6.8 Высокочувствительная пзс-камера модели s2x для круглосуточной работы

Для решения задач круглосуточного (диапазон освещенностей от 10-5 до 103 лк без объектива) наблюдения и картографии с борта маловысотного летательного аппарата при повышенных требованиях к механо-климатическим параметрам приборов разработана цифровая камера типа S2X на основе ПЗС, состыкованного с выходом усилителя яркости изображения. В ней реализованы различные режимы автоматического или внешнего (от компьютера) управления усилением.

Камера состоит из двух блоков: выносной камерной головки и системы управления. В камерной головке находится датчик изображения – ЭОП на МКП типа XX1450 производства фирмы DEP (Нидерланды), который через волоконно-оптическую планшайбу сочленен с кристаллом специально разработанного ПЗС с волоконно-оптическим входом типа ISD-070 форматом 512х512. Для лучшего согласования чувствительности ПЗС со спектральной характеристикой люминофора ЭОП конструкция ячейки прибора выполнена с учетом обеспечения повышенной чувствительности в синей и голубой областях спектра. Предусмотрена и защита от оптических перегрузок (антиблюминг). Максимальная кадровая частота камеры составляет 20 Гц. Возможен режим длительного накопления (до 25 с). Выходной сигнал – 12-разрядный при частоте квантования 6,7 МГц. Особенность камеры – полностью цифровая обработка видеосигнала (ДКВ, привязка к уровню черного и АРУ, коррекция гистограммы). В камере реализованы защита ЭОП при пересветках, формирование сигнала необходимости включения внешней подсветки при недостаточной освещенности.

Камера рассчитана на работу в диапазоне температур -40…50°С с учетом повышенных требований к механической стойкости. Программное обеспечение под Windows 95/98 содержит средства управления камерой и отображения изображения в реальном времени непосредственно на дисплее компьютера. ПО позволяет производить некоторые виды обработки изображения в реальном времени – цифровое накопление, гамма-коррекцию, изменение масштабов, построение гистограмм и сечений. Изображение может быть записано в файл в стандартных форматах.

Сейчас разрабатывается следующая версия камеры с расширенным диапазоном входных освещенностей (до 150 дБ, а при использовании объектива с автоматической диафрагмой – до 175 дБ), двух- и моноблочной конструкцией, усилителем яркости с повышенной чувствительностью и разрешающей способностью.

6.9 Цифровые тепловизионные системы среднего ик-диапазона

Ведутся работы по совершенствованию и разработке новой модификации тепловизионной цифровой камеры TVC200ML для работы в диапазоне 3–5,5 мкм. Камера представляет собой моноблок, в котором расположены азотный криостат с установленным в нем ИК ПЗС и комплект электронных устройств для съема, преобразования и цифровой обработки сигнала. Время непрерывной работы криостата (без дозаправки) не менее 6 ч.

Камера комплектуется объективами с фокусным расстоянием 40, 100 и 240 мм и реализует температурную чувствительность (разность температур, эквивалентную шуму) не хуже 0,1°С при 30°C. Выходные сигналы камеры – 12-разрядный цифровой поток с частотой дискретизации 2,5 МГц и черно-белый телевизионный видеосигнал по ГОСТ 7845-72. Данные вводятся в компьютер через специальную цифровую плату захвата изображения, соединенную с PCI-шиной (входит в комплект поставки), с использованием параллельной (до 2 м) или последовательной (до 100 м) линии связи.

Тепловизионные камеры семейства TVC предназначены для обнаружения и распознавания объектов в ночных условиях, поиска утечек тепла в зданиях, сооружениях и тепловых сетях; выявления перегретых элементов в силовых электро-энергетических системах (подстанциях, распределительных щитах); диагностики и исследований в медицине, биологии, машиностроении и т.п.

Камера TVC200ML успешно проходит клинические испытания в нескольких медицинских центрах Санкт-Петербурга по тепловизионной диагностике различных заболеваний и контролю за ходом их лечения (рис. 41). Разработана новая модель TVC480ML на ПЗС форматом 480х320 элементов. Кроме того разрабатывается ИК ПЗС-камера с использованием микрохолодильника замкнутого типа ("Стирлинг").

Рисунок 41 – Термографическая диагностика подагры – воспаление левой стопы (а) и термография тела пациента (б)

Твердотельные формирователи изображений широ­ко используются при формировании изображений в видимой области света. Что касается их применения для рентгеновской области спектра, то здесь существу­ет ряд ограничений и особенностей, связанных со сла­бой эффективностью прямого преобразования энергии рентгеновских квантов в заряд в относительно тонком кремниевом детекторе, изготовленном на пластинах кремния толщиной около 0,5 мм. В связи с этим необ­ходимо применение таких конверторов как сцинтилляторы — для более полного преобразования энергии рентгеновских квантов в этом случае в световое из­лучение с последующей регистрацией фотоприемны­ми устройствами видимого диапазона.

Цифровые приемники для рентгенодиагностических аппаратов

Все существующие приемники для цифро­вых систем можно условно разделить на две группы:

– детекторы, в которых преобразование осу­ществляется с использованием различного типа запоминающих устройств, выполняю­щих роль своеобразного буфера, с формиро­ванием цифрового массива данных при по­следующем считывании информации уже с запоминающего устройства (рис. 1);

– детекторы с непосредственным преобразо­ванием информации, содержащейся в про­шедшем через тело пациента потоке рентге­новских квантов, в массив цифровых дан­ных (рис. 2).

Рис. 1. Тракт формирования рентгеновского изображения, в котором используется запоминающее устройство.

Рис. 2. Тракт формирования изображения с непосредственным преобразованием информации, содержащейся в потоке рентгеновских квантов.

Ко второй группе относятся:

– тракты формирования рентгеновского изо­бражения, использующие рентгеновские электронно-оптические преобразователи (РЭОП), а также телевизионные системы либо ПЗС-матрицы с оцифровкой сигналов на их выходе;

– тракты, использующие комбинацию сцинтилляционный экран – светосильная оптика переноса – ПЗС-матрица;

– тракты на базе линеек газовых и твердотель­ных (полупроводниковых) детекторов для сканирующих систем;

– технология плоских панелей различных ти­поразмеров, бурно прогрессирующая в по­следние годы.

Во второй группе хронологически первенст­во принадлежит системам цифровой рентгено­графии на базе РЭОП. Тракт формирования изображения в этом случае помимо РЭОП со­держит телевизионную камеру, трансформиру­ющую оптический сигнал с экрана РЭОП в аналоговый видеосигнал, который в дальней­шем подвергается аналого-цифровой обработ­ке. Сформированный таким образом массив цифровых данных регистрируется в рабочей станции, и появляется возможность отображе­ния зарегистрированного изображения на эк­ране монитора для его дальнейшей обработки и анализа. Размер экранов современных элек­тронно-оптических преобразователей колеб­лется в диапазоне от 150 до 500 мм в зависимо­сти от назначения и класса прибора (наиболее распространенный размер 230 мм). В ряде сис­тем применяются телевизионные камеры по­вышенной четкости (1024 и более строк), в некоторых системах камеры заменены на ПЗС-матрицы, преимуществами которых яв­ляются более высокая чувствительность, бо­лее широкий динамический диапазон и лучшие массо-габаритные характеристики. Примером цифрового рентгенодиагностичес-кого комплекса на базе РЭОП большого диа­метра может служить одна из модификаций аппарата Siregraph фирмы Siemens (аппарат поставляется с РЭОП с размерами рабочих полей в зависимости от потребностей заказ­чика). Оснащение аппарата преобразователем большого диаметра неизбежно приводит к значительному увеличению стоимости рентгенодиагностического устройства.

Использование усилителей рентгеновского изображения (УРИ) на базе РЭОП с телевизи­онной камерой или ПЗС-матрицей позволяет реализовывать цифровую технологию при рентгеноскопии, в том числе и в импульсном режиме. До настоящего времени это единст­венный способ просвечивания, позволяющий получать и регистрировать серии изображений в цифровом виде.

И наконец, наиболее передовая в настоящее время технология, связанная с использованием плоских панелей различных типоразмеров, на­зываемая в литературе “непосредственная (или прямая) радиография” (Direct Radiography) [5]. В настоящее время существует два типа подоб­ных детекторов – без преобразования потока рентгеновских квантов в световой поток и с соответствующим преобразованием.

Структурная схема детектора – плоской па­нели на основе аморфного селена предназначенного для получения рентгеновского изображения представлена на рис. 3. На начальном этапе за счет облучения пото­ком рентгеновских квантов слоя аморфного селена, который находится в постоянном электрическом поле большой напряженности, формируются заряды, количество которых пропорционально интенсивности рентгенов­ского потока в данном месте поверхности пла­стины. Заряды накапливаются в элементах-накопителях (конденсаторах) по всей площа­ди пластины. Затем осуществляется считыва­ние информации о распределении зарядов в плоской решетке электродов – слое, содержа­щем полупроводниковые элементы на базе аморфного кремния, в результате чего форми­руются электрические сигналы, которые в дальнейшем оцифровываются. Таким образом становятся возможными регистрация рентге­новского изображения в рабочей станции и его последующие обработка и анализ.

Рис. 3. Структурная схема детектора – плоской па­нели на основе аморфного селена.

Рис. 4. Структурная схема детектора – плоской па­нели на основе аморфного кремния.

Рисунок 4 иллюстрирует стадии получения изображения в системах с преобразованием потока рентгеновских квантов в световой по­ток. На первом этапе поток рентгеновских квантов бомбардирует усиливающий экран (на основе CsI или гадолиниевый), после чего формируется световой поток, интенсивность которого в каждой парциальной области пропорциональна интенсивности рентгеновского потока, прошедшего через исследуемый объ­ект в этой области. Сформированный свето­вой поток облучает слой, представляющий со­бой решетку светочувствительных элементов (фотодиодов), на выходах которых формиру­ется электрический заряд, пропорциональный интенсивности светового пучка, попавшего на каждый из фотодиодов. Затем, как и в преды­дущем случае, происходит считывание инфор­мации о распределении зарядов в плоской ре­шетке электродов – слое, содержащем полу­проводниковые элементы на базе аморфного кремния, в результате чего формируются элек­трические сигналы, которые в дальнейшем оцифровываются, и появляется возможность регистрации рентгеновского изображения в рабочей станции для его обработки и анализа.

Пластины на основе аморфного селена поз­воляют получить изображение более высокого качества, чем пластины с преобразованием по­тока рентгеновских квантов в световой поток. В первую очередь это объясняется тем, что в толще пластины происходит искажение ин­формации за счет рассеивания света. Еще одно преимущество плоских панелей на аморфном селене – их более высокая пространственная разрешающая способность.

Цифровая рентгенография уже многие годы широко применяется в медицине и получает все большее распространение в стоматологии. Наиболее распространенными системами, использующими цифровую рентгенографию в стоматологии,  являются, так называемые, радиовизиографические устройства.

Эти устройства используют различные физические принципы регистрации рентгенографического изображения и делятся на два основных типа – с проводными датчиками прямого ввода в компьютер полученного изображения на основе CCD- или CMOS-матриц, и на основе беспроводных «фосфорных» пластин, требующих последующего снятия изображения специальным цифровым сканером для ввода в компьютер.

Радиовизиографические устройства по сравнению с традиционными пленочными системами имеют следующие преимущества:

1.  Высокая чувствительность датчика позволяет существенно минимизировать дозы рентгеновского облучения пациента и персонала.

2.  Быстрота получения изображения, особенно для устройств на основе CCD и CMOS-матриц.

3.  Удобство хранения результатов исследований, быстрота и легкость доступа к результатам ранее проведенных исследований.

4. Возможность применения цифровых методов обработки изображения позволяет повысить диагностические возможности.

5. Датчики пятого поколения на основе CCD-матриц имеют пространственное разрешение выше традиционных пленочных методов и контрастную чувствительность, как минимум, сравнимую с чувствительностью пленки.

Как уже отмечалось, высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов НК обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью «видения» в оптически непрозрачных средах. Процесс видения осуществляется путем визуализации с помощью оптико-электронных систем невидимых человеческому глазу изображений, создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и других диапазонах электромагнитного спектра. Оптические изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее наиболее удобным, оптимальным видом, воспринимаемым человеком.

Тепловизионный метод контроля основан на том, что любые процессы, происходящие в природе и человеческой деятельности, сопровождаются поглощением и выделением, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате этого поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. Основным путем реализации тепловизионного метода является создание аппаратурных средств. обеспечивающих преобразование температурного распределения или инфракрасного излучения в видимое изображение. Реализация возможностей тепловизионного метода, обеспечивающего как выявление внутренних дефектов в различных объектах, так и эффективное решение проблемы «ночного видения», обнаружение скрытых или замаскированных объектов или осуществление поисковых мероприятий в сложных метеоусловиях, обусловила создание широкого спектра тепловизионных аппаратурных средств: портативных, мобильных, стационарных.

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности или фона, в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых или других помех (дыма, дождя, тумана, снега, пыли и т.п.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 1960-х гг. исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и аппаратуры без механического сканирования на базе двумерных ИК-приемников. Сегодня можно условно выделить четыре поколения развития такой техники.

Нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение - на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.

Принципиально новое третье поколение основано на применении «одновременно смотрящих», т.е. фокально - плоскостных (FPA - Focal Plate Area), двумерных твердотельных многоэлементных (матричных) приемников излучения (МПИ), т.е. без использования оптико-механических систем развертки.

В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения неохлаждаемых многоэлементных МПИ, физические характеристики которых весьма высоки и практически не уступают охлаждающим системам. Современные тепловизионные системы (ТПС) имеют малые весогабаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т.п. и делятся на два основных класса:

• наблюдательные (показывающие);

• измерительные или радиометрические (термографы).

Наблюдательные ТПС предназначены для обнаружения, распознавания и визуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей).Такие системы могут дополняться автономными каналами, содержащими как правило, отмасштабированный телевизионный и канал дистанционного измерения температуры с лазерным целеуказанием, а также лазерными дальномерами. Такое дополнение наблюдательных ТПС позволяет им частично выполнять измерительные функции.

Измерительные (радиометрические) ТПС используются преимущественно для квалифицированной тепловой диагностики различных промышленных объектов, техники, зданий, сооружений, механизмов и т.п.

Каждый из этих классов ТПС имеет свою специфику практического применения (рыночную нишу) и свои эксплуатационные возможности.

В соответствии с тематикой настоящей работы далее мы будем рассматривать наблюдательные ТПС, которые занимают особое место при решении поисковых и досмотровых задач. ТПС, выполняющие такие функции, наряду с наблюдательными называют поисково-досмотровыми или просто поисковыми.

Поисковые ТПС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы. Эти приборы способны регистрировать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого и ближнего ИК-излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность обнаруживать замаскированные или скрытые объекты. Поисковые тепловизионные системы могут использоваться для круглосуточного всепогодного наблюдения, разведки, прицеливания, сопровождения целей, охраны объектов, таможенного контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненых и пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин и т.п.

Основное преимущество МБ-систем - отсутствие охлаждения - делает их экономичными по потребляемой мощности, более легкими и более дешевыми, чем охлаждаемые ТПС. МБ-системы способны выходить на рабочий режим за несколько секунд. Вторам важным преимуществом МБ-систем по сравнению с другими неохлаждаемыми системами, например на пироэлектрических приемниках излучения, является возможность работы без механических модуляторов. МБ-системы являются бесшумными, что является немаловажным для работы в условиях скрытого наблюдения. Третьим важным преимуществом является чувствительность МБ-приемников в широком спектральном диапазоне. В настоящее время практически используется наиболее распространенный диапазон 8...13 мкм, но МБ потенциально пригодны для создания перспективных многоспектральных систем.

Формат МБ-матриц подавляющего числа моделей, особенно на начальном периоде их серийного выпуска, был двух типов: 320 х 240 и 160 х 120 элементов, а температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) составляла 100... 150 мК. При этом размер элемента матрицы составлял 50 х 50 мкм. Несколько позднее появились матрицы форматом 640 х 480 элементов, размер пикселя уменьшился до 28 х 28 мкм, a NETD достигла 50 мК. Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced Uncooled Thermal Imaging Program) агенства по перспективным оборонным научно-исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA) предусматривает создать микроболометр формата 1280 х 960, размером пикселей 15 мкм при температурном разрешении 10 мК. В настоящее время уже производятся матрицы размером 640 х 480 мкм при размере пикселя 17 мкм (L-3 Communication, США), к 2009 г. ожидается серийный выпуск этой фирмой матриц форматом 1280 х 1024, с пикселем 17 мкм и чувствительностью менее 20 мК. Применение таких матриц значительно улучшит пространственное и температурное разрешение ТПС.

Что касается другого типа неохлаждаемых матричных ИК-приемников - пироэлектрических (ППИ), то по чувствительности они несколько уступают МБ-матрицам. NETD ППИ не превышает 80 мК, типичное значение лежит в пределах 100... 150 мК. Наиболее используемый формат 320 х 240 элементов, в последнее время появились матрицы форматом 640x512 и 512x256 пикселей. Существует сфера применения пироэлектрических матриц, где они имеют явное преимущество над болометрическими — это круглосуточные системы наблюдения, при работе которых имеется вероятность прямого солнечного воздействия на чувствительную область матрицы. Вероятность выхода из строя в этом случае пироэлектрической матрицы значительно ниже чем болометрической.

Картина до недавнего времени складывалась примерно такая: CCD-матрицы решительно преобладали везде, где требовалось более-менее приличное качество цветной картинки, чувствительность и хороший динамический диапазон. Это профессиональные и бытовые видеокамеры, цифровые фотоаппараты, системы видеонаблюдения и так далее. Для CMOS-матриц оставили сектор low-end бытовой аппаратуры, вроде дешевых камерофонов и веб-камер, а также некоторые направления технологического плана: системы машинного зрения, датчики движения, медицинские зонды, получение изображения отпечатков пальцев и т. п.

Если вы посмотрите на рис. 2 и 4 внимательнее, наверняка заметите одну особенность, характерную для обоих типов цветных матриц: «зеленых» ячеек на них в два раза больше, чем «синих» и «красных». Это так называемый цветной фильтр по модели Bayer (обычно его называют «байеровским фильтром»), предложенный фирмой Kodak. Он учитывает, что чувствительность человеческого глаза наиболее высока в области зеленого цвета.

Для хороших спектральных показателей цветные фильтры должны быть достаточно плотными, и потому чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем черно-белых. Поэтому в условиях малой освещенности (например, в видеокамерах охранных систем) используются черно-белые датчики без фильтров.

В феврале 2002 года фирма Foveon объявила о создании матрицы Х3, где цветные фильтры не используются вообще. Разделение светового потока на составляющие происходит за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в слой кремния на разную глубину. Проникающая способность синего цвета — наименьшая, а красного — наибольшая, то есть в таком сенсоре светочувствительный элемент состоит из трех слоев (они хорошо видны на рис. 5.

Несколько отличаются по принципам построения от обычных CCD матрицы компании Fuji, выполненные по фирменной технологии SuperCCD. Во-первых, сенсоры этих матриц — ромбовидные, а не прямоугольные, что позволяет более эффективно использовать площадь кристалла. Второе и главное отличие SuperCCD от обычных матриц в том, что массив сенсоров состоит из двух разновидностей пикселей. S-пиксели имеют большой размер и, как следствие, очень высокую чувствительность к падающему свету. Эти пиксели при росте освещенности быстро насыщаются, перестают реагировать на дальнейшее увеличение экспозиции и предназначены для проработки деталей в тенях. На светлых участках в дело вступают маленькие и низкочувствительные R-пиксели. В принципе такая технология позволяет «вытягивать» изображение как в светах, так и в тенях, расширяя динамический диапазон SuperCCD в несколько раз по сравнению со стандартными матрицами, растягивая и спрямляя характеристическую кривую.

CCD (Charge-Coupled Device, прибор с зарядовой связью - ПЗС) - светочувствительный элемент представляет собой узкую полоску из множества фотодатчиков, на которую при сканировании на каждом шаге двигателя отражается от документа и через систему зеркал попадает свет от лампы, установленной на каретке. На каждом шаге каретки сканер фиксирует одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую в свою очередь на некоторое количество пикселей на CCD-линейке. Итоговое изображение, составленное из полосок, представляет собой как бы мозаику из пикселей одинакового размера и разного цвета. Для проецирования изображения с подсвеченного оригинала на CCD-линейку используется специальная оптическая система из объектива и нескольких зеркал.

Рис.1. Устройство каретки сканера на основе CCD матрицы.

CIS (Contact Image Sensor, контактный датчик изображения) - светочувствительный элемент представляет собой линейку одинаковых фотодатчиков, равную по ширине рабочему полю сканирования, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала. Оптическая система - зеркала, преломляющая призма, объектив - полностью отсутствует.

Рис.2. Устройство каретки сканера на основе CIS матрицы.

Для представления цветопередачи любого устройства используются цветовые профили. Большинство производителей оборудования прилагают к своим сканерам и плоттерам наборы ICC- или ICM-файлов, позволяющие программам обработки изображений осуществлять корректную цветопередачу при отображении и печати. Профили содержат описание цветового пространства, которое «видит» сканер или может напечатать конкретный плоттер. Сравним цветовые пространства (Gamut), предоставляемые современными сканерами типов CCD и CIS и современным струйным плоттером, в системе координат CIE Lab с одинаковым масштабом.

Цветовые пространства CCD-сканера, CIS-сканера и струйного плоттера

Из объема фигур очевидно, что количество цветов, воспринимаемых сканерами, существенно превышает количество цветов, передаваемых при печати. Высота фигуры в этом ракурсе фактически означает диапазон яркости, а ее ширина – показатель насыщенности или цветности получаемых изображений. Несомненно, что у CIS-сканера объем фигуры меньше, чем у CCD-сканера, в результате чего он обеспечивает меньшую контрастность при сканировании бледных или темных синек и, соответственно, худшую цветопередачу при копировании фотореалистичных изображений. Теперь совместим все три фигуры.

Очевидно, что если CCD-сканер «видит» все цвета, которые может напечатать плоттер, то CIS-сканер не воспринимает часть спектра (зеленая и желтая фигуры).

Принцип работы CCD-сканера

Принцип работы CIS-сканера