СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА НА МИКРОБОЛОМЕТРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CALIBRATION OF THERMAL IMAGER BUILT AROUND MICROBOLOMETRIC MATRIX AND DEVICE TO THIS END

Описываемое техническое решение относится к области устройств для визуализации температурных полей и дистанционного определения температур поверхностей и элементов объектов техники, а также биологических объектов, а более конкретно - к области создания тепловизионных приборов (ТВП) для дистанционного определения температуры тела человека.
ТВП находят все более широкое использование в науке и технике. Одним из известных направлений их использования является создание приборов для дистанционного наблюдения температурных полей с целью выявления распределения температур по поверхности различных, в том числе биологических, объектов. В частности, известны ТВП, используемые в медицине и позволяющие обнаруживать области на теле человека, имеющие аномально высокую температуру [1-3]. Современные ТВП содержат, как правило, микроболометрическую матрицу (МБМ), обеспечивающую преобразование формируемого на ее поверхности распределения температуры в электрический сигнал. Характерной особенностью ТВП на МБМ является разброс чувствительности их элементов, а также малая доля полезной составляющей в сигнале с каждого элемента МБМ в связи со значительным лучеиспусканием конструктивных элементов ТВП (т.н. фоновая засветка), что приводит к нарушению как точности воспроизведения (визуализации) теплового поля (искажению полутоновой характеристики изображения), так и затрудняет возможность точного определения температуры наблюдаемого объекта в его определенной точке. Для компенсации указанного явления используется операция т.н. калибровки, позволяющая в значительной степени устранить влияние фоновой засветки и скомпенсировать неравномерность чувствительности МБМ по полю (кадру).
Известен тепловизор [4], в котором предусмотрена операция калибровки для компенсации разброса чувствительности элементов МБМ. Для этого он снабжен размещенной между объективом и МБМ непрозрачной в диапазоне рабочих длин волн ТВП «шторкой» с механизмом ее привода, приводимым в действие электродвигателем. Для калибровки ТВП шторку с помощью электродвигателя устанавливают в положение, при котором входное окно МБМ закрывается от падающего излучения.
- ТВП включают и выдерживают во включенном состоянии для термостатирования. В результате прогрева внутренний объем ТВП приходит в установившееся (стабильное во времени) температурное состояние. Практически время термостатирования может составлять десятки минут;
- между объективом ТВП и МБМ вводят шторку, непрозрачную и неотражающую в рабочем диапазоне длин волн МБМ (обычно от 3 до 14 мкм). При этом перекрывается поток излучения, идущий через объектив ТВП, и считается, что приемная площадка МБМ равномерно затемнена и температура всех ее элементов одинакова;
- регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов МБМ (т.н. темновые токи);
- сигналы с каждого из чувствительных элементов МБМ оцифровывают, инвертируют и записывают в память контроллера ТВП;
- записанные в память контроллера ТВП сигналы суммируют с оцифрованными сигналами с соответствующих чувствительных элементов МБМ.
Таким образом, по окончании калибровки на выходе встроенного в ТВП контроллера будут формироваться нулевые сигналы, в которых темновые токи каждого элемента МБМ будут полностью скомпенсированы.
После выполнения операции калибровки шторку выводят за пределы рабочей площадки МБМ и ТВП считается готовым к работе.
Детальный анализ описанного выше способа калибровки показал, что использование внутренней шторки, закрывающей приемную площадку МБМ, не позволяет выполнить корректную калибровку ТВП. Данное утверждение может быть обосновано следующими очевидными положениями:
1. Объектив ТВП проектирует находящееся в его поле зрения тепловое поле объекта на шторку, нагревает ее и в результате лучеиспускания от шторки на приемную площадку МБМ попадает неравномерное по площади излучение. Дополнительный вклад в неравномерность данного излучения вносит неравномерное пропускание объектива по полю.
2. Поступающее через объектив излучение переотражается внутри ТВП, частично отражается от шторки и снова переотражается элементами конструкции ТВП. Суммарное переотраженное излучение попадает на шторку, поглощается ею, она нагревается и переизлучает на приемную площадку МБМ, причем распределение указанного излучения по площади носит случайный характер.
3. Шторка блокирует излучение от внутренних элементов конструкции ТВП. Несмотря на термостатирование, внутри ТВП имеются элементы с различной температурой, отличной от средней температуры ТВП. За счет лучеиспускания указанными элементами шторка нагревается неопределенным образом и переизлучает на приемную площадку МБМ.
4. Между шторкой и приемной площадкой МБМ всегда имеет место конструктивный зазор, через который внутреннее излучение ТВП будет попадать на приемную площадку МБМ.
5. После выполнения процесса калибровки шторка выдвигается за пределы приемной площадки МБМ. При этом структура температурных полей на поверхности приемной площадки, при которой производилась калибровка, обусловленная воздействием рассмотренных выше факторов (пп. 1-4), существенно искажается и сигналы, записанные (как это рассмотрено выше при описании известного способа калибровки) в память контроллера ТВП, не будут соответствовать реальным условиям наблюдения.
Указанные обстоятельства приводят к снижению точности калибровки и искажению наблюдаемой тепловой картины, а также затрудняют точное определение абсолютной температуры наблюдаемого объекта.
Целью предлагаемого способа калибровки ТВП является повышение ее точности за счет устранения факторов, отмеченных выше в пп. 1-4.
Указанная цель изобретения достигается тем, что после выдержки ТВП во включенном состоянии для термостатирования перед объективом тепловизионного прибора вплотную к нему периодически, через определенные опытным путем промежутки времени, устанавливают непрозрачную и поглощающую излучение (в рабочем диапазоне длин волн МБМ) шторку, после чего регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов микроболометрической матрицы.
Детально заявляемый способ калибровки состоит в следующем.
ТВП включают и выдерживают во включенном состоянии для термостатирования. В электронном тракте ТВП регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов МБМ. Для удобства работы с сигналами их оцифровывают, после чего оцифрованные сигналы инвертируют и записывают в память контроллера ТВП. После этого цифровые сигналы, записанные в память контроллера ТВП, суммируют с оцифрованными сигналами с соответствующих чувствительных элементов МБМ. Указанное суммирование приводит к обнулению сигналов с каждого элемента МБМ при отсутствии внешнего (поступающего через объектив ТВП) теплового излучения. Описанную операцию повторяют периодически, через определенное время, в течение которого тепловой баланс внутри ТВП изменяется.
Периодичность проведения операции калибровки определяют опытным путем следующим образом. ТВП включают и выдерживают во включенном состоянии для термостатирования. В электронном тракте ТВП регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов МБМ. Для удобства работы с сигналами их оцифровывают, после чего оцифрованные сигналы инвертируют и записывают в память контроллера ТВП. После этого цифровые сигналы, записанные в память контроллера ТВП, суммируют с оцифрованными сигналами с соответствующих чувствительных элементов МБМ. Указанное суммирование приводит к обнулению сигналов с каждого элемента МБМ при отсутствии внешнего (поступающего через объектив ТВП) теплового излучения. После этого ТВП оставляют во включенном состоянии и наблюдают за сигналами с каждого элемента МБМ. Время периодичности калибровки определяют как время, за которое указанные сигналы изменяются на заданное, исходя из необходимой точности измерения, значение, например на величину, соответствующую 0,5°C. Использование внешней, по отношению к объективу ТВП, шторки обеспечивает следующие преимущества, определяющие повышение точности выполнения операции калибровки:
1. Объектив ТВП не проектирует находящееся в его поле зрения тепловое поле объекта на шторку, что предотвращает ее неконтролируемый нагрев и соответствующее неконтролируемое лучеиспускание от шторки на приемную площадку МБМ.
2. Вследствие отсутствия поступающего через объектив излучения отсутствует его переотражение внутри ТВП, его частичное отражение от шторки и переотражение элементами конструкции ТВП. Следовательно, отсутствует воздействие указанного переотраженного излучения на шторку, ее дополнительный неконтролируемый нагрев и переизлучение неопределенного теплового излучения на приемную площадку МБМ.
3. Отсутствие внутренней шторки предотвращает искажение излучения от внутренних, неравномерно нагретых, элементов конструкции ТВП, т.е не вносятся искажения в тепловые поля по сравнению с режимом измерения (при отсутствии внутренней шторки).
4. Отсутствуют искажения теплового поля, возникающие из-за конструктивного зазора между «внутренней» шторкой и приемной площадкой МБМ.
5. После выполнения процесса калибровки имеющая место при калибровке структура температурных полей на поверхности приемной площадки, обусловленная внутренними (находящимися внутри ПВП) источниками нагрева, не нарушается.
Описанный способ калибровки ТВП на МБМ реализуется в устройстве, структурная схема которого показана на фигуре.
При реализации цели изобретения представленное на фигуре устройство содержит встроенный в ТВП 1 контроллер 2, соединенный с МБМ 3, первый таймер 4, второй таймер 5 и третий таймер 6. Также имеется установленная снаружи ТВП 1 перед его объективом 7 непрозрачная и поглощающая излучение (в рабочем диапазоне длин волн микроболометрической матрицы) шторка 8, снабженная приводом 9 ее перемещения с концевым выключателем 10, и логический элемент «И» 11, при этом вход первого таймера 4 соединен с кнопкой включения ТВП 1, а его выход - со входом второго таймера 5 и входом третьего таймера 6, выход второго таймера 5 соединен с приводом 9, при этом концевой выключатель 10 и выход второго таймера 5 через логический элемент «И» 11 соединены с контроллером 2, а выход третьего таймера 6 - со входом второго таймера 5.
В устройстве могут быть использованы следующие технические решения. Контроллер 2 может быть реализованы на микроЭВМ. Таймеры 4-6 удобнее всего построить на микросхемах NE555N. Объектив 7 реализуется на основе сферических или асферических линз из оптического германия. Шторка 8 выполняется из металла с поглощающим покрытием либо из другого материала, хорошо поглощающего тепловое излучение в диапазоне от 3 до 14 мкм. Экспериментально установлено, что хорошие результаты могут быть получены при использовании обычной бумаги. Привод 9 выполняется на основе электродвигателя с редуктором, снабженным концевым выключателем 10 (например, на основе микрокнопки КМ-1). Логический элемент «И» 11 - микросхема 530ЛА1.
При реализации цели изобретения устройство, структурная схема которого показана на фигуре, работает следующим образом.
При включении ТВП 1 одновременно включается первый таймер 4, задающий время прогрева ТВП 1 после включения. За это время осуществляется прогрев ТВП 1 для термостатирования. Время (длительность) прогрева указывается в инструкции по эксплуатации ТВП и определяется экспериментально при проведении его испытаний. По окончании времени прогрева на выходе первого таймера 4 формируется напряжение «логической 1», которое запускает второй таймер 5, формирующий П-образный импульс длительностью 5…10 секунд. Указанный импульс подается на управляющий вход привода 9, который приводит шторку 8 в рабочее положение - перед объективом 7 ТВП 1 вплотную к объективу. В результате этого тепловое поле на поверхности МБМ 3 выравнивается. В контроллер 2 информация о том, что ТВП 1 находится в режиме калибровки, поступает с выхода логического элемента «И» 11, который срабатывает после прихода на его управляющие входы напряжения с выхода второго таймера 5 (П-образный импульс, запускающий режим калибровки) и концевого выключателя 10, срабатывающего при достижении шторкой 8 заданного положения перед объективом 7 ТВП 1, при котором поток излучения на входе объектива 7 надежно перекрывается. После срабатывания логического элемента «И» 11 котроллер 2 переходит в режим записи оцифрованных и инвертированных сигналов с элементов МБМ 3. При работе ТВП 1 эти сигналы будут суммироваться с соответствующими сигналами с элементов МБМ 3, что обеспечит компенсацию неравномерности чувствительности элементов МБМ 3.
По истечении времени калибровки, определяемого временем выдержки второго таймера 5:
- напряжение на выходе второго таймера 5 уменьшается до нуля;
- привод 9 шторки 8 приходит в исходное положение и входное окно объектива 7 открывается;
- сигналы на входах логического элемента «И» 11 обнуляются и он закрывается;
- после обнуления напряжения на выходе логического элемента «И» 11 контроллер 2 переходит в рабочее состояние и начинает обработку видеосигналов с чувствительных элементов МБМ 3, складывая записанные в его памяти сигналы с текущими значениями соответствующих сигналов с чувствительных элементов МБМ 3, обеспечивая тем самым компенсацию неравномерности темновых токов чувствительных элементов.
Процесс калибровки происходит периодически через время устойчивой работы ТВП 1, которое определяется опытным путем. Это время при настройке устройства вводят в третий таймер 6. При работе устройства за счет связи входа третьего таймера 6 с выходом первого таймера 4 третий таймер 6 запускается одновременно с первым включением второго таймера 5. По прошествии заданного времени устойчивой работы импульс с выхода третьего таймера 6 поступает на вход второго таймера 5 и запускается процесс калибровки, который будет выполняться, как описано выше. За счет того что третий таймер 6 работает в режиме непрерывной (с заданной периодичностью) выработки запускающих таймер 5 импульсов, такой запуск будет происходить неоднократно с заданной периодичностью во время нахождения ТВП 1 во включенном (рабочем) состоянии, что обеспечивает высокую точность измерений температурных полей за все время работы ТВП 1.
Опытная эксплуатация заявляемого устройства подтвердила его работоспособность и продемонстрировала реальное повышение точности измерений.
1. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978, 416 с., ил.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для приборостроительных вузов. - 2-е изд. перераб и доп. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983. - 696 с., ил.
3. Сагайдачный А.А Тепловизионная биомедицинская диагностика: Учеб. пособие для студ. фак. нано- и биомед. технологий, обучающихся по спец. «Медицинская физика» и направлению «Биомедицинская инженерия» / А.А. Сагайдачный, А.В. Скрипаль, Д.А. Усанов. Саратов. 2009. 118 с., ил.
4. Патент РФ на полезную модель №49664, кл. МПК H04N.