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蒙彼利埃大学游学记-医用红外热像仪简单课程

到法国蒙彼利埃大学游学,有一课程是生物 医学红外热像仪 和探测器。分享一下简单的笔记,可以作为家庭健康管理的参考。

医用红外热像仪
医用红外热像仪

用于医疗的红外探测器与 医用红外热像仪

两种类型的红外摄像机:

?冷量子光电探测器

?未冷却的热探测器

医疗应用:诊断辅助的非侵入性技术

?系统观察

?热点检测

任何热的身体发出可测量的辐射。

热成像可以利用这些测量。

 

1-)辐射度和光度测量的概念

辐射链

需要知道的属性:

?源

?气氛环境

?传感器(检测器矩阵)

光度测量 – 光学辐射度

定义对光辐射(例如通量和亮度)的发射,传播和检测作出反应的物理量和定律。

 

立体角度概念

我们看到对象的角度:Ω= Se / R2

在有限顶点α处由半角旋转圆定义

为了价值

Ω(α)=2π(1-COS)。

半空间:Ω=2πSr; 在整个空间:Ω=4πSr

 

 

辐射以速度v = c / n传输能量

光子的能量U = hc /λ

?通量(Φ)能量(J / s或W)

?通量(Φ)光子(γ/ s)

?在流明中视觉流量或光通量(Φ)(为0.4μm<λ<0.8μm的)

 

 

强度

I =DΦ/Dω

用于W / Sr中的能量流;光子通量在ph / s / Sr;光通量

在lm / Sr

RQ:W辐射研磨机和光度测量仪在ph / s

接收面的照明

通量表面通量:E = dΦ/ dS

视觉流明/平方米

亮度

指定方向的扩展源的强度值:

 

L =dI / dS

反照率:扩散体说是完全白色的

当在所有方向扩散,不吸收

可见的辐射。黑体吸收全部辐射。

反照率由反射的辐射通量的比率定义

这种介质,入射辐射通量:介于0和100之间

到白色

 

2 – )材料的热发射

身体辐射 – 普朗克定律

任何带有温度的物体都会发出热辐射

直接(发射)或间接(反射),其强度取决于其温度。

黑体是完美的发射器,可将热能转换成辐射能量而不损失能量。它也是一个完美的吸收体,即它吸收和转换所有相对的能量,独立于所考虑的光谱带。对于黑体,吸收和排放是相同的。

 

光谱发射(或普朗克定律)

对应于黑体的每单位体积的辐射功率

或黑体表面和每单位波长

由关系给出:

E(λ,T)=(2πhc2/λ5)(1 /(e(hc /λKT)-1))

红外线从500K发射。

 

总辐射强度

(T)=σT4(W / m 2)

 

维恩位移定律

 

λmaxT= cste = 2898(μmK)

我们可以认为(dE / dS)= 0,λmax=1

 

表面体S(或从黑体发射的功率)的总强度为:L = IS

在给定的温度下,任何身体发射的辐射能量都比加热到相同温度的黑体发射的能量低。这是差异的发射率。

 

在0和1之间。

例如:从T到触摸的差异是由于对象的发射率

甚至T.

?It(T)=εσT4

净强度

温度为T的身体在温度T0发射并接收来自其环境的辐射。

ΕσI =(T4-T04)

人体在IR的光谱范围内发射。

红外热像仪或热成像可以通过热对比度检测身体。

 

3 – )大气传播

大气影响

为了能够测量热源的辐射,

该辐射必须能够到达测量装置。但辐射在大气中的传播是由分子和气溶胶的扩散和吸收产生的衰减的函数。然而,有大气的传输窗口。

光谱辐射E(λ,T):量级

 

热合同

C(Δλ)=(I(T)-I(熔化 Time))/(I(T)+ I(熔化 Time))

应用背景:取决于检测器的使用

IR图像的光谱带的比较

 

SWIR(1μm-3μm)

MWIR bcp对比度和形状的最佳区别(3μm-5μm)

LWIR对光子量(8μm-12μm)更敏感

 

4 – )红外辐射探测器

红外辐射传感器设备

IR辐射的检测可以通过与每个光子(或能量的量子)反应的成分来进行;

 

获得所有量子的能量。

⇒两种红外探测器:

⦁光学,光子(光电检测器)或量子检测器:

通过将每单位时间接收的光子数转换为电信号来计数光子的数量

⦁热探测器:使用光子通量的能量

事件导致温度升高

修改材料的可测量参数,如

电阻率/电导率(发热计)。

Phtodétecteurs

对能量接收量的敏感。

⦁光电导体:光子hν⇒电子多数电流

⦁光电二极管:光子hν⇒少数载流子电流

 

检测器冷却,快速并具有选择性光谱响应(材料间隙)

组成:

⦁冷机+ FPA(焦平面阵列)

⦁540像素

⦁1,5厘米

⦁1,5厘米

⦁620像素

⦁1240像素

⦁1080像素

⦁25μm

⦁15μm

⦁VGA / 4

 

⦁VGA

⦁巨型像素

⦁FPA + ROIC(读出Integreted电路):矩阵格式。

⇒缩小像素尺寸和像素距离

 

⦁然而存在材料兼容性的问题。这就是为什么每个像素和读取电路之间存在杂交的原因。

 

测温仪

热检测器对所接收的总能量敏感:

吸热⇒ΔT⇒修改材料的技术性能。

未冷却的检测器,较慢,对于大的λ的IR具有非选择性和有效的光谱响应。

组成:

⦁ROIC + FPA:由于对热敏感而使像素和读取电路隔离,所以我们尽量避免悬挂桥对读取电路的影响。

 

量子探测器

半导体材料用于光电检测

量子检测器(或光电检测器)由λ中快速和选择性的半导体制成。

光辐射检测器是具有输入和输出的盒子。输入信号的特征在于光功率P0。在输出端,恢复的电荷载流子产生电流或电压。

P0

检测器响应

检测器的响应或能量响应或灵敏度由R = S / P0定义

 

截止波长

 

λc是谱域的上限

光电探测器检测辐射。

λc(μm)= hc / E = 1.24 / E(eV)

光电二极管响应(A / W)

 

电流密度

M2

R(A / W)= Iph / Pinc = JphA /ΦiAhν=ηq/hν=ηλ(μm)/ 1.24

光电流

Nb光子/ m2 / s

⦁光伏检测器(V = 0)或光电二极管(V <0):见聚

⦁电流/电压特性:电流特性电压从黑暗中的原始位置转移到由Shockley公式评估的值的负电流:

I(V)= Is(e(qV / nkT)-1)-Iph

 

RQ:IR中有几个通道以金属合金为特征。

RQ:MCT通道允许您扫描所有IR。

 

5-).6 – 红外辐射探测器(2

光感受器的品质因数

允许判断给定使用的传感器(目标的光谱域,组件的使用温度)。

截止波长:选择光谱域

检测器响应(A / W或V / W):材料性能评估

光电二极管的量子产量:入射光子探测器输出处的回收数。

η= PH /qAΦ

对于单色辐射:

η(λ)=hνIph/ qP0 = R(λ)1.24 /λ

 

噪声等效功率(NEP)

 

检测器的一个基本特征是最小可检测功率P0min。

即使没有任何输入信号,电气输出信号也会发生永久性和随机波动。然后将最小可检测功率定义为产生等于1Hz BP的检测器噪声的输出信号的最小可检测功率。令P0min = NEP

D *(cmHz1 / 2W-1或Jones)检测

这是1表示1cm2的检测器和1Hz带的入射通量为1W的信噪比。

在光电二极管状态(V <0V):

在光伏方面(V = 0V):

 

光电二极管的限制和通常性能

要定义限制规则,需要指定温度和场

的视觉(FOV),其固定光子通量,从而影响影响检测器的光子噪声。

FOV是定义检测器响应于光源的空间部分的立体角Ω(当Ω=2πSr时)。通过减小视角,我们增加了检测度

直径为D的透镜以检测器的焦距f放置在开口处。比率f / D是数值孔径ON su系统

(我们谈论光学开放到f / ON)。

θ

D = f

α

α

˚F

F / 2

tanα= 1/2⇒α= 26°,θ= 52°

QWIP:量子阱红外光电探测器

砷化镓

的AlGaAs

HV

RQ:优点:

 

⦁Rλ:光电检测器

⦁NEP:

⦁D:光电检测器和热电检测器

⦁NETD:光电检测器和热电检测器

NETD或热分辨率

红外探测器必须能够将连续背景中的热细节与噪声区分开来。

NETD或等效噪声温度是最小的对比度

舞台上可检测的温度。

Cd(λ),W / cm 2 .K

NETD在矩阵的所有像素上统计地表示,以便了解光电检测器的性能的均匀性。

 

热或热电检测器

通过吸收入射光辐射而加热的检测器。通过改变材料的电性能来测量温度变化。

这些检测器的缺点是它们的缓慢和灵敏度不足。另一方面,它们具有相对独立的波长灵敏度。

功能原理和品质因素

我们有一个面积检测器A,厚度为e,密度为m,热量c,并接收光通量F.

假设检测器的温度上升仅取决于其吸收和辐射的功率。

dU / dt = CdT / dt = Ws + Wa-Wd(其中Wa-Wd〜6T4)

Ws =αF〜F:入射信号的能量

Wa =AσTa4:由于温度导致的能量

Wd =AσT4:辐射能量(丢失)

 

特异性检测

 

造影

显像

不像放射学被称为透射,闪烁扫描是一种发射成像。

原子元素

核心,电子和电子轨道。

链接能量

核的不同元素之间的凝聚力大于排斥力。

萨尔瓦多=ΔM.C²

核和放射性的稳定性

稳定如果不是随着时间的推移而改变

分解和粒子发射α,β – / +

2-3种辐射。质子,中子或原子的沉重的数量意味着一些放射性。

Α颗粒发射出42He的核。

 

粒子β+发射正电子,粒子β捕获放射性衰变的e-Lay

N(T)= N0E(-λt)

半衰期:T = ln2 /λ

活动:nbr在Bq中每秒分解的手段。

 

一些原则

剂量和有效剂量

灰色Gy = 1J.Kg-1是有效流量

Sievert(Sv)是有效剂量E的单位。它被定义为考虑到所考虑的辐射的危险性和辐射组织的敏感性的无量纲因子的吸收剂量。

 

Qr因素判断节目的质量。

E =ΣWT x HT,R具有WT灵敏度和HT,R = DT,R x Qr

 

愤怒的闪烁相机或伽马相机

由γ辐射(在分解过程中发射的光子)和可见光之间转换的晶体组成。

 然后将光子转换成被放大的电子,并且这使得可以获得图像。

 

准直器

排序有趣的光子或不。仅检测光子

到隔垫(穿过准直器)。

 

闪闪发光的水晶

将入射光子转换成可见光子。改变波长的原子之间的能量转移效应

光电。

光导

适应中间索引并收集最大的光子。

 

光电倍增管

在将会弹出电子的电极上发送光子。电子被电位差加速,当电子与材料接触时,电子从材料中拉出电子。这可以通过增加潜在差异并进一步加速电子商务再次完成。

⇒电子数量的增加和收集器的恢复。

 

X-射线

X光与物质的相互作用

衰减系数μ。

Φ(x)=Φ0e( – μx)

10-9

10-10

10-11

λ

10-8

 

坎普顿效应

碰撞导致电子和光子的偏差

遇到(不替换)⇒发射不同于的光子

初始光子,因为光子的能量的部分转移不是预定的电子。

用于医疗的材料

CT扫描3D图像。

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