автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Электронно-оптические визуализаторы инфракрасных изображений

^. Л?. 05. 39 - ^ЗЪ'/ОЬ

НЛУЧНО-ИС'СЛРДОПЛТПЛЬСКИЙ ЦР.П'ГР «ФИЗИЧЕСКАЯ 'ШКТРОНИКА»

I Москва

/ I ./ \

0

1а правах рукописи

ШАХРАМАНЬЯН Николай Андраникович

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ВИЗУАЛИЗАТОРЫ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальности: 05.27.02-Вакуумная и плазменная

электроника 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

.те

1 о?

7 б-Х/'би-'Се^ мх-о^

Москва:: 1999

'.-'•«О.. •

«

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре «Физическая электроника», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАН РОССИЙСКАЯ ПУСТОВОЙТ В.И.;

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

Р^БЛИОТЩА доктор технических наук, профес-

сор ПЕРЕВОДЧИКОВ В.И.;

, -Л 1Я 1 - чч

| / д, Ы > ■-) Л доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник ЧЕВОКИН В.К.

Ведущее предприятие: НИИ электронных приборов, г. Москва

Защита состоится /Г час. С-С мин.

14 мая 19^ на заседай:

Д.053.16.13. при Московском энерге. университете).

С диссертацией можно <) ■,<■. библиотеке Московского эн , университета).

Отзывы в двух зкзе11 просим направлять г я Красноказарменная, д.

~>оии Э/7/7

го Совета чническом

: ехнической ического

учреждения, 250, ул.

Научный доклад

1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Д.053.16.13., к. т. н„ доцент К 1' Буре

^ Г

0Б1ЦЛЯ ХАРАК ТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Расширение диапазона чувствительности глаза в УФ- и ИК-областях спектра происходит благодаря использованию электронно-оптических преобразователей (ЭОП) в изображающих системах. ЭОП помимо спектрального преобразования выполняет и другую важную функцию - усиление слабых и сверхслабых оптических изображений вплоть до регистрации отдельных групп входных фотонов. Эти качества ЭОП делают их незаменимыми в многочисленных областях науки и техники: астрономии, биологии, экспериментальной и ядерной физике, космических исследованиях и т. д., технике ночного видения.

Использование ЭОП в приборах ночного видения и исключительная роль оптической информации в условиях военного времени и ночного времени суток привели к тому, что тенденции модернизации ЭОП определялись, главным образом, заказами военных и специальных ведомств. Эти тенденции, в основном, сводятся к следующим направлениям

1) увеличение дальности действия, т.с увеличение разрешающей способности преобразователя и повышение чувствительности его фотокатода;

2) снижение масс-габаритных характеристик преобразователя;

3) повышение помехоустойчивости,надежности и долговечности.

Финансирование разработок ЭОП военными заказами привело к значительному успеху в совершенствовании их параметров.

Так, наиболее совершенный серийный ЭОП 3 поколения превзошел своего предшественника ЭОП 2+ поколения при сохранениии масс-габаритных характеристик по следующим показателям:

- интегральная чувствительность фотокатода 1000 мкА/ лм против 350 мкА/ лм;

-разрешающая способность 36 мм'1 против 30 мм"'.

Однако это привело к резкому росту цен на серийные ЭОП: на мировом рынке ЭОП 3 поколения стоит не менее $ 4000, ЭОП 2+ поколении - не менее $2000.

В условиях крайне низкого финансирования гражданских

потребителей ЭОП использование дорогостоящих военных разработок все менее возможно, что тормозит прогресс в этих областях науки и техники.

В связи с этим актуальной представляется задача по созданию новой концепции модернизации ЭОП, обладающих низкой себестоимостью при сохранении высокого уровня параметров.

Кроме того, весьма актуальной является задача по созданию нового поколения вакуумных преобразователей ИК-изображений - термоэмиссионных ЭОП - портативных приборов, способных в панорамном режиме наблюдения и реальном масштабе времени визуализировать тепловые поля

высокотемпературных (от 600 К ) объектов.

Такие приборы остро необходимы в областях, где есть необходимость обнаружения локальных участков перегревов сильнонагретых объектов: металлургия, стекольное производство, электро - и ядерная энергетика и. т. д. На сегодняшний день использование для этих целей существующих тепловых и фотонных приемников ИК - изображений неэффективно по следующим причинам: различных типов тепловизоров - из-за громоздкости и дороговизны, дистанционных пирометров - из-за отсутствия возможности панорамной визуализации тепловых полей исследуемых объектов.

Третья задача, поставленная в диссертации формирование основ для создания систем медицинской ИК-интроскопии, не оказывающих вредных воздействий на пациента. Эта задача также является актуальной, т. к. существующие системы визуализации внутренней структуры биообъектов обладают рядом специфических недостатков, а именно: рентгеновские системы оказывают ионизирующее воздействие на пациента и обслуживающий персонал ( даже при использовании рентгеновских ЭОП, многократно снижающих дозу облучения, ее величина не остается безопасной для человека ), при этом разрешающая способность рентгенотелевизионных систем не превышает 1,5 ... 2 мм"1; ультразвуковые системы обладают низкой разрешающей способностью порядка 0,3 мм'1, что снижает достоверность диагностики. В противоположность вышеуказанным для методов ИК- интроскопии нет физических ограничений для достижения разрешающей способности не менее 5 мм"1 ( при условии значительного подавления рассеянного в биообъекте света ) при относительной безвредности для пациента ( пока для очень узкого круга объектов: зубы, пальцы и кисти рук).

Целью настоящей диссертации явилось решение вышеперечисленных трех задач.

Научная новизна.

1. Впервые найдена электронно-чувствительная структура на основе ваАз, совместимая с технологией изготовления фотокатокатодов и обеспечивающая в режиме прямого смещения дополнительное усиление.

2. Предложена новая методика исследования собственных шумов ЭОП в числах единичных электронов с фотокатода, позволяющая разработать научно - обоснованые мероприятия по их снижению до теоретического минимума.

3. Предложен и реализован новый путь совершенствования параметров ЭОП, заключающийся в корректировке технологии изготовления преобразователей по предложенному алгоритму при одновременном снижении загграт применительно к целевому назначению прибора в целом.

4. Предложен новый принцип регистрации ИК-изображений с помощью термоэлектронной эмиссии. Разработан и изготовлен опытный образец прибора, реализующий этот принцип - термоэмиссионный ЭОП.

5. Предложен новый принцип визуализации изображений внутренней структуры некоторых биообъектов на основе временной селекции регистрируемых фотонов с помощью ЭОП. Изготовлена экспериментальная система, реализующая этот принцип и позволившая получить двумерный снимок изображения внутуренней структуры зуба человека.

Основные решения защищены авторскими свидетельствами (патентами ) на изобретения.

Практическая ценность.

1. В результате проведенных исследований созданы малозатратные образцы ЭОП, уровень парамегров которых отражен в нижеследующей таблице. __________

Интегр. Яркость Уве Предел Коэф-

Рабо- чувствит. темново -ли- разрешения, фици-

чий ф.к., -го че- мм ент

ЭОП диам. 8-25 ф.к., мм мкА/ лм фона, кд/м2 ние центр # 15 мм усиления по яркос-

ти

ЭГ1-60 18 350 "ТгН 0,6 50 10 Тооо

Э1113-41 18 350 7х 10"'1 0,4 50 Нзо 1000

эп-м-""1 18 350 0,4 30 20 14000

..........0! __ 1.. _

Представленные ЭОП не менее, чем в 3... 5 раз дешевле аналогов с тем же уровнем параметров.

2. Изготовлен термоэмиссионный ЭОП, способный регистрировать в панорамном режиме наблюдения перепад температур 5 К при температуре объекта 600 К с пространственным разрешением 8... 10 мм'1.

3. Разработана и изготовлена система визуализации приповерхностного кровообращения человека для диагностических и лечебных целей.

4. Разработана и изготовлена система визуализации внутренней структуры биообъектов с малой геомерической толщиной ( зуб человека).

Разработанные ЭОП награждены серебряной медалью ВДНХ ( Москва, 1987 г. ) и бронзовой медалью международной выставки EUREKA - 93 ( Брюссель, 1993 г.).

Реализация результатов работы.

1 Внедрены в серийное производство на Московском электроламповом заводе изделия ЭП-60, ЭПВ-41 и технология изготовления ЭОП с низкой себестоимостью.

2. Внедрены в опытное производство в НИИ электронных приборов экспериментальные образцы изделий ЭП-М-01 и термоэмиссионного ЭОП.

3. Внедрена в диагностический и лечебный процесс в Российском медико - инженерном центре компьютеризированная инфракрасная система визуализации приповерхностного кровообращения человека.

Всего получено 6 актов внедрения ( по одному на каждый образец внедрения ).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 20 печатных работах.

Апробация работы . Основные положения работы докладывались на научно-технических семинарах в НИЦ « Физическая электроника» и на 23 международном конгрессе по высокоско-скоростной фотографии и фотонике ( Москва, 1998 г.).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенная электронно-чувствительная структура на основе i-GaAs и разработанная методика измерения шумов ЭОП позволяют создать низкозатратную технологию изготовления преобразователей с пределом разрешающей способности

-7в центре ноля зрения не менее 50 мм'1 и коэффициентом уси -ления по яркости не менее 1000.

2. Достижение уровня энергетических и оптических параметров ЭОП 3 поколения возможно в конструкции преобразователя с Я - 25 - фотокатодом при сочленении специально разработанного плаиарного ЭОП с ЗОИ I поколения со сжатием электронного изображения

3. На современном уровне технологиии изготовления ЭОП с Б- 1 и Б- 25 - фогокатодами научно - обоснованные мероприятия по предложенному алгоритму позволяют увеличивать процент выхода годных изделий в 2...2,5 раза, что снижает себестоимость готовой продукции.

4. Использование термотока в Э011 в качестве носителя информации формирует основу для создания нового поколения ИК - преобразователей изображений - термоэмиссионых ЭОП.

5.ПринципИК- регистрации на основе высокоскоростных ЭОП формирует предпосылки для создания новых систем медицинской интроскопии, позволяющих визуализировать внутреннюю структуру биообъектов с малой толщиной.

Структура и объем работы. Диссертация, выполненная в форме научного доклада содержит 43 страницы машинописного текста, состоит из 7 глав, заключения и перечня основных научных трудов автора по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава первая ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Для выработки критерия качества изображения в общем виде необходимо учитывать совокупность факторов, всегда присутствующих в той или иной степени в процессе воспроизведения изображения оптическими и электронными средствами.

Задача состоит в том, чтобы найти закон потери качества изображения (обусловленной изображающей системой) или, другими словами, найти функциональную зависимость между двумерными распределениями яркостей в плоскости изображения В'(х',у') и в плоскости объекта В(х,у) во всех диапазонах рассматриваемых значений х,у и х',у'.

В допущении, что все компоненты изображающей системы являются линейными в диапазоне рабочих освещенностей ( значит и

сама система ) , плоскость объекта стационарна в трехмерном смысле относительно изображающей системы, излучение некогерентно и при исключении краевого эффекта потери качества изображения характеризуются модуляционной передаточной функцией (МПФ).

Однако МПФ не дает информации о пригодности системы для воспроизведения всего массива оптической информации. Для этого еще необходимо знать максимальное число градаций яркости гп передаваемых информационным каналом и число информационных каналов п системы.

Информационная емкость изображающей системы составит Н=п21о£2т =4 ьАо&т [ бит/мм2].

Очевидно, МПФ, отражающая контрастно-пространственно-частотный спектр системы определяет значение ш системы лишь возможностью регистрации разноконтрастных изображений.

Более полной же мерой числа градаций яркости, передаваемых системой одновременно является динамический диапазон О,определяемый при фотометрировании, как как Б = В2 / В1, где В2 и В, максимальный и минимальный уровни входного сигнала, при котором система линейна (диапазон неискаженного воспроизведения ).

Строго говоря, п=2К справедливо также лишь для линейного участка световой характеристики, поскольку при В < В! из-за малости отношения сигнал/шум малоприемлимы рассуждения о достоверности воспроизведения изображения системой вообще и информационным каналом в частности , в области насыщения при В>Вг разрешаемый элемент перестает быть полноценным информационным каналом, т.к утрачивается его реакция на изменения В.

При использовании в качестве визуализирующего элемента фоторегистратора системы катодолюминесцетного экрана выходным сигналом будут являться изменения яркости ДВ люминофора.

Поскольку в большинстве случаев конечным фоторегистратором изображающих систем является глаз человека , целесообразно далее рассмотреть его пороговые характеристики..

Минимальный различимый контраст и предел разрешающей способности глаза зависят от условий наблюдения (яркость объекта, его угловые размеры и т.д). Установлено, что : а) разрешающая способность глаза растет с ростом яркости объекта ; б) разрешающая способность глаза увеличивается с ростом угловых размеров объекта; в)разрешающая способность глаза растет с ростом яркостного контраста Св, определяемого как Св=( Воб-Вф/ Вф) х 100% , где Воб-яркость объекта, Вф-яркость фона .

Г V» «!П"1М. ■/•

_9_ ГОСУДД '

Хотя динамический диапазон воспринимаемых глазбм" яркостей чрезвычайно широк, порядка 101" , существует вполне определенный интервал оптимальной яркости ( 2x10"' ... 3,4х 10') кд/м2 , в пределах которого разрешающая способность глаза максимальна и составляет порядка 1.

Экспериментально установлено, что при оптимальной яркости объекта пороговое значение контраста Спор, различаемого глазом через окуляр 10х составляет 2 ... 3 % в широком диапазоне пространственных частот ( до 70 мм"1), при яркости объекта 4x10" кд/м2 Спор. составляет уже не менее 10% даже для пространственной частоты 30 мм"1.

В отдельных случаях дополнительную информацию об изображении можно получить при исследований в динамическом режиме , т е при изменении регистрируемого изображения во времени или в пространстве. Известно , что постоянная времени глаза составляет порядка 0,02 ... 0,1 с в зависимости от условий наблюдения, т е максимальные свои возможности при наблюдении пороговых изображений глаз может использовать при наблюдении малоподвижных объектов, при частотах мелькания изображения свыше 10 ... 50 Гц глаз резко теряет свои пороговые характеристики.

Однако, характер временной зависимости контрастной чувствительности глаза (определяемой как 1/Св) зависит от освещенности сетчатки : при яркости 0,1 кд/м2 она максимальна при частотах, меньших 1 Гц (неподвижное изображение ), при частотах больше 5 Гц контрастная чувствительность падает. При увеличении яркости на четыре порядка характер зависимости иной. Имеется максимум контрастной чувствительности при частоте около 8 Гц. Наличие этого максимума трудно однозначно объяснить. По всей видимости, в ходе эволюции системы «глаз-мозг» человека наиболее важная для выживания информация о слабоконтрастных изображениях поступала в мозг импульсно с частотой в районе 8 Гц ( например, охота на движущихся животных, имеющих окраску под цвет окружающей среды, бегство от них и т.д.)

Однако, реализовать максимум контрастной чувствительности при В= 1000 кд/м2 и = 8 Гц на практике не представляется возможным в силу того , что мелькание изображений не позволяет уверенно анализировать информацию и , кроме того , оно является источником дополнительных шумов изображений.

Таким образом, можно заключить , что при оптимальной яркости экрана зрительная система человека способна на пределе различать тонкие детали изображения с линейным размером 10/(2x70) = 0,071 мм с яркостным контрастом 2 ...3 % от смежных деталей.

Учитывая также рост контрастной чувствительности глаза от пространственной частоты, можно сделать вывод, что зрительная

система более уверенно будет регистрировать тонкие линии, нежели тонкие детали при одном и том же С» , т с при визуализации глаз автоматически будет стараться оконтуривап, элементы (или группы элементов ) с фиксированными значениями Си к фону ( выявлять границы раздела в изображении ).

Обнаружение слабосветящихся и слабоконграстных изображений возможно при увеличении числа фотонов, попадающих на сетчатку глаза с разрешаемого элемента объекта. С другой стороны, увеличение обнаружителыгой способности самого глаза возможно при расширении спектрального диапазона его чувствительности. Поскольк�