Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství

1. Multimediální učebnice konvenčních zobrazovacích systémů-IR Fyzika Konstrukce Obrazový řetězec Využití Historie Veronika Pekarská ČVUT - Fakulta biomedicínského inženýrství

2. Fyzikální základy • Elektromagnetické spektrum • Základní zákony termografie • Absolutně černé těleso • Kirchhoffův zákon • Dreyfusův vztah • Emisivita • Difuzní zdroj • Fotoelektrický jev • Pyroelektrický efekt • Lidské tělo

3. Elektromagnetické spektrum ultrafialové viditelné rentgenové infračervené mikrovlnné radiové 10nm 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km 0,75μm 3μm 6μm 15μm 1mm blízké velmi vzdálené střední vzdálené

4. Elektromagnetické spektrum • Přestože jsou vlnové délky udávané v mikrometrech (μm), používají se v tomto spektrálním pásmu i jiné jednotky, např. nanometry (nm) a Ångströmy (Å). Vztah mezi různými jednotkami je následující: 10 000 Å = 1 000 nm = 1 μ = 1 μm

5. Zdroje infračerveného záření • infračervené záření může generovat hmota s teplotou vyšší než je absolutní nula (0K) • velikost zářivého toku generovaného tepelným zdrojem, spektrální složení a směr šíření závisejí na vlastnostech a teplotě zdroje. (zvýšení teploty = vzrůst energie zářivého toku, kratší vlnové délky ) • infračervená radiace je proud fotonů

6. Energie fotonu E........ energie fotonu[J] h........ Planckova konstanta[J·s] v......... frekvence[s-1] c......... rychlost světla[m·s-1] λ......... vlnová délka[μm]

7. Signálový radiační tok • pro tepelné zářiče v jeho zorném poli je reprezentován tokem fotonů v infračervené části spektra.

8. Základní zákony vyzařování Planckův vyzařovací zákon Stefan-Boltzmannův zákon Wienův posunovací zákon Absolutně černé těleso

9. Absolutně černé těleso Proud fotonů

10. Absolutně černé těleso • pohlcování záření a vyzařování absolutně černého tělesa je vysvětleno Kirchhoffovým zákonem (podle Gustava RobertaKirchhoffa, 1824–1887)

11. Absolutně černé těleso • ideální těleso, které pohlcuje veškerou radiaci na něj dopadající, bez ohledu na vlnovou délku a úhel, pod kterým na těleso dopadá • pokud je AČT zdrojem radiace je ideální absorber i emiter radiace • vyzařuje na všech vlnových délkách při dané teplotě maximální dosažitelnou energii zářivého toku

12. Kirchhoffův zákon • v zájmu zachování energie musí být v termodynamické rovnováze emitovaný tok a absorbovaný tok na všech vlnových délkách a ve všech směrech při dané teplotě stejný

13. Kirchhoffův zákon • těleso schopné pohlcovat (absorbovat) veškeré na něj dopadající záření je schopné stejné množství záření vyzařovat (emitovat) • zákon vypovídá o základních vlastnostech těles, které jsou se svým okolím v termodynamické rovnováze a dopadá na ně zářivý tok z vnějšího zdroje signálové radiace

14. Kirchhoffův zákon • Dopadající tok může být rozdělen na tři složky:

15. Kirchhoffův zákon • Koeficienty popisující vlastnosti těles ozářených radiačním tokem: • Koeficient pohltivosti (absorpce) – α • Koeficient odrazivosti (reflexe) – ρ • Koeficient propustnosti (transmise) -

16. Kirchhoffův zákon • podle velikostí jednotlivých koeficientů se těleso chová jako: • Absolutně černé: dokonalý příjímač, α=1, ρ=τ=0 • Šedé: α<1 a konstantní, ρ=1- α, τ=0 • Antireflexní materiál: α+τ=1, ρ=0 • Zrcadlo: dokonalý odražeč, ρ=1, α=τ=0 • Dokonale propustný materiál: τ=1, α=ρ=0 • Matný – opacitní materiál: α+ρ=1, τ=0 • Obecný materiál:0≠ (α,ρ,τ)≠1

17. Kirchhoffův zákon • termodynamická rovnováha tělesa v poli infračerveného záření: absorbovaný výkon[W] = α x E[W.m-2] x plocha[m2] = ε x M[W.m-2] x plocha[m2] = vyzářený výkon [W] E........ ozáření, expozice M....... intenzita vyzařování

18. Vztahy mezi jednotlivými zákony spektrální měrná zářivost Lλ,T Planckův vyzařovací zákon ·π spektrální intenzita vyzařování Mλ,T Stefan-Boltzmannův zákon Wienův posunovací zákon :∂λ celkový zářivý výkon Me,T 0

19. Planckův vyzařovací zákon Max Planck (1858–1947)

20. Planckův vyzařovací zákon • základní zákon tepelného vyzařování AČT h........ Planckova konstanta 6,6256 ·10-34[J · s] kB....... Boltzmannova konstanta 1,3807 ·10-23[J · K-1] c......... rychlost světla 2,9979 · 108[m · s-1] C1...... 1. vyzařovací konstanta 1,191 · 10-16[W · m2] C2...... 2. vyzařovací konstanta 1,4388 · 10-2[K · m]

21. Planckův vyzařovací zákon • spektrální měrná zářivost L (výkon generovaný z jednotky plochy povrchu zdroje na dané vlnové délce do jednotkového prostorového úhlu) při absolutní teplotě zdroje T [K] v energetickém tvaru • Spektrální intenzita vyzařování absolutně černého tělesa M v energetickém tvaru:

22. Planckův vyzařovací zákon • V grafu jsou vidět křivky spektrální měrné zářivosti [W.sr-1.m-2.m-1] pro 3 různé teploty [K]. (300,350 a 400K)

23. Stefan-Boltzmanův zákon Jozef Stefan (1835-1893) Ludwig Boltzmann (1844-1906)

24. Stefan-Boltzmanův zákon • Vyjadřuje intenzitu vyzařování AČT. • Výsledná intenzita vyzařování černého tělesa je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty (T): • Lze vyjádřit integrací Planckova vyzařovacího zákona:

25. Stefan-Boltzmanův zákon • Závislost celkového zářivého výkonu [mW.cm-2] na teplotě [K].

26. Wienův posunovací zákon Wilhelm Wien (1864-1928)

27. Wienův posunovací zákon • maximum spektrální intenzity vyzařování se mění v závislosti na teplotě, odpovídající vlnovou délku lze stanovit vyhledáním lokálního extrému odpovídajících funkcí • z toho vyplývá, že čím je těleso teplejší, tím vyzařuje na kratších vlnových délkách a tedy na vyšších frekvencích

28. Wienův posunovací zákon • Závislost vlnové délky [μm] na teplotě [K].

29. Dreyfusův vztah • popisuje vyzařování v konečném intervalu spektra • detektory infračerveného záření mají omezenou spektrální citlivost – je nutné stanovit výkon záření generovaného z jednotky plochy absolutně černého tělesa v konečném spektrálním intervalu

30. Dreyfusův vztah • Zjednodušení vztahu: ∆λ...... šířka spektrálního okna [μm] n........ dáno velikostí ∆λ a absolutní hodnotou λ1 λ2

31. Emisivita • bezrozměrný koeficient ε • vyjadřuje zhoršení vyzařovacích vlastností zdroje ve srovnání s absolutně černým tělesem • závisí na λ a T

32. Emisivita • koeficient emisivity nabývá hodnot 0 až 1. • koeficient emisivity je závislý na: • typu materiálu zdroje • vlastnostech povrchu zdroje • vlnové délce • teplotě materiálu • směru vyzařování

33. Emisivita • Základní typy radiačních zdrojů: • Absolutně černá tělesa: ε(λ)=1 • Lambertovský zářič • Šedá tělesa: ε(λ)<1 a konstantní • Lambertovský zářič, ale jeho vyzařování je na všech vlnových délkách ε x menší než vyzařování absolutně černého tělesa. • Selektivní zdroje: ε(λ) se mění v závislosti na λ • emisivita závislá na směru vyzařování

34. Lidské tělo • Neochlupený a suchý povrch lidského těla se chová jako téměř dokonalé černé těleso a to nezávisle na barvě pokožky. (spektrální interval nad 6μm) • Spektrální interval 3-6μm: selektivní zářič • Spektrální interval menší než 3μm: povrch kuže cástečně transparentní • Pokožka není ideální Lambertovský zářič

35. Vyzařování infračerveného záření lidským tělem

36. Povrchová teplota kůže člověka (ºC)

37. ºC ºC 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 30 čelo rameno hruď předloktí záda břicho ruka stehno bérec chodidlo 26 30 27 max 30 29 průměr 20 23 22 min okolí 17 15

38. ºC ºC 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 33 čelo rameno hruď předloktí záda břicho ruka stehno bérec chodidlo 28 32 28 31 31 24 28 26 22

39. ºC ºC 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 34 čelo rameno hruď předloktí záda břicho ruka stehno bérec chodidlo 31 33 30 33 34 25 31 29 27

40. ºC ºC 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 35 čelo rameno hruď předloktí záda břicho ruka stehno bérec chodidlo 33 35 34 34 35 33 33 33 32

41. ºC ºC 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 36 čelo rameno hruď předloktí záda břicho ruka stehno bérec chodidlo 36 36 36 35 35 36 35 35 36

42. Konstrukce poziční jednotka předzesilovač chopper detektor zobrazovací jednotka objektiv filtry a clony

43. Infrakamera Převzato z : TermaCam P25 Příručka uživatele. Praha: FLIR SYSTEMS, 2004. 122 s.

44. Vnitřní struktura Převzato z : DRASTICH, A.. Netelevizní zobrazovací systémy. Brno: VUT FEI ÚBMI, 2001. 174 s. ISBN 80-214-1974-1

45. Optický modulátor Selektivní filtr Šedý filtr Optika Clona Opticko-mechanická poziční jednotka Detektor Výběr Tstr Před- zesilovač Regulace rychlosti otáček Řádkový rozkladový motor Řádkový snímač Synchronizace řádkového rozkladu Zobrazovací jednotka Vzájemná synchronizace a regulace otáček Snímkový rozkladový motor Snímkový snímač Synchronizace snímkového rozkladu Kamerová jednotka (Blokové schéma)

46. „Emisivita“ „Volba clony“ Kamerová jednotka Hlavní zesilovač Korekce emisivity Korekce nelinearity Generátor stupnice šedosti „Citlivost“ „Jas“ „Kontrast“ Invertor Výběr teplotního rozsahu ∆TK Aditivní člen Zdroj předpětí Zesilovač Zobrazení normální, izotermální, s max kontrastem Zesilovač a koncový stupeň Zobrazení izotermální / normální Generátor řádkového rozkladu Výstup Diferenční ampl. analyz. izoterma Generace zatemňovacích impulzů Generátor snímkového rozkladu Šířka ∆t izotermy Poloha izotermy Zesilovač a koncový stupeň Zobrazovací jednotka (blokové schéma)

47. Objektiv • Tandemové uspořádání difrakčních čoček z vhodného materiálu s antireflexní vrstvou.

48. Clonění • 3 typy clon: • vstupní a výstupní clona s neměnnou aperturou definuje využité okrajové paprsky čoček • clona s proměnnou aperturou umožňuje ovlivnit ozáření detektoru v závislosti na velikosti zářivého toku generovaného ze snímané scény

49. Filtrace Selektivní filtrace Neselektivní filtrace

50. Neselektivní filtrace Útlum signálové radiace pomocí šedých filtrů. Využití: velikost zobrazované povrchové teploty je tak velká, že ozáření detektoru nelze dále zmenšovat zmenšováním otvoru clony. Pomocí šedého filtru dochází k zeslabení zářivého toku o konstantní útlumový faktor definovaný stupněm šedosti filtru. Šedý filtr = hrubý výběr zobrazovaného teplotního intervalu