соответственно; а - постоянная Стефана - Больцмана; т^, Тпр - коэффициенты пропускания атмосферы и объектива; L - расстояние между прибором наблюдения и объектом.

Обозначив S - площадь поглощающего (бланкируюзде-го) пятна, создаваемого электронным пучком пушки, Dat и /об - диаметр и фокусное расстояние входного объектива, получим лучистый поток, приходящийся на площадь s:

STaT

пр

(3.18)

а^чистый поток, падающий на всю площадь входного

(3.19)

В выражениях (3.18), (3.19) величины Г, и Гц введены вместо Г, чтобы отличить температуру на участке поля зрения, соответствующем бегущему пятну (Г,), от температуры, усредненной в пределах всего поля зрения (Гх).

Лучистый поток на входе приемника излучения пропорционален разности Fs - F. Если бланкирующее пятно неподвижно, выходной сигнал приемника имеет постоянное значение. Когда же бланкирующее пятно осуществляет развертку по площади входного окна трубки, величина выходного сигнала приемника определяется величиной воспринимаемого им лучистого потока, который, в свою очередь, зависит от температуры и коэффициента излучения разных участков просматриваемого поля зрения.

Параметры экспериментального образца тепловизора с трубкой фильтерскан : площадь бланкирующего пятна S = 3,1 см, площадь растра (входного окна) Sbx = = 2,24 см, площадь чувствительной площадки приемника излучения q = см*, частоты горизонтальной и вертикальной развертки 1 кГц и 30 Гц, относительное отверстие передней и задней фокусирующих систем 1 : 3 и 1 : 0,75 соответственно, ширина полосы частот усилителя фототока приемника излучения А/ = 30 кГц, ток электронного луча 0,5 мА, анодное напряжение 25 кВ.

Недостаток тепловизора с трубкой фильтерскан - его невысокая чувствительность. Для того чтобы приемник воспринимал излучение от всего развертываемого поля, он должен иметь сравнительно большую площадь чувст-146

вительной площадки, а чувствительность приемника обратно пропорциональна корню квадратному из этой площади. В частности, для приемника излучения из антимонида индия пороговая температурная чувствительность тепловизора 100°.

12. ПРИМЕНЕНИЕ СКАНИРУЮЩИХ ТЕПЛОВИЗОРОВ

Появление и развитие тепловидения позволило реализовать идею использования инфракрасного диапазона длин волн для медицинской диагностики. Первое сообщение о возможности радиометрического обнаружения опухоли молочной железы содержалось в работах Лоусона [117], который показал, что температура над опухолью может отличаться от температуры тела в среднем на Г. При клинических исследованиях была получена некоторая корелля-ция между ростом температуры и степенью развития зло^ качественной опухоли. В некоторых исследованиях Лоусов применял эвапорограф, высказав предположение, что последний может быть использован для проведения профилактических обследований, подобно тому, как флюорография применяется при обнаружении ранней стадии туберкулеза.

Измерения температуры проводились при помощи термопары, помещаемой прямо на кожу пациента. Применение тепловизоров для исследования собственного излучени тела человека позволило установить ряд показателей физиологического состояния его организма, связанных с распределением температуры по поверхности кожного покрова. Большие исследования в этом направлении были проведены советскими учеными М. М. Мирошниковым, Ю. И. Трапезниковым, М. А. Собакиным, Н. Г. Выховской и др. Проблемы использования тепловидения для медицинских целей широко обсуждались на 8-й Международной конференции по медицинской и биологической технике, проходившей в Чикаго в 1969 г.

В настоящее время тепловидение используется для определения диагностических признаков: рака груди на ранних стадиях; воспалительных процессов, таких как ревматоидные артриты; появление метастазов в регионарных лимфоузлах; наступления беременности на ранних ее стадиях; нормального процесса заживления поврежденных тканей; нарушения периферического кровообращения [28].

Методы тепловидения не опасны для организма человека, что определяет перспективность их внедрения в практику медицинской диагностики.

Одной из наиболее распространенных за рубежом камер для медицинских исследований является термовизионная система 680 фирмы AGA (Швеция). Камера состоит из оптической головки и индикаторного блока и позволяет воспроизводить на экране кинескопа термальное изображение предметов, используя их собственное тепловое излучение. Приведем основные параметры блоков системы.

Оптическая головка (рис. 83) Основной объектив:

фокусное расстояние.......... 134 мм

светосила................ 1,8

угол зрения............... 10°

Дополнительные объективы:

углы зрения .............. 25 и 45°

пределы фокуснровки.......... от 1 м до бесконечности

Площадь развертки на расстоянии 1м .... 11,5x11,5 см

Мгновенный угол зрения........... 1,3 10

Спектральный диапазон чувствительности приемника излучения (InSb)............ 2-5,6 мкм

Развертка (оптико-механическая с помощью призм):

число линий в кадре (через строку) ... 210

частота кадров ............. 16 кадров/с

Габаритные размеры ............ 200x240x550 мм

Масса ................... 13,5 кг

Индикаторный блок (рис. 84) Диапазон измеряемых температур (в виде 10 ступеней) ................... От 30 до 850° С

Минимально различимая разность температур при

температуре предмета 30° С ......... 0,2°

Размеры изображения............ 90x90 мм

Габаритные размеры............. 450x200x530 мм

Масса................... 23,7 кг

Образцы изображений, получаемых с помощью тепловизора, показаны на рис. 85. Нормальное изображение (рис. 85, а) иллюстрирует относительные изменения температур в виде серых тонов различной плотности. Диапазон температур составляет 20° С (шкала слева от изображения). Распределение температур в этом диапазоне характеризуется шкалой серости, расположенной снизу от изображения. На рис. 85, б показан образец изображения с одинарной изотермой, наложенной при значении коэффициента серости

Рис. 83. Общий вид оптической головки тепловизора ф^и^-

Рис. 84. Общий вид индикаторного блока тепловизора фиш

, фокусировка изображения объекта; 2-УРовень располо^

изображения; 3 - контрастность Г^J Jj,>o4Lm прибора: изображения горизонтали и по вертикали 6 вк

7 - дистанционная установка / ° етки; < /2 - ширина

Г11сГа^ обТажГниЖ Г- о й;ект'а^;1/1=,>иТГотер=й Д^ тельность прибора; 18 - уровень изотермическоид^ФР

0,55. Если температура уровня сигнала при коэффициенте серости, равном единице, отрегулирована, например, на 20° С, то зоны с температурой 31° С (20 + 0,55 20) будут казаться белыми. Изотерма может смещаться вдоль шкалы; при этом на изображение наносятся яркие пятна, соответствующие любым уровням температур внутри выбранного диапазона. Аналогично можно получить изображения с двойной изотермой.

Другой весьма важной областью применения сканирующих тепловизоров является диагностика электронной

Рис. 85- Образцы изображений, получаемых на экране тепловизора AGA.

аппаратуры. Надежность работы электронных схем во многом определяется их температурным режимом, для регистрации которого используются неконтактные методы, основанные на применении сканирующих тепловизоров нли радиометров. С помощью этих методов можно обнаружить дефекты в схеме, которые не выявляются при обычных электрических методах контроля. ИК-методы оказались особенно удобными для контроля интегральных схем. Применение термопар для измерения температуры в различных точках интегральной схемы практически невозможно из-за больших размеров термопар и изменения контактного сопротивления. Кроме того, по проводникам термопары отводится тепло от участка измерения.

Температурный градиент, необходимый для работы сканирующего тепловизора, обычно создается за счет нагрева элемента благодаря рассеиванию в нем электрической энергии. Сигнал на выходе тепловизора фиксируется на экране в виде изображения поверхности наблюдаемого объекта,

или по прибору в цифровой форме. Последнее обеспечивает возможность обработки данных на ЭВМ и сравнения полученных результатов с информацией, хранящейся в блоке памяти ЭВМ, для определения рабочего режима исследуемого объекта.

На рис. 86 для примера показаны две термограммы углеродистого резистора и схема его включения. Как видно из

Рис. 86. Термограммы углеродистого резистора (а) и схема его включения (б):

/ батарея; 2 - теплоотвод; 3 - испытуемый резистор; 4 - линия сканирования; 5 - термограмма эталонного резистора; 6 - термограмма дефектного резистора.

Рис. 87. Термограмма плавкого предохранителя.

термограммы эталонного резистора, его температура максимальна в центре. Спад температуры по обе стороны от центра одинаков; кривая симметрична, температура проволочных выводов равна 35° С. Максимум температуры дефектного резистора, рассеивающего ту же мощность, смещен от центра и приблизительно на 10° С превышает максимальную температуру эталонного резистора. Кроме того, температура правого вывода приближается к окружающей температуре. Диагноз в данном случае ясный: между телом резистора и правым проволочным выводом плохое механическое соединение, что препятствует передаче тепла к правому выводу путем теплопроводности и вызывает перегрев тела резистора. В то время как обычные методы испытаний электронных схем и их элементов не позволяют выявить дефекты такого рода, при ИК-методах их можно обнаружить.

Аксиальное сканирование элемента позволяет обнаруживать наличие вызванных уменьшением поперечного сечения участков перегрева, которые в конечном счете могут