранированном корпусе и через линию связи соединен с фоточувствительным узлом. Электронный модуль с АЦП дополнительно содержит дифференциальный усилитель, сигнальный процессор и микросхему связи с шиной компьютера, электронная система аналоговой обработки сигналов выполнена с возможностью управления матрицей через кремниевый мультиплексор и исполнительными системами (системой калибровки чувствительности элементов матрицы и системой наводки на резкость объектива). Также устройство дополнительно содержит систему калибровки, встроенную в фоточувствительный узел, и принтер, клавиатуру, манипулятор "мышь", соединенные с цифровым узлом.

Размерность фотоприемной матрицы - 128 х 128 элементов. Также используют фотоприемные матрицы квадратной и прямоугольной формы, содержащие m х n фоточувствительных элементов, где m, n ~ 100 - 1000. Фоточувствительными элементами, из которых формируется фоточувствительная матрица тепловизора, являются конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Также в качестве фоточувствительных элементов матрицы используют фотодиоды.

Объектив имеет фокусное расстояние F, превышающее 0,01 м, и относительное отверстие в пределах F/0,5 - F/16.

Источник питания соединен с электронной системой аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами. Также его дополнительно соединяют с цифровым узлом. В качестве источника питания также используют источник питания компьютера.

Предлагаемое устройство представляет собой результат теоретических и экспериментальных исследований, проведенных авторами в течение ряда лет и посвященных изучению оптико-электронных и физических свойств фотоприемных устройств ИК-диапазона на основе узкозонных полупроводников.

В табл. 1 даны расчетное максимальное время накопления и предельная температурная чувствительность для разных типов фотоприемников; в табл. 2 даны рассчитанные значения отношений измеряемых электронными системами тепловизора электрических сигналов U₄₀, U₃₂, U₂₆, U₂₀, пропорциональных величинам оптических сигналов, приходящих от объектов с температурами, соответственно, 40^oC, 32^oC, 26^oC и 20^oC (для разных типов фотоприемников).

На фиг. 1 дана термограмма, полученная с помощью тепловизионной системы, где АЦП и сигнальный процессор находятся в едином с фоточувствительным узлом корпусе; на фиг. 2 дана термограмма, полученная с помощью тепловизионной системы, где дифференциальный усилитель, АЦП и сигнальный процессор находятся в отделенном от фоточувствительного узла экранированном корпусе; на фиг. 3 дана блок-схема матричного тепловизора; на фиг. 4 дана конструкция гибридной сборки фотоприемной матрицы на основе арсенида индия и кремниевого мультиплексора; на фиг. 5 дана термограмма, показывающая наличие новообразования в области плеча, на фиг. 6 дана термограмма, показывающая варикозное расширение поверхностных вен правой нижней конечности.

Традиционно при разработке тепловизионных систем детектор ИК-излучения стремятся выбрать таким образом, чтобы прибор обеспечивал: а) наибольшую температурную чувствительность, б) наибольшее быстродействие, в) наилучшее пространственное разрешение, г) максимальную контрастность изображения,
д) максимальный динамический диапазон,
е) работу при возможно более высокой температуре фотоприемных элементов,
ж) наименьшую сложность изготовления и, соответственно, наинизшую стоимость изделия.

Абсолютное большинство тепловизоров построено в настоящее время на базе фоточувствительных структур, изготовленных из следующих материалов:
а) Антимонид индия (InSb). Рабочий спектральный диапазон 4 - 5,3 мкм. Наиболее широко используемый тип ячеек - фотодиоды. В линейчатых фотоприемниках используют также ячейки со структурой МДП, работающие в режиме прибора с зарядовой инжекцией (ПЗИ).

б) КРТ (HgCdTe). Рабочий спектральный диапазон варьируется от 5 до 12 мкм. Наиболее широко используемый тип ячеек - фотодиоды.

в) Силицид платины (PtSi). Рабочий спектральный диапазон 3,6 - 5,5 мкм (M.Kimata, N.Tubouchi "Schottky-barrier photoemissive detectors" in Infrared Photon Detectors, Antoni Rogalski, Editor, SPIE Optical Engineering Press, p.299-350 (1995)). Тип ячеек - барьеры Шоттки.

г) Многослойная система GaAs/Al_xGa_1-xAs. Рабочий спектральный диапазон варьируется от 6 до 25 мкм, обычно 6 - 10 мкм. Наиболее широко используемый тип ячеек - мезаструктуры с квантовыми потенциальными ямами.

До настоящего времени полупроводник типа A³B⁵ арсенид индия (InAs), имеющий длинноволновую границу чувствительности чуть более 3 мкм, в матричных тепловизионных системах не использовался. Считалось, что тепловизионные свойства систем тем лучше, чем более длинноволновую область охватывает полупроводниковый детектор.

Однако, такой подход к выбору полупроводникового материала может быть оправдан лишь в случае, когда в качестве элемента, вырабатывающего фотоответ, рассматривается исключительно фотоприемная матрица, в отрыве от системы считывания и дальнейшей обработки сигнала. Вместе с тем, матрица лишь преобразует излучение в совокупность информационных электрических зарядов. Во всех же перечисленных выше фотоприемниках обязательным первым идущим вслед за матрицей элементом является кремниевый интегральный процессор (коммутатор, мультиплексор), обеспечивающий считывание сигналов с матрицы и передачу их на вход электронной системы для последующей обработки.

В связи с этим, сравнение и оптимизация параметров тепловизионных систем без учета работы интегрального процессора является некорректным.

Какие особенности в работу системы и какие ограничения вносит мультиплексор? Рассмотрим функцию, которую он выполняет. Ячейка мультиплексора при подключении к соответствующей ячейке матрицы принимает на себя весь заряд, собранный ею за время накопления t_н, и посылает электрический импульс, пропорциональный этому заряду, во внешнюю цепь. Главным ограничительным параметром мультиплексора является емкость его ячеек, которую при проектировании микросхемы стремятся сделать как можно больше, чтобы обеспечить максимально возможное время накопления. Если величина t_н не лимитирует частоту кадров (быстродействие), то к достижению максимальных значений t_н стремятся по той причине, что отношение сигнал/шум фотоприемника растет обычно пропорционально квадратному корню из t_н, а следовательно, по такому же закону увеличивается и температурная чувствительность детектора.

Однако, даже самые современные достижения в области кремниевой технологии не позволяют сегодня поднять реальную емкость ячеек до значений, превышающих 5 10⁷ электронов. Обычно - это 5 10⁶ - 3 10⁷ электронов. При наличии ячеек с неограниченной емкостью можно было бы на структурах с непрерывным накоплением (например, на матрицах с фотодиодами) получить сколь угодно высокую чувствительность. Но по названным выше причинам это не удается, что, в свою очередь, позволяет существенно пересмотреть подход к выбору полупроводникового материала для тепловизнонного применения в пользу относительно широкозонных соединений, к которым, прежде всего, относится арсенид индия.

Обоснованием сказанного является следующее. Поскольку все перечисленные выше фотоприемники являются фотонными, то с продвижением в более длинноволновую область, ячейка матрицы на каждую единицу энергии приходящего излучения принимает тем больше фотонов, чем больше длина электромагнитной волны. При заданной емкости ячейки кремниевого мультиплексора излучение длинноволнового диапазона "заполнит" ее фотоэлектронами за меньшее время накопления по сравнению с излучением коротковолнового диапазона. В свете сказанного можно предположить, что температурная чувствительность коротковолновых приемников окажется при прочих равных условиях выше, чем длинноволновых.

Рабочий спектральный диапазон фотоприемников задается обычно полосовыми оптическими фильтрами. В то же время, существует особый способ сужения рабочей полосы спектрального диапазона чувствительности, реализованный, например, при создании матриц на основе арсенида индия (G.L.Kurishev, A.P.Kovchavtzev, V.M.Bazovkin et. al. "Fabrication and properties of two - dimensional hybrid array sensor on epitaxial n - InAs films" in Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV, E.L.Dereniak, R.E. Sampson, Editors, Proc. SPIE 2746, p.268 (1996)). Способ состоит в том, что на сильнолегированной подложке из узкозонного полупроводника выращивается тонкий эпитаксиальный слаболегированный слой из того же материала. В этом случае при засветке матрицы со стороны подложки спектральный интервал чувствительности определяются разностью ширины запрещенной зоны сильнолегированной подложки (эффект Бурштейна-Мосса) и слаболегированного эпитаксиального слоя, в котором, собственно, и происходит поглощение излучения с генерацией сигнальных фотоэлектронов. В случае арсенида индия при этом рабочая полоса сужается приблизительно до значений 2,8 - 3,05 мкм.

В табл. 1 для температуры объекта Т = 40^oC и одного и того же телесного угла, в котором излучение попадает на ячейку матрицы, для разных типов фотоприемников приведены результаты расчета максимального времени накопления t_н и предельной температурной чувствительности T, ограниченной флуктуациями числа фотонов. В расчетах учтено, что приемники разных типов имеют разную квантовую эффективность (процент образования сигнальных фотоэлектронов в ответ на один падающий фотон). Наиболее высокую квантовую эффективность имеют приемники с собственным поглощением света. К таким относятся InAs, InSb и КРТ. Для детекторов, построенных на барьерах Шоттки и на мезаструктурах с квантовыми потенциальными ямами, значения значительно меньше. В соответствии с литературными данными и принципом работы фоточувствительных ячеек для оценок были выбраны следующие значения квантовой эффективности: InAs, InSb и КРТ - 80%, GaAs/Al_xGa_1-xAs - 20%, для PtSi в расчетах учитывалась точная спектральная характеристика чувствительности, приведенная в (M.Kimata, N.Tubouchi "Schottky-barrier photoemissive detectors" in Infrared Photon Detectors, Antoni Rogalski, Editor, SPIE Optical Engineering Press, p.299-350 (1995)).

Как и предполагалось, при учете ограничения емкостью кремниевого мультиплексора коротковолновые приемники, созданные на основе InAs, могут в 2-3 раза превышать по чувствительности детекторы, построенные на основе других материалов. Здесь же следует оговорить, что дальнейшее продвижение в коротковолновую область не является предпочтительным для тепловизионной техники ввиду возрастающего в этой области вклада солнечного и близкого к видимому фонового излучения, отражаемого от визуализируемых нагретых поверхностей.

Кроме этого, табл. 1 показывает, что для достижения возможности измерения температуры 40^oC (предельной поверхностной температуры человеческого тела) время накопления в длинноволновых приемниках излучения (кроме PtSi) имеет порядок 1 - 100 микросекунд. При превышающих эти значения временах накопления ячейка мультиплексора насыщается и перестает работать. Столь малые времена по сравнению с доступными приемникам на InAs (несколько миллисекунд) накладывают более жесткие и часто невыполнимые требования к быстродействию мультиплексора, приводят к необходимости существенного уменьшения площади фотоприемной ячейки матрицы и шага мультиплексора. Это удорожает производство длинноволновых матричных тепловизионных фотоприемников по сравнению с фотоприемниками на основе арсенида индия. Чтобы все-таки обеспечить измерение повышенных температур с применением стандартных мультиплексоров, в длинноволновых приемниках излучения используют также прием "неполного времени кадра". Он состоит в том, что ячейка мультиплексора заполняется сигнальным зарядом не все максимально возможное время, равное времени опроса всей матрицы (времени кадра), а лишь частично, насколько позволяет емкость кремниевой ячейки. Это решает проблему переполнения ячеек мультиплексора, но делает работу фотоприемника неэффективной (с низким коэффициентом использования приходящего потока излучения). Как видно из табл. 1, детекторы на основе PtSi имеют меньшие, но уже сравнимые с InAs предельные времена накопления, проигрывая, тем не менее, последним в чувствительности.

Кроме материала, важным пунктом, по которому возможно сравнивать детекторы, предназначенные для тепловидения, является конструкция фоточувствительной ячейки матрицы.

По общему принципу работы ячейки можно разделить на два класса: те, которые производят накопление информационного заряда внутри себя и затем сбрасывают этот заряд в ячейку мультиплексора (ПЗИ-элементы, обычно - МДП-структуры), и те, которые в процессе преобразования излучения непрерывно сбрасывают заряд в ячейку мультиплексора и накапливают его в ней (в этом режиме обычно работают фотодиоды, барьеры Шоттки и многослойные мезаструктуры).

МДП-структура существенно выигрывает перед другими типами элементов за счет простоты ее изготовления. К примеру, для создания двумерной матрицы МДП-структур на InAs требуется всего лишь 3 фотолитографических процесса, в то время, как для создания матрицы фотодиодов их необходимо около 8-10.

Вместе с тем, до последнего времени структуры металл - диэлектрик - полупроводник применялись только в матричных фотоприемных устройствах видимого диапазона. В частности, это связано с тем, что в фотоприемниках на основе узкозонных полупроводников типа A³B⁵ или A²B⁶ требования к качеству диэлектрика (пористость < 10 пор/см², пробивные напряжения >30 В) при площади фотоприемной матрицы 1 - 2 см² представлялись трудновыполнимыми. Прежде всего, это обусловлено низкой температурой синтеза диэлектрических пленок (100 - 200^oC), так как при более высоких температурах начинаются необратимые изменения параметров полупроводника, в том числе фазового состава на поверхности кристалла. Другая причина - низкое сопротивление элемента МДП в случае пробоя, приводящее к необходимости поиска нестандартных конструктивно-топологических решений при разработке ячеек мультиплексора, устойчивых к данному типу дефектов.

Несмотря на общую привлекательность МДП-технологии, создавать с ее помощью матрицы для длинноволновой области спектра не представляется возможным. Это обусловлено тем, что емкость ПЗИ-ячейки на узкозонных полупроводниках, так же, как и на других упомянутых выше материалах, несравнимо меньше емкости кремниевой ячейки. Так, зарядовая емкость МДП-элемента интегральной схемы на InSb обычно всего лишь около 210 электронов. В рабочем спектральном диапазоне 4-5 мкм такая ячейка окажется заполненной информационным зарядом уже за время около 10 мкс. При этом, потребуется несоразмерно дорогой мультиплексор, который бы позволил с соответствующей высокой частотой считать и обработать этот заряд со всей матрицы.

Емкость МДП-ПЗИ ячейки на InAs составляет около 5 10⁶ электронов. Как следует из табл. 1, такая емкость при температуре объекта 40^oC заполняется за время около 10 мс, что не предъявляет особых требований к мультиплексору, оставляя частоту кадров (около 100 кадров/с) достаточно высокой.

Сравнение предельной чувствительности фотоприемников, находящихся по зарядовой емкости в заведомо неравных условиях, например, МДП-структуру на InAs с емкостью 5 10⁶ электронов и фотодиод на InSb с емкостью 2 10⁷ электронов, демонстрирует незначительный проигрыш первых детекторов по этому параметру (примерно в 1,2 раза) по сравнению со вторыми. Тем не менее, МДП-фотоприемники даже в этом случае характеризуются рядом существенных свойств, предоставляющих им преимущества.

Во-первых, это касается шумовых характеристик. Безусловно, не только шум, ограниченный флуктуациями потока излучения, определяет шум всей тепловизионной системы. Существенный вклад здесь может давать и, так называемый, l/f шум, заметно ухудшающий характеристики фотодиодных систем. В устройствах, где элементами матрицы являются МДП-ПЗИ-ячейки, шум вида l/f пренебрежимо мал в диапазоне частот, где работают эти фотоприемники. Отсутствие l/f шума в МДП-структурах на InAs по сравнению с фотодиодами нивелирует упомянутый выше проигрыш МДП-структур в части температурной чувствительности.

Другим выигрышным параметром коротковолнового приемника излучения, включая МДП-структуры, является более высокая по сравнению с длинноволновыми контрастность изображения объектов с температурой 30-40^oC на фоне комнатных температур 20-28^oC. Сравнительные характеристики контрастности для обсуждаемых фотоприемников приведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что фотоприемннки на основе InAs имеют в среднем в 1,5-2 раза лучшие характеристики контрастности, чем все остальные (длинноволновые) детекторы.

Совокупность таких параметров, как сравнимая с длинноволновыми приемниками предельная температурная чувствительность (даже в случае МДП-ПЗИ-структур), равное с ними быстродействие, но существенно более высокая контрастность изображения в области температур 20-40^oC, позволяет считать фотоприемники на основе InAs оптимальными для использования в медицинском тепловидении, для которого характерны именно указанные условия измерений. Коротковолновый спектральный диапазон позволяет реализовать преимущества работы в условиях малых фоновых засветок и полностью использовать все время кадра для параллельного накопления сигнала непосредственно в элементах МДП матрицы. Найденное техническое решение дает возможность избавиться от ограничений, присущих традиционным для медицинской термографии приборам, при работе с которыми контрастность изображения заметно снижается, если температура в комнате превышает 22^oC (Применение тепловидения в многопрофильных больницах и поликлиниках. Методические рекомендации. // Под ред. д.т.н., проф. М.М. Мирошникова. Л., 1982, 84 с.).

К дополнительным преимуществам детекторов на основе InAs можно причислить то, что по сравнению с более узкозонными полупроводниками (InSb, КРТ) они требуют менее глубокого охлаждения, что упрощает и удешевляет конструкцию тепловизора в целом.

Для существенного снижения уровня некоррелированных с тактовой частотой мультиплексора импульсных электромагнитных наводок в процессе аналоговых преобразований и усиления видеосигнала было решено вынести АЦП и сигнальный процессор из корпуса, в котором находится фоточувствительный узел, и разместить их в отделенном экранированном корпусе.

Перенос АЦП и сигнального процессора в отделенный экранированный корпус позволил полностью избавиться от расположения микросхем цифровой обработки в непосредственной близости от матрицы и высокочувствительного к наводкам и помехам предварительного усилителя сигнала с матрицы. Кроме этого, передача аналогового сигнала из фоточувствительного узла в цифровой узел производится по согласованному кабелю после преобразования в дифференциальную форму. Это позволило избавиться от наводок и помех на кабель в процессе передачи и, в конечном счете, достичь максимальной температурной чувствительности тепловизионной системы.

Характер снижения уровня помех демонстрируют два изображения, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2. Фиг. 1 соответствует системе, где АЦП и сигнальный процессор находятся в едином с фоточувствительным узлом корпусе, а фиг. 2 - системе, где дифференциальный усилитель, АЦП и сигнальный процессор находятся в отделенном от фоточувствительного узла экранированном корпусе и соединены с этим узлом линией связи. На изображении фиг. 1 хорошо заметен сетчатый рельеф, который создает некоррелированная помеха. На фиг. 2 подобный артефакт полностью отсутствует.

На фиг. 3 приведена блок-схема матричного тепловизора, состоящего из фоточувствительного узла (1), который включает в себя объектив (2), систему калибровки (3), криостат (4), входное окно криостата (5), холодный экран (6), фотоприемную матрицу на основе InAs (7), кремниевый мультиплексор (8), систему охлаждения (9), электронную систему аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10), источника питания (11), линии связи (12), цифрового узла (13), включающего в себя электронный модуль с дифференциальным усилителем, АЦП, сигнальным процессором и микросхемой связи с шиной компьютера (14), компьютер (15), а также монитора (16), принтера (17), клавиатуры (18), манипулятора "мышь" (19).

Тепловизор позволяет использовать объективы (2) с разным фокусным расстоянием F и с разной светосилой. Это дает возможность врачу-термографисту оптимально решить задачу, в которой задействованы размер интересуемой зоны обследования, размеры помещения, глубина резкости и характерная температура объекта (интенсивность теплового излучения, исходящего с поверхности тела). Используют объективы с фокусным расстоянием, соответствующим конкретным условиям медицинских исследований, связанным с размерами интересуемого объекта (родинка, орган, человек во весь рост) и размерами тепловизионного кабинета. При размерах кабинета, не позволяющих отодвигать пациента на расстояние более 2-3 метров, измерение человека во весь рост возможно обычно при фокусном расстоянии объектива около 0,02-0,03 м. В свою очередь, в менее стесненных условиях и для обследования объектов малых размеров используют объективы с фокусным расстоянием около 0,07-0,10 м. Относительное отверстие объектива определяет его светосилу, которую предпочитают делать как можно больше. Вместе с тем, светосильные объективы имеют отрицательную сторону - они не могут обеспечить большой глубины резкости. В связи с этим, в качестве оптимальных для объектива выбраны значения фокусного расстояния - свыше 0,01 м, а относительного отверстия - F/0,5- F/16.

Система наводки на резкость объектива (2) может быть как с ручным, так и с автоматическим приводом. Управление автоматической наводкой на резкость осуществляет узел (10).

Система калибровки (3) предназначена для упрощения процедуры периодического проведения тонкой подстройки (калибровки) чувствительности элементов матрицы и стандартно состоит из затвора, временно закрывающего фотоприемную матрицу от внешнего потока излучения, и источника опорного инфракрасного излучения со стабильными характеристиками. Управление этой системой производит узел (10) автоматически с помощью рабочей программы компьютера.

Криостат (4) с входным окном криостата (5), прозрачным в рабочей области спектра, и холодный экран (6) для защиты фотоприемной матрицы от фонового и рассеянного излучения - стандартные узлы.

Фотоприемная матрица на основе арсенида индия (7) гибридно состыкована с кремниевым мультиплексором (8), приведенным в описании к патенту РФ N 2111580, МПК 6 H 01 L 29/768.

На фиг. 4 показана конструкция гибридной сборки фотоприемной матрицы на основе арсенида индия и кремниевого мультиплексора, включающая сильнолегированную подложку n+-InAs (20), эпитаксиальный слой (21), индиевые столбики (22), кремниевый мультиплексор (23), горизонтальные и вертикальный сдвиговые регистры (24), внешние контакты (25).

Сильнолегированная подложка n+-InAs (20) обращена в сторону объектива. Для увеличения квантовой эффективности на ее непланарную (внешнюю) сторону нанесено антиотражающее диэлектрическое покрытие. Подложка имеет тонкий слой (21) из слаболегированного InAs n-типа, выращенный на ней методом эпитаксии. Ячейки матрицы представляют собой конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, сформированные методами планарной технологии на эпитаксиальной пленке арсенида индия, обеспечивающей чувствительность в рабочей области спектра. МДП-ячейки соединены с помощью индиевых столбиков (22) с соответствующими ячейками мультиплексора (23). При этом, эпитаксиальный (рабочий) слой поглощает падающее со стороны сильнолегированной подложки матрицы инфракрасное излучение, и оно не достигает мультиплексора. Малая толщина эпитаксиального слоя (21) и малое значение диффузионной длины носителей заряда в InAs (5 мкм) обеспечивают хорошую электро-оптическую развязку элементов (электро-оптическая связь не более 2%). Размерность матрицы 128 х 128 элементов.

Управление фотоприемной матрицей осуществляет узел (10) через кремниевый мультиплексор. Мультиплексор (кремниевый процессор) имеет два горизонтальных и один вертикальный сдвиговые регистры (24) для переноса сигнальных пакетов, обеспечивая их вывод с помощью внешних контактов (25) для дальнейшей обработки электронной системой тепловизора. Такой кремниевый мультиплексор обеспечивает считывание сигналов, зарядовое усиление и последовательный вывод сигналов с элементов на один выход. Мультиплексор допускает присутствие пробитых МДП фотоприемников. Он изготовлен по n-канальной технологии с двумя уровнями поликремниевых затворов, содержит 130х130 входных ячеек, состоящих из разделительной емкости и МДП-транзистора, сток которого соединен со столбцовой шиной считывания. Столбцовые шины считывания подключены к зарядовым усилителям. Вертикальный сдвиговый регистр обеспечивает последовательное считывание фотосигналов строк, а горизонтальный - последовательный вывод сигналов строки на общий выход. Мультиплексор также обеспечивает возможность регулирования времени накопления на МДП фотоприемниках с дискретностью, равной времени считывания двух строк.

Основные параметры кремниевого мультиплексора:
Максимальная емкость накопительной ячейки, электронов - 1,2 10⁷
Шум, электронов - < 600
Число управляющих импульсов - 13
Тактовая частота, МГц - 4
Число информационных выходов - 1
Размеры кристалла, мм х мм - 8,5 х 9
Максимальная амплитуда выходного сигнала, В - 5
В качестве кремниевых мультиплексоров, применяемых в тепловизоре, используют также мультиплексоры другой конструкции, например (G.L.Kurishev, A.P. Kovchavtzev, V.M.Bazovkin et. al. "Fabrication and properties of two - dimensional hybrid array sensor on epitaxial n - InAs films" in Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV, E.L.Dereniak, R.E.Sampson, Editors, Proc. SPIE 2746, p.268 (1996)).

Размерность фотоприемной матрицы и, соответственно, кремниевого мультиплексора может быть отличной от 128х128. При этом, форма кристаллов может быть как квадратной, так и прямоугольной, а сами кристаллы содержать m х n фоточувствительных элементов, где m,n ~ 100 - 1000.

Система охлаждения (9) предназначена для охлаждения гибридной сборки фотоприемной матрицы на основе InAs (7) и кремниевого мультиплексора (8), помещенных в криостат (4).

Электронная система аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10) содержит генератор, плату аналоговой обработки сигналов. Генератор собран на программируемых микросхемах, например на двух микросхемах XC9536 фирмы XILINX. Он обеспечивает все необходимые для работы фотоприемной матрицы на основе InAs (7) постоянные и импульсные напряжения. Цифровая синтезация регулируемых напряжений позволяет полностью исключить подстроечные резисторы и при этом на выходе генератора обеспечить все эпюры управляющих импульсов (патент РФ N 2111580, МПК 6 H 01 L 29/768), необходимые для надлежащей работы кремниевого мультиплексора (8). Плата аналоговой обработки сигнала обеспечивает усиление видеосигнала с фотоприемной матрицы, преобразует его в дифференциальную форму для передачи по линии связи (12).

Источник питания (11) служит для создания рабочих напряжений, необходимых для функционирования тепловизора. Источник питания может быть стандартным отдельным узлом. Если позволяет мощность стандартного источника питания компьютера, то в качестве источника питания тепловизора может быть использован источник питания компьютера. Если компьютер не содержит источника питания, то источник питания тепловизора может быть соединен не только с электронной системой аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10), но также и с цифровым узлом (13).

Линия связи (12) соединяет электронную систему аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10) и электронный модуль с дифференциальным усилителем, АЦП, сигнальным процессором и микросхемой связи с шиной компьютера (14), она передает преобразованный в дифференциальную форму видеосигнал с фотоприемной матрицы в цифровой узел (13). При помощи линии связи (12) имеет место двунаправленная передача цифровой сопровождающей и сервисной информации (кадровые и стробимпульсы, управление шаговыми двигателями).

Электронный модуль с дифференциальным усилителем, АЦП, сигнальным процессором и микросхемой связи с шиной компьютера (14) с помощью дифференциального усилителя и АЦП обеспечивает преобразование аналогового дифференциального сигнала в цифровую форму (12 разрядов, 10 МГц), с помощью сигнального процессора - его предварительную обработку и непосредственную запись массива информации в оперативную память компьютера, с которым он соединен. Работа тепловизионной системы зависит от программы сигнального процессора, загружаемой в процессе запуска основной компьютерной программы работы с тепловизором. С помощью этой программы электронная система тепловизора обеспечивает управление шаговыми двигателями, процессом калибровки, управление программной настройкой изображения на резкость. Предусмотрена возможность суммирования кадров (число суммируемых кадров может превышать 250000), выделение дефектных элементов. Цифровая обработка кадров включает в себя вычитание темнового уровня, выравнивание чувствительности элементов. Программное обеспечение тепловизора позволяет производить настройку яркости и контрастности изображения, изменять палитру псевдоцветов, используемую для окрашивания яркостного сигнала с фотоприемной матрицы, измерять распределение температуры вдоль линии, в точке, перепад температуры между двумя точками, помещать на изображение температурные метки и использовать другие сервисные возможности работы с термограммами в реальном масштабе времени. В программе также заложены несколько режимов шумоподавления, которые в ряде случаев позволяют практически полностью избежать координатных и временных шумов, присутствующих на изображении. Плата узла (14) размещена в цифровом узле (13). В качестве микросхемы связи с шиной компьютера может быть использована программируемая микросхема, например, XC95108, обеспечивающая обмен информацией в стандарте PCI.

В качестве компьютера (15) может быть использован, например, персональный компьютер типа IBM.

С цифровым узлом (13) соединены монитор (16) и принтер черно-белой и цветной печати (17), являющиеся стандартным оборудованием. Скорость вывода информации на монитор (16) зависит от быстродействия компьютера (15) и для работы фотоприемной матрицы на основе InAs в режиме 100 кадров/сек составляет около 50 кадров/сек.

Клавиатура (18) и манипулятор "мышь" (19) соединены с цифровым узлом (13), представляют собой стандартные узлы, служат для запуска рабочей программы тепловизора и управления им через компьютер. При управлении тепловизором только от клавиатуры манипулятор "мышь" может быть отключен.

Ниже приведено описание работы медицинского матричного тепловизора, созданного на основе МДП-ПЗИ ячеек на InAs.

Процедура тепловизионных измерений состоит в следующем.

С помощью системы охлаждения (9) (фиг. 3) производится захолаживание фотоприемного гибридного модуля, состоящего из фотоприемной матрицы (7) на основе InAs и кремниевого мультиплексора (8), помещенных в криостат (4). Напряжение с источника питания (11) подается на электронную систему аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10). После подачи напряжения генератор, входящий в состав системы (10), вырабатывает все необходимые для работы фотоприемной матрицы (7) постоянные и импульсные напряжения, эпюры которых приведены, например, в описании к патенту РФ N 2111580, МПК 6 H 01 L 29/768, а также вырабатывает синхроимпульсы для запуска АЦП. С помощью клавиатуры (18) и манипулятора "мышь" (19) запускается рабочая программа тепловизора, считываемая с твердого носителя (винчестер, флоппи-диск, лазерный диск и т.п.) в память компьютера (15). Программно запускается система калибровки (3), которая в течение 2-3 секунд производит тонкую коррекцию чувствительности ячеек фотоприемной матрицы. Объект исследования (человек) устанавливается перед подготовленным к работе тепловизором на расстоянии от 0,2 до нескольких метров от него. Объектив (2) направляется на интересуемую область, расположенную на поверхности тела. С помощью системы наводки на резкость достигается наиболее четкое изображение на экране монитора (16). Инфракрасное (тепловое) излучение, исходящее от интересуемого участка, собирается объективом и после прохождения через входное окно криостата (5) фокусируется в плоскости расположения фоточувствительных ячеек фотоприемной матрицы на основе InAs (7), установленной в составе гибридной микросхемы на охлаждаемом пьедестале криостата (4). Спектральный состав излучения 2,8 - 3,05 мкм, регистрируемого матрицей, определяется разностью между пороговыми длинами волн, соответствующими краю полосы фундаментального поглощения в сильнолегированной подложке n+-lnAs и в рабочем слаболегированном эпитаксиальном слое n-lnAs.

Кванты ИК-излучения преобразуются фотоячейками в электрические заряды и удерживаются в приповерхностной области полупроводникового кристалла электрическим полем. Фотоотклик, пропорциональный интегральной освещенности, за время накопления регистрируется всеми фотодатчиками, присоединенными к индивидуальным ячейкам считывания. Кремниевый мультиплексор (8) один раз за время накопления производит последовательный опрос элементов.

С выхода кремниевого мультиплексора (8) сигнальные импульсы попадают в электронную систему аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами (10). Плата аналоговой обработки сигнала, входящая в состав узла (10), усиливает видеосигнал с фотоприемной матрицы, преобразует его в дифференциальную форму и через линию связи (12) дифференциальный аналоговый сигнал, сопровождаемый синхроимпульсами, передается в электронный модуль с дифференциальным усилителем, АЦП, сигнальным процессором и микросхемой связи с шиной компьютера (14).

Узел (14) преобразует аналоговый дифференциальный сигнал в цифровую форму с помощью АЦП, предварительно обрабатывает его с помощью сигнального процессора и осуществляет непосредственную запись массива информации в оперативную память компьютера (15) (5 мс для массива 32 КБ). Далее информация выводится на монитор (16), а принтером (17) на печать.

В отличие от большинства известных тепловизионных установок в описываемом устройстве отсутствуют механические узлы сканирования изображения. С учетом матричного исполнения детектора это дает ряд принципиальных преимуществ такому прибору. Прежде всего, это повышенная надежность при высоком быстродействии. Высокая частота кадров позволяет наблюдать динамику изменения температуры и не выдвигать специальных требований фиксации пациента. Это также высокая предельная температурная чувствительность (не хуже 0,03^oC). Последнее свойство описываемого устройства показательно иллюстрирует фиг. 5, на которой представлена термограмма (негатив) новообразования в области плеча. Способность предлагаемого тепловизора отображать тонкую температурную структуру исследуемого объекта имеет большое значение для дифференциальной диагностики в онкологии и других областях медицины (Head J.F., Lipari С.A. et al. "Cancer risk assessment with a second generation infrared imaging system. " in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjorn F. Andresen, Marija Strojnik, Editors, Proc. SPIE 3061, р. 300-307 (1997)).

Высокую пространственную разрешающую способность прибора и высокую контрастность изображения демонстрирует фиг. 6, на которой можно отчетливо видеть сеть приповерхностных сосудов нижней конечности, обусловленную их варикозным расширением (в видимом свете данная венозная структура не видна). На этапе создания фоточувствительной гибридной микросхемы на основе арсенида индия разрешающая способность матрицы исследовалась с помощью сканирующего инфракрасного зонда, сконструированного на базе инфракрасного облучателя "ИКО-1". Результаты показали, что при диаметре светового пятна около 27 мкм степень электрооптической связи соседних ячеек матрицы не превышает 2%.

Формула изобретения

1. Матричный тепловизор, содержащий фоточувствительный узел, включающий объектив, криостат, входное окно криостата, фотоприемную матрицу, кремниевый мультиплексор, систему охлаждения, холодный экран, электронную систему аналоговой обработки сигналов, содержащий также цифровой узел, состоящий из электронного модуля с АЦП и соединенного с ним компьютера, а также источник питания и монитор, соединенный с цифровым узлом, отличающийся тем, что фотоприемная матрица выполнена на основе арсенида индия, матричный тепловизор содержит систему калибровки чувствительности элементов матрицы, встроенную в фоточувствительный узел, содержит также линию связи, цифровой узел выполнен в отделенном от фоточувствительного узла экранированном корпусе и через линию связи соединен с фоточувствительным узлом, электронный модуль с АЦП дополнительно содержит дифференциальный усилитель, сигнальный процессор и микросхему связи с шиной компьютера, электронная система аналоговой обработки сигналов выполнена с возможностью управления матрицей через кремниевый мультиплексор, исполнительной системой калибровки чувствительности элементов матрицы и исполнительной системой наводки на резкость объектива, также матричный тепловизор дополнительно содержит принтер, клавиатуру, манипулятор "мышь", соединенные с цифровым узлом.

2. Матричный тепловизор по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемная матрица имеет размерность 128 128 элементов.

3. Матричный тепловизор по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемная матрица выполнена квадратной или прямоугольной формы и содержит m n фоточувствительных элементов, где m, n ~ 100 - 1000.

4. Матричный тепловизор по пп.1 или 2, или 3, отличающийся тем, что фоточувствительными элементами матрицы служат конденсаторы со структурой МДП.

5. Матричный тепловизор по пп.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что фоточувствительными элементами матрицы служат фотодиоды.

6. Матричный тепловизор по пп.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что объектив имеет фокусное расстояние F, превышающее 0,01 м, и относительное отверстие в пределах F/0,5-F/16.

7. Матричный тепловизор по пп.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что источник питания соединен с электронной системой аналоговой обработки сигналов, управления матрицей и исполнительными системами.

8. Матричный тепловизор по пп.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что источник питания дополнительно соединен с цифровым узлом.

9. Матричный тепловизор по пп.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что в качестве источника питания использован источник питания компьютера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8