Jste zde

SPRITE není jen pití, SPRITE je i snímač

Antonín Vojáček, 14. Říjen 2007 - 17:56

Takto by mohl znít slogan na zajímavý typ kvantových detektorů infračerveného záření na bázi materiálu CMT (Cadmium Mercury Telluride) skrývající se pod zkratkou SPRITE (Signal Processing In The Element). Ty jsou využívané v termovizních systémech, které umožňují snímat obraz z infračerveného záření a bezdotykově snímat a zobrazovat teplotní pole. Tyto detektory byly sice již za posledních deset let vytlačeny zlepšujícím se systémem (FPA), ale materiál CMT se stále využívá a princip technologie SPRITE je zkrátka zajímavý.

Co je a proč vznikl SPRITE?

SPRITE detektor je kvantový snímač infračerveného záření vyvinutý v Anglii asi v polovině 80. let jako prvek velmi zjednodušující konstrukci tehdejších termokamer a termovizních systémů vůbec. Zatímco do té doby všechny využívané detektory byly tvořeny malou soustavou (malou maticí) jednotlivých elementů, kde však každý měl svůj vlastní vývod ze součástky, SPRITE byl první krok k integraci zpracování signálu přímo na chipu detektoru. Tím se původně velký počet vývodů mnohonásobně snížil, čímž se výrazně zjednodušila konstrukce vnějších elektrických obvodů. Důležitější vlastností však bylo výrazné snížení vlivu okolního šumu, který snadněji zaruší nezpracované a nezesílené slaboučké signály ze samotných v té době používaných fotovodivých elementů než již silnější signál předzpracovaný přímo na chipu.

Princip SPRITE detektoru a termokamery

SPRITE detektory pracují na principu průměrování skenovaného obrazového bodu. Toho je dosaženo synchronizací driftové rychlosti pohybujících se minoritních nosičů náboje v proužku z fotovodivého materiálu a skenovací rychlosti optiky termokamery. Driftová rychlost je laděná napětím detektoru. Jestliže jsou tyto dvě rychlosti zasynchronizované, signál tepelného obrazu v podobě náboje na konci proužku průběžně narůstá hromaděním nosičů v průběhu průchodu směrovaného záření od začátku proužku. Výstupní signál je tak vlastně integrací (sčítáním) zářením generovaného signálu po určitý definovaný časový úsek. Výsledný signál je tedy na výstupu detektoru silnější, má vyšší odstup signálu od šumu (SNR) a tedy i výsledná kvalita signálu je vyšší.

Ačkoliv první generace skenovacích detektorů a termokamer, do kterých jsou SPRITE detektory obvykle zahrnovány, již byla nahrazena 2. generací fotonapěťových detektorů, výroba SPRITE stále ještě pokračuje.

Princip SPRITE termokamery využívá skenovací technologie a fakt, že obraz na detektor je směrován přes rotující šestiboké zrcadlo, tzn. že obraz se přes detektor pohybuje. U běžného detektoru s 1 běžným elementem u termokamery typu TICM II je potřeba k jeho přechodu prodleva 0.696 mikrosekund. Jestliže bude detektor obsahovat 2 elementy uspořádané vedle sebe v horizontálním směru (sériově), obraz potřebuje k přechodu 2x delší čas. Výsledkem je sice menší skenovací rychlost (možnost použití méně náročné optiky) a silnější výstupní signál detektoru (2x lepší SNR), ale na druhou stranu se redukuje rozlišení, protože dva elementy splývají v jeden (obraz bude méně ostrý a detailní).

Princip funkce optiky skenovací termokamery, která scénu po jednotlivých řádcích pomocí šestibokého a plochého vychylovacího zrcadla směruje na detektor s malým počtem elementů (pixelů)

SPRITE řeší tento problém elektronicky jako by "pohybem detektoru" stejnou rychlostí jako pohyb obrázku po něm. Dá se to přirovnat k dvěma lidem, kteří běží definovaný úsek stále vedle sebe stejně rychle, mohou se tedy na sebe pořád dívat, čímž si lépe zapamatují, jak vypadají. Celkový výsledný vjem je tedy větší (silnější) než pouze pokud by jeden stál a druhý okolo něj proběhnul. Tento efekt tedy prodlouží snímací čas bez ztráty detailů a výsledný signál je silnější. Typicky jeden SPRITE detektor/element (snímací plocha 50 x 500 mikrometrů) je srovnatelný s 10 sériově řazenými běžnými elementy, tzn. poskytuje 10ti násobné zvýšení hodnoty prodlevy (na cca 7 mikrosekund), ale při stejném rozlišení jako jeden běžný snímací element. Výsledkem je tedy 10x větší SNR při stejně kvalitním rozlišení.

Popis princip funkce elementu SPRITE detektoru

Proužek materiálu CMT (Cadmium Mercury Telluride) chlazený na teplotů 90 Kelvinů nemá virtuálně žádné volné elektrony. Množství energie potřebné k uvolnění (excitování) minoritního nosiče náboje (zde elektronu) je rovné energii fotonu vlnové délky do 12 mikrometrů. Přiložením záporného napětí (v případě elektronů) na levý konec proužku a uzemněním druhého konce se dosáhne při dopadu IR fotonů vzniku elektrického proudu elektronů. Bez dopadu fotonů však žádný proud neteče. Úroveň záporného napětí je nutné přesně nastavit tak, aby každý uvolněný elektron se pohyboval doprava směrem k uzemněné svorce (driftoval) stejnou rychlostí jako pohyb obrazu odrážený na detektor rotujícím zrcadlem. Během skenování jednoho řádku reálné plochy scény tedy na detektor v bodě A dopadá záření, které produkuje volné elektrony. Každý uvolněný elektron, jenž dorazí do bodu B, který se ve stejný moment právě osvětlí pootočením zrcadla, se přidá k novým uvolněným elektronům. Tak jejich skupina roste a tak to pokračuje až společně dojdou do bodu C na konci proužku. Tam velká skupina elektronů dorazí na vstup zesilovače, což znamená větší úroveň signálového napětí korespondující k jasu jednoho pixelu. Prakticky tak dochází k zesílení signálu přímo během snímání záření.

Princip SPRITE detektoru tvořeného proužkem polovodičového materiálu CMT (Drift Region), čtecí oblastí (Read-out Zone) a kontakty řídícího napětí (Negative Voltage)

Reálné provedení SPRITE detektoru se skládá ze substrátu polovodiče CdZnTe, vrstvy typu N, na které jsou umístěny kontakty, pasivační vrstva a krycí vrstva

Princip generování signálu dopadajícím IR zářením a integrací jím uvolněných a přiloženým napětím urychlených minoritních nosičů náboje (zde kladně nabité díry)

V reálu je tento proces průběžný (kontinuální) tak, jak je obraz skenován napříč detektorem. Klíčem je udržet driftovou rychlost elektronů přesně shodnou s rychlostí pohybu obrazu, respektive pohybu skenovací optiky. Když toho není dosaženo je obraz neostrý a nekontrastní. Použití 8 elementů může teoreticky zvýšit SNR až 9 krát. Prakticky je však funkce SPRITE detektoru ovlivňována následujícími negativními efekty:

Rozprostření náboje - elektrony v "balíčku" se navzájem odpuzují. To způsobuje, že náboj v balíčku je rozprostřený na určité ploše a určuje tak limit, jaký maximální náboj může balíček mít.

Kolísání napěťového gradientu - přítomnost mnoha volných elektronů ovlivňuje jejich rychlost. Obecně počet elektronů zleva doprava vzrůstá, tzn. že driftovou rychlost není nikdy možné udržet přesně stejnou jako tu skenovací. Proto některé SPRITE detektory mají snímací proužek postupně se zužující, aby bylo toto kompenzováno.
Vyčítací oblast (označená na obrázku jako C) - jakmile dosáhne skupina elektronů této oblasti vzroste jejich náboj, ale protože skok není ostrý z důvodu jejich rozprostření, dochází ve výsledném obraze ke ztrátě detailů. Proto je tvar této oblasti trychtýřovitý, aby došlo ke stlačení elektronů k sobě a tedy k minimalizaci tohoto jevu.

SPRITE detektor je forma sériového skenování, kde při jedné otočce zrcadla je skenováno několik elementů. Některé systémy však SPRITE využívají i v systému sério-paralelního skenování. Použití mechanického skenovacího systému však ve výsledném obraze vytváří zřetelné proužky (bílá místa v obraze). Ty by se sice neobjevily, kdyby všech 8 detektorů v sérioparalelním skenování bylo stejných a nebyly by zde žádné rozdíly mezi zrcadly, což v praxi jde jen velmi obtížně dosáhnout.

Popis termokamery se SPRITE detektorem

Základní blokovou strukturu termovizního systému (termokamery) využívající SPRITE detektor lze vidět na níže uvedeném obrázku. Celý systém (položka 20) se skládá z následujících částí:

Skenovací optika (24)
SPRITE detektor (28)
A/D převodník (32)
Zpracování dat do podoby digitálního obrazu (35)
Časovací a řídící jednotka (40)

Skenovací optika (24) snímá a směruje tepelnou energii snímané scény (26) v podobě infračerveného záření na pole SPRITE detektorů (28), který generuje mnoho analogových signálů (30). Jejich velikost je úměrná toku infračerveného světla dopadajícího na jednotlivé detektory (28). Skenovací optika (24) skenuje rychlostí, která je určena časovacím schématem a rychlostí digitálního převodníku (32). Ten převádí výstupní analogové signály ze SPRITE do digitální podoby a generuje požadovaný digitální výstup (34). Data jsou pak zpracována CPU do podoby digitálního obrazu (35). Kompletní časování skenovací optiky a převodníku a s tím spojené řízení driftové rychlosti SPRITE detektorů je prováděno řídící jednotkou (40). Důležitá je hlavně vzájemná synchronizace optiky a detektorů, která určuje rozlišení i citlivost celého systému.

Blokové schéma klasického termovizního systému (termokamery)

Závěr

I když jsou SPRITE detektory z pohledu kvality snímání obrazu již překonané, jde o zajímavý a jednoduchý princip, který se třeba v budoucnu bude hodit i v jiné aplikaci. V jednoduchosti je krása. I v současnosti je však plno reálných konkrétních realizovaných termokamer se SPRITE "zahaleno tajemstvím", protože hodně jich bylo vyvinuto pro vojenské účely, kde jsou stále ještě aktivně využívány a tudíž jsou podrobné informace utajeny. Případné zájemce o podrobný popis jedné konstrukce SPRITE termokamery mohu odkázat na stránky o patentech www.freepatentsonline.com/5274489.html, kde po bezplatném zaregistrování lze získat podrobný pdf soubor i s popisem konstrukce dost složité skenovací optiky.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Volně přístupné stránky o patentovaných systémech a zařízeních - www.freepatentsonline.com/5274489.html
ROYAL SCHOOL OF ARTILLERY: "Principles of Thermal Imaging Systems", 7 Jun 04
P. NORTON: "HgCdTe infrared detectors", OPTO-ELECTRONICS REVIEW 10(3), 159–174 (2002)
Z. BIELECKI:"Maximisation of signal-to-noise ratio in infrared radiation receivers", Opto-Electron. Rev., 10, no. 3, 2002
INFRAMET: "Review of infrared systems", www.inframet.com
Články na serveru http://proviso-systems.co.uk

Hodnocení článku: