Основной элемент тепловизора и термографа — высокочувствительный приемник ИК излучения, установленный в плоскости изображения оптической системы.
Исследуемые объекты являются источниками электромагнитного излучения с максимумом в ИК области спектра. Излучение принимается приемником ИК излучения тепловизора, выходной электрический сигнал, которого пропорционален интенсивности излучения, попадающего на чувствительную площадку. В области температур, близких к комнатной, выходной сигнал пропорционален разности температур объекта и фона.
Современные тепловизоры работают в спектральных диапазонах длин волн 3,5…5,5 мкм или 8…13,5 мкм [1, 2].
Тепловизоры делятся по типу образования изображения — сканирующие и несканирующие (матричные) и по типу охлаждения — охлаждаемые и неохлаждаемые.
В матричных тепловизорах тепловое изображение объектов формируется специальным инфракрасным объективом и регистрируется с помощью матрицы, установленной в фокальной плоскости объектива. После прохождения через оптическую систему ИК излучение от поверхности тела попадает на фотоприемник, который имеет избирательную чувствительность к определенному диапазону длин волн.
Излучение, которое попадает на фотоприёмник, вызывает фототок, который регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и это значение передается на блок отображения информации. После этого на экране монитора появляется изображение в квазицвете, цвет точек которого соответствует численному значению температуры в данной области источника. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо градацией серого, если изображение черно-белое.
На рис.2 представлена обобщенная функциональная схема тепловизора с фокальной ИК матрицей.
Рис. 2 Обобщенная функциональная схема тепловизора с фокальной матрицей: 1 – оптическая система; 2 – фокальная матрица с предусилителями; 3 – мультиплексор; 4 – система охлаждения; 5 – корректор неоднородности характеристик чувствительных элементов; 6 – аналого-цифровой преобразователь; 7 – цифровой корректор неоднородности; 8 – корректор неработающи ячеек; 9 – формирователь изображения; 10 – дисплей; 11 – цифровой выход.
Тепловизоры, представляющие собой сканирующие устройства, состоят из систем зеркал и линз, фокусирующих ИК излучение от поверхности тела на чувствительный приемник. Для повышения чувствительности и снижения собственных шумов фотоприемник охлаждается жидким азотом. В настоящее время применяются тепловизоры с оптико-механическим сканированием, в которых за счет пространственной развертки изображения осуществляется последовательное преобразование ИК излучения в видимое. Тепловое излучение от объекта проходит через фильтр, пропускающий необходимую часть излучения и задерживающий значительную часть видимого света, на зеркально-линзовый объектив. Там с помощью системы зеркал и линз обеспечивается сканирование по горизонтали и вертикали (рис.3). Далее излучение попадает на охлаждаемый преобразователь. Преобразователь подключен к балансно-усилительному блоку (БУ), с помощью которого производится настройка тепловизора по температурному диапазону и по чувствительности к температуре. Помимо этого БУ производит предварительное усиление видеосигнала, что снижает влияние электромагнитных помех. Основное усиление сигнала осуществляется линейным усилителем, выходные сигналы с которого поступают на сумматор. На другой вход сумматора подается серия пилообразных импульсов от блока формирования шкалы температур. Таким образом, сумматор формирует видеосигнал, обеспечивающий получение основного изображения с яркостной отметкой, где наибольшая плотность потока излучения соответствует наиболее яркому свечению экрана при позитивном изображении. Видимое изображение высвечивается на экране поэлементно, т.е. кадр изображения формируется путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. В результате на выходе преобразователя формируется видеосигнал, подобный телевизионному.
Рис. 3 Функциональная схема тепловизора со сканированием по строкам и кадру: 1 – объектив; 2 и 3 – сканирующие зеркала; 4 – приемник излучения; 5 электронный тракт; 6 – видеоконтрольное устройство.
На рис.4 представлена обобщенная функциональная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием.
Рис. 4 Обобщенная функциональная сканирующего тепловизора: 1 – оптическая система; 2 – блок оптико-механического сканирования; 3 – приемник излучения; 4 – система охлаждения; 5 – электронный тракт; 6 – видеоконтрольное устройство; 7 – система синхронизации.
Сканирующие тепловизоры, в простейшем варианте, имеют два крупных конструктивных блока: блок сканирования, где размещены элементы оптической системы, устройства сканирования, преобразователь, БУ, устройства для создания запускающих импульсов развертки, и электронно-осциллографический блок, содержащий основную массу электронных устройств, блоки питания и экран. Электронно-осциллографический блок в последнее время часто совмещается с микропроцессорной системой или с мини-ЭВМ. Блок сканирования размещается на механизме установки в виде стойки или треноги с устройствами для поворота и наклона, чтобы направить его на контролируемый объект, и часто делается переносным.
Рассмотрим теперь работу системы визуализации.
Работа системы визуализации характеризуется температурным разрешением, угловым разрешением и полем зрения. Температурное разрешение определяется как минимальная разница в температурах, которую устройство еще может различить и которая зависит от качества оптической системы, чувствительности и собственного шума ИК приемника, отношения сигнал/шум схемы обработки сигналов. При углах наблюдения больше 60˚ могут возникать существенные ошибки определения температуры. Поэтому головка сканирующего устройства или передающей камеры, входящих в систему визуализации, должна по возможности быть направлена прямо на пациента. В связи с этим системы визуализации имеют небольшие поля зрения.
Большинство медицинских термографов имеют минимальную измеряемую разницу в абсолютных температурах 0,1...0,3 К (с чувствительностью, т.е возможностью регистрировать относительные изменения температуры, до 0,01 К); угловое разрешение — 1...3 мрад, реже 0,5 мрад; диапазон измеряемых температур от 1 до 50 ˚С; поле зрения от 5˚´5˚ до 60˚´60˚.
Выбор расстояния от больного до объектива тепловизора зависит от технических возможностей прибора. Если прибор может работать в большом диапазоне расстояний, то, располагая камеру на расстоянии 0,1 м от больного, можно получить изображение, например, части лица, на 1,5 метрах – торса, на расстоянии 3 м – изображение 2/3 человеческого тела. Оптимальное расстояние от тепловизора до объекта составляет 2...4 метра.
Необходимость адекватной количественной оценки параметров теплового излучения организма требует соответствующего метрологического обеспечения. Это означает, что для калибровки прибора необходим эталонный источник теплового излучения с температурой, изначально заданной с высокой точностью, превосходящей номинальную точность средства измерения. Некоторые тепловизионные системы имеют регулируемые встроенные источники опорной температуры, сигналы от которых сравниваются при известной температуре с выходными сигналами приёмника. В общем случае более надёжно использовать независимый внешний источник опорной температуры (как правило, аналог черного тела), который устанавливается в поле зрения системы.