Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА В МЕДИЦИНЕ, БИОЛОГИИ, АСТРОНОМИИ И ДРУГИХ ОТРАСЛЯХ НАУКИ

Круг возможных применений рассматриваемых систем весьма обширен и охватыва­ет различные области медицины, биологии, астрономии и других отраслей науки, хотя на практике возможности ИКС здесь реализованы сегодня далеко не в полной мере. Приведем лишь несколько примеров.

В медицине с помощью ИКС исследуют кожные покровы и подкожные кровеносные сосуды, а также диагностируют новообразования, которые в ближнем ИК-диапазоне
имеют отражательную, а в средне - и длинноволновом - излучательную способности, отличающиеся от подобных характеристик здоровых тканей. Так, описанные в п. 7.4.2 разработки ЦНИИ «Электрон» планируются для широкого применения в разнообраз­ных медико-биологических исследованиях [263].

Фирма «OmniCorder Technologies Inc.» (США) создала BioScan System - установку для термографии, в которой используется ФКЯ-матрица формата 256x256 с чувстви­тельностью лучше 30 мК при частоте кадров 30 Гц [133]. Установка позволяет после­довательно во времени получать сотни изображений какого-либо органа (ткани), обра­батываемые с помощью алгоритма быстрого фурье-преобразования для определения температурного рельефа в выбранном участке сцены и динамики его изменения. Чтобы избежать влияния отраженного излучения, создаваемого окружающей средой (бликов), и других помех, рабочий спектральный диапазон установки должен располагаться в об­ласти длин волн, больших 8 мкм. Поскольку медицинская диагностика часто базирует­ся на наблюдении потоков крови в микрокапиллярах, установка должна работать в ре­жиме реального времени. Исследования показали, что высокую чувствительность, вы­сокое геометрооптическое разрешение и хорошую стабильность работы лучше всего обеспечивает ФКЯ-матрица. Установка с успехом использовалась для диагностики опухолей в легких, ряда онкологических и других заболеваний, а также для контроля эффективности их лечения.

Специализированная ИКС для медицинских исследований MedVision (рис. 14.14 на вклейке) входит в состав установки InfraRed Eye, помещенной на подвижное основа­ние. Система построена на базе охлаждаемого PtSi-МПИ формата 320x240 пикселов размером 30 мкм и имеет ДГП < 70 мК. Объектив с фокусным расстоянием 27,5 мм (К= 1,8) обеспечивает угловое поле 16,5x12,4°. На экране TV-монитора, дублирующе­го дисплей ИКС, создаются цветное изображение и шкала псевдоцветов, соответст­вующих различным температурам. Входящий в комплект установки персональный компьютер может содержать в своей памяти различные сведения, в том числе историю болезни пациента. Такая система помогает точно определять положение точек для иг­лоукалывания, лимфатических узлов и других участков тела, интересных с позиций как традиционной медицины, так и восточной.

Бесконтактная система проведения диагностики SARS, предлагаемая фирмой «Пер - гам» (Россия), строится на базе ИКС TermoVision А20, TermaCAM Е2 и TermaCAM Р60, производимых компанией « FLIR Systems». С помощью этой системы за один день можно обследовать более 5000 человек, выявляя инфицированных на предклиническом этапе, когда человек не ощущает никаких симптомов болезни, но уже является носите­лем вируса SARS. Параметры указанных ИКС приведены в табл. 14.1 и 14.2. (№58-60).

В [222] описано применение пироэлектрических и микроболометрических МПИ для измерения параметров инфракрасных С02-лазеров. Микроболометр на V02 формата 128x128 с размером пиксела 50 мкм имел нижний предел чувствительности порядка 1,5Т04В/Вт и D* = 108 Вт~'-смТц1/2. Исследовались возможности указанных МПИ с учетом отношения сигнал (напряжение)-мощность, напряжения насыщения, средних квадратических и пиковых значений шумов, эквивалентных шуму потоков, динамиче­ского диапазона сигнала, порога разрушения. Основные параметры измерительной ап­паратуры на базе пирикона и на базе болометра для полосы частот 3 МГц не слишком сильно отличались.

Кроме того, в [222] приводятся результаты сравнения расчетных и эксперименталь­ных зависимостей сигнала с микроболометра от температуры облучающего его черного тела. Показано, что микроболометр как измеритель температуры обеспечивает разре­шение в 1 К при измеряемых температурах порядка 273 К и в 0,5 К при температурах черного тела порядка 353 К.

Инфракрасные системы, включаемые в состав астрономической и астрофизической аппаратуры как наземного, так и космического базирования, уже подтвердили свою вы­сокую эффективность. Так, первые попытки использования ИКС на базе ФКЯ-матриц формата 256x256, работающих в спектральном диапазоне 8...9 мкм при температуре ох­лаждения 35 К, в составе 5-метрового телескопа Маунт-Паломар (США) показали воз­можность наблюдения с ее помощью астрономических объектов, медленно перемещаю­щихся в угловом поле 2x2'. Почти полное отсутствие у ФКЯ-матрицы If-шума в диапа­зоне частот до 30 МГц позволило заметно увеличить время наблюдений за пылевыми низкотемпературными (около 300 К) облаками, окружающими некоторые небесные тела.

Для астрономических исследований в области спектра 0,9...2,5 мкм научный центр компании «Rockwell» разработал уникальную крупноформатную (2048х2048) КРТ - матрицу с размером пиксела 18 мкм и общим размером менее 2x2 см [99]. Матрица со­стоит из четырех независимых квадрантов 1024x1024, объединенных в общую конст­рукцию с погрешностью позиционирования менее 0,05 мкм. Сигналы снимаются с по­мощью девяти КМОП-схем. Два источника питания создают напряжение 5 В. Система работает при температуре охлаждения 78 К; темновой ток составляет менее 0,01 элек­трона в секунду. Матрица соединена с 12 мультиплексорами. Среднее значение кванто­вой эффективности почти всех 4,2Т06 пикселов составляет 58%. Зарядовая емкость ячеек схемы считывания более 105 электронов, динамический диапазон сигналов бли­зок к 104, шум считывания 3...20 электронов.

В программе создания новых больших телескопов космического базирования, раз­работанной Национальным агенством по космическим исследованиям США (NASA) на 2002-2015 гг., значительное внимание уделяется разработке крупноформатных мат­ричных ФПУ [80]. Как отмечалось в п. 7.4.1, для диапазона 0,9. ..2,5 мкм уже создано ФПУ формата 2048x2048. Для проекта NGST, который должен завершиться в 2007 г. созданием телескопа с зеркалом размером 7 м, планируется разработать матричное ФПУ на базе КРТ формата около 8000x8000, предназначенное для работы в спектраль­ном диапазоне 50... 150 мкм. Предусматривается размещение телескопа на больших высотах и в космосе (на борту самолета, в стратостате, на космической платформе), чтобы избежать поглощения длинноволнового ИК-излучения нижними слоями земной атмосферы. Телескоп NGST поможет изучать молекулярные облака, галактические фо­ны, космическую пыль и поверхности планет с температурой 30... 100 К.

На высоких орбитах ФПУ и вся конструкция крупногабаритных телескопов будут глубоко охлаждаться до 35...40 К путем радиационного (пассивного) теплообмена с

Окружающей средой. Для телескопов меньших размеров, например SIRTF с зеркалом диаметром 0,85 м, работающего в диапазоне 3...180 мкм, предполагается использовать активную систему охлаждения, обеспечивающую температуру порядка 5,5 К [80]. По­мимо глубокого охлаждения в космических телескопах нового поколения важной про­блемой остается защита от излучения фонов, источниками которых могут быть косми­ческий фон (3 К), зодиакальное свечение, рассеянное галактическое излучение и собст­венное излучение самой конструкции телескопа. Последнее является доминирующим, если температура поверхностей конструкции превышает 15 К.

Системы на ФКЯ-матрицах успешно использовались при наблюдении вулканов (в спектральном диапазоне 3...5 мкм) с их широким динамическим диапазоном темпера­тур (300... 1000°С), что недоступно большинству ИКС на других приемниках излучения [133]. На изображениях, полученных с помощью ИКС на ФКЯ-матрице формата 256x256, четко выделяются потоки лавы, не видимые невооруженному глазу.

Компания «SOFRADIR» приступила к разработке МПИ на базе КРТ, чувствитель­ного в спектральном диапазоне 1,0...2,5 мкм [104]. Приемник форматом 1000x256 пикселов размером 30 мкм должен иметь высокое спектральное разрешение. Ожида­ется, что динамический диапазон выходных сигналов составит 2 В, а емкость ячеек накопления схемы считывания - до 1,6-106 электронов при частоте выходного сигна­ла до 10 МГц. Разрабатываемая на базе этого приемника ИКС предназначается для широкого ряда применений, в том числе для мониторинга растительности и сельско­хозяйственных объектов (посевов), спектральных космических исследований и др.