第8章特殊成像电视

第8章特殊成像电视第8章特殊成像电视8.1红外电视8.2X线电视8.3微光电视第8章特殊成像电视8.1红外电视8.1.1红外线的基本概念红外线是一种人眼看不见的光线，在光谱中位于红色光以外，其波长范围大致为0.78～1000μm。任何一个物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。(1)红外线的波段：红外线通常按其波长分为近红外、中红外、远红外和极远红外四个波段。近红外的波长为0.78～3μm，中红外为3～6μm，远红外为6～15μm，极远红外为15～1000μm。第8章特殊成像电视(2)热辐射的定律：当几个物体温度相同时，各物体发射红外线的能力正比于吸收红外线的能力；当物体处于红外辐射平衡状态时，它吸收的红外能量总恒等于它所发射的红外能量。根据这一定律还可推断出，性能好的红外反射体或透明体，必然是性能差的红外辐射体。(3)玻耳兹曼定律：物体辐射的红外辐射能量密度W与其自身的热力学温度T的四次方成正比，并与它表面的辐射率ε成正比。由这一定律可以看出，物体的温度愈高，红外辐射的能量愈多。第8章特殊成像电视(4)红外线的“大气窗口”：红外线在大气中传输时，大气对不同波长的红外线吸收与衰减的程度有很大差别。对波长在2～2.6μm、3～5μm和8～14μm等三个波段内的红外线吸收极少，常称这三个波段为红外线的“大气窗口”，它们分别位于近红外、中红外和远红外三个波段内。红外电视的工作波长应尽可能进入这三个波段。第8章特殊成像电视(5)红外光学材料：可以透过红外辐射的介质称为红外光学材料。任何介质不可能对所有波长的红外线都透明，红外光学材料只是对某些波长范围的红外线具有较高的透过率。许多介质对可见光是透明的，对红外辐射却是不透明的。单晶的锗材料是一种最常用的红外光学材料，可以作为红外仪器与大气隔离的窗口，也可以用来磨制各种透镜和棱镜。单晶锗的最大透过率约为44%，在单晶锗的表面镀上一层“增透膜”后，可变得对一定波长的红外线具有很高的透过率，最高透过率可达99%。对于波长在1.8～16μm的红外辐射，单晶锗的折射率在4.143到4.0012之间变化。第8章特殊成像电视多晶硫化锌是一种热压成型的红外光学材料。在波长为1～14μm的范围内，其平均透过率大于70%。多晶硫化锌不但可以热压成红外透镜或窗口，而且可用作镀膜材料，用来增加各种红外光学材料透镜或窗口的透过率。多晶氟化镁是一种耐高温的红外光学材料，用于3～5μm波长范围而且可透过可见光。对于波长为0.598μm的可见光，其透过率约为20%～30%；而对于波长为3～6.5μm的红外辐射，透过率高达90%。第8章特殊成像电视(6)主动和被动红外电视：红外电视可分为主动式红外电视和被动式红外电视两大类。主动式红外电视需红外光源照明，摄像机摄取目标反射回来的红外光。被动式红外电视不用红外光源照明，是利用被摄目标本身辐射的红外线成像，摄取的是物体的热分布像。第8章特殊成像电视8.1.2主动式红外电视主动式红外电视由红外照明光源、红外摄像机和监视器等部分组成。其工作原理是用红外光源照射被摄目标，由摄像机的CCD传感器将目标的可见光和不可见的红外图像转换为电信号输出，在监视器上显示可见光图像。主动式红外电视系统与一般的可见光应用电视系统基本相同，但其照明光源、光学镜头和摄像器件都是工作在近红外波段的。第8章特殊成像电视1.红外照明光源常用的近红外光源有红外灯泡、红外发光二极管、滤光片式光源和红外激光器。常用的红外发光二极管为砷化镓红外二极管。它具有体积小，重量轻，发射红外光均匀，电源简单，效率高等特点，其发射峰值波长约为0.93μm。滤光片式光源由钨丝灯、反光罩和透红外的滤光片组成。钨丝灯的光谱响应曲线的峰值在0.8～1.2μm的近红外区。滤光片分为胶粘合型和熔炼型两种类型，两种类型滤光片的峰值透过率分别为80%和40%左右。用卤化物灯代替钨丝灯，光谱响应曲线范围在0.88～2.6μm间。第8章特殊成像电视2.红外摄像器件黑白CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，通常其感光光谱可延长至1200nm。利用黑白CCD图像传感器的这个特性，在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，传感器能清晰地成像。图8―1示出了夏普公司行间转移CCD图像传感器的光谱特性。图中，黑白CCD图像传感器的光敏单元采用了浮置p―n结的光敏二极管。这种光敏管用离子注入工艺制成，灵敏度高且比较均匀，但这种CCD传感器在强光照射下容易出现光晕和拖影现象。第8章特殊成像电视图8―1黑白CCD图像传感器光谱特性04007801200可见光区红外区1相对灵敏度/mm第8章特殊成像电视3.主动红外摄像机常见的主动红外摄像机有分离式、内置式和一体化式等三种形式。1)分离式分离式一般是分别购买红外照明光源和红外敏感摄像机。配置时，要注意红外照明光源光谱范围和摄像机光谱特性的一致。安装红外照明光源时，要注意投射的角度和距离，最好是在无可见光的情况下看着摄取的图像进行调整，这样才能取得最佳效果。第8章特殊成像电视2)内置式内置式主动红外摄像机常常是在防尘罩内摄像机四周安装红外发光二极管。这种红外摄像机安装方便，用于近距离室内监视。3)一体化式一体化式主动红外摄像机用于室外远距离扫描监视。一般是在室外型电动云台两侧固定两个远距离室外红外照明光源，调整云台时摄像机和红外照明光源一起旋转和俯仰，保证被摄目标受到红外照明。第8章特殊成像电视4.主动红外摄像机的镜头镜头的作用是把目标的红外辐射分布聚焦在光电传感器上。红外电视的目标距离较远，辐射能量弱，要尽可能使用大尺寸镜头。主动式红外电视工作在0.75～3μm的近红外区，普通可见光镜头在此波段内仍有较高的透过率，因此主动式红外电视可采用普通可见光镜头。如采用经过镀膜处理的硅、锗镜头，则透过率更高。在使用普通可见光镜头观看红外波段图像时，需要重新校正焦距，由于色散得不到校正，清晰度会下降；若使用通频带较窄的红外带通滤色片后，图像清晰度会有所提高。第8章特殊成像电视5.主动红外摄像机的应用(1)重要部门、保密部门、军事要地的夜间监视和夜间公安侦察。(2)胶卷生产的监视。利用主动红外电视摄像机可在暗室外检查胶卷生产过程中的各种瑕疵，保证产品质量。(3)利用半导体材料能透过红外线的特点来观察半导体器件内部结构和缺陷。由红外电视摄像机与红外显微镜组成的红外电视显微镜能对半导体器件实现无损检测，具有分辨率高，结构简单，使用方便等优点。第8章特殊成像电视(4)利用人的皮肤和皮下组织对红外光的反射，散射、透射特性，用红外电视对眼病、肿瘤和溃疡等疾病进行观察和诊断。第8章特殊成像电视8.1.3被动式红外电视被动式红外电视不需要红外照明光源，是对目标本身的红外辐射成像。常用的红外电视摄像机有光机扫描型热摄像机、热释电型摄像机和凝视焦平面阵列红外摄像机等三种。1.光机扫描型热摄像机光机扫描型热摄像机是利用精密机械装置驱动光学扫描部件，完成对目标的扫描，摄取目标的红外辐射而成像的，所以称为光学机械扫描成像。图8―2是光机扫描型热摄像机的方框图。第8章特殊成像电视图8―2光机扫描型热摄像机方框图机械扫描装置红外光学系统滤光片红外探测器致冷器视频处理放大器同步信号视频输出第8章特殊成像电视自然界中温度高于绝对零度的物体总是在不断地进行红外辐射的，只要能收集这些辐射能，就能形成与景物温度分布相对应的热图像。红外光学系统将目标发射的辐射能收集起来，经过光谱滤波之后，将景物的辐射分布会聚并成像到红外探测器所在的光学系统焦平面上。光学扫描器包括两个扫描透镜组，一个作垂直扫描，一个作水平扫描。扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。当扫描器转动时，从景物到达探测器的光束随之移动，在物方空间扫出像电视一样的光栅。第8章特殊成像电视在扫描器以电视光栅形式扫过景物时，红外探测器逐点接收景物的辐射并转换成相应的电信号。或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号，再经视频处理放大器处理后输出，送到电视监视器。在监视器上可显示表征目标温度分布的可见光图像，其明亮部分表示温度高，较暗部分表示温度低。第8章特殊成像电视红外探测器是一种辐射能转换器。它把红外辐射能转换成电信号，是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应的原理制成的，所以也叫光子探测器。一般需在低温下工作，其特点是探测灵敏度高，响应速度快，但每一种光子探测器都有一个截止波长，超过此波长探测器将无响应。第8章特殊成像电视光子探测器的主要类型有红外光电探测器(PE器件)、光电导探测器(PC器件)、光生伏特探测器(PV器件)和光电磁探测器(PEM器件)等四种。视频处理放大是热摄像机的重要组成部分。它将红外探测器输出的反映景物空间温度分布的微弱信号进行加工和变换，形成与景物温度分布相对应的视频信号，然后根据景物各单元对应的视频信号标出景物各部分的温度，并显示出景物的热图像。在实际应用中，还要求对图像信号作进一步处理，如图像增强、图像修复等。第8章特殊成像电视光机扫描型热摄像机有温度分辨率高，灵敏度高等优点；缺点是需要复杂的光机扫描装置和液态氮致冷器，所以体积大，结构复杂，价格贵。2.热释电电视摄像机热释电电视摄像机是采用热释电摄像管作为摄像器件的被动式红外电视摄像机。它能将目标的红外线辐射能量分布转换为视频信号。与光机扫描型热摄像机相比，热释电电视摄像机具有结构简单，使用维修方便，不需要液氮致冷等优点，所以得到广泛的应用。第8章特殊成像电视1)热释电摄像管(PyroelectricVidicon)热释电摄像管是一种热成像摄像器件。它在常温下工作，将摄像管靶面上的红外线辐射能量分布转换为视频信号。热释电摄像管能宽谱成像，但由于光学系统和靶面吸收层的限制，在8～14μm波段用得较多，具有中等灵敏度和分辨率。它的体积小，可靠性高，成本低。有些晶体（铁电体）具有自发极化特性，极化程度与温度有关。在晶体薄片垂直极化轴的表面产生的电荷积累与温度变化成正比，这就是热释电效应。第8章特殊成像电视图8―3热释电视像管的结构示意图靶环锗面板TGS靶灯丝KG1G2G3G4网第8章特殊成像电视热释电视像管的结构如图8―3所示。其电极结构与普通光导摄像管相同，锗面板是用单晶锗制成的透红外窗口，涂有透8～14μm波段的抗反射涂层；TGS靶是直径为2cm、厚15～20μm的薄圆片，用热释电材料制成，在靠近面板一侧的表面有一层透明导电信号板，它通过靶环与外电路相连接。常用的热释电靶材料有单晶硫酸三甘肽(TGS)、氘化硫酸三甘肽(DTGS)和重氢化氟铍酸三甘肽(DTGFB)等三种。TGS靶灵敏度较高，但每次使用都必须极化，而且靶面温度不能高于材料的居里点(49℃)；第8章特殊成像电视DTGFB靶的灵敏度高，介电常数小，靶的居里点高(70℃)。热释电摄像管的工作原理是：目标辐射的红外线，经镜头投射到摄像管的热释电靶面上，引起靶单元温度的改变，靶上各点不同的温度使晶体的自发极化各不相同，因而由热释电效应所释放的表面电荷也不同，形成了空间和强度变化都和目标相同的电荷图形，即在靶面上形成与目标热像相对应的靶面电位像；当电子束在靶面上扫描时，就在信号电极电路内产生信号电流，它经信号电极电路的靶负载电阻形成视频信号。热释电靶产生的热释电电流IS第8章特殊成像电视式中，A是靶单元面积，P是靶材料热释电系数，dT/dt是靶面单元的温度变化率。上式表明，当辐射到单元靶上的热辐射强度发生变化时，才有信号电流输出。也就是说，热释电摄像管是对温度的变化率敏感而不是对温度敏感。因此对静物成像时，要对输入信号加以调制；若不加调制，只能对运动的或辐射强度有变化的目标成像，由此可以区分静止目标和运动目标。SdTIAPdt(8―1)第8章特殊成像电视2)热释电电视摄像机的工作原理热释电视像管只对温度的变化率敏感，为了对静止目标成像，必须将输入信号调制。常用的调制模式有平移调制模式和斩波调制模式。平移调制模式是在使用中不断移动摄像机，摄像机与目标间产生相对运动，热释电摄像管上所接收