【正文】 信號(hào) 。 熱釋電攝像管能寬譜成像 ， 但由于光學(xué)系統(tǒng)和靶面吸收層的限制 ， 在 8～ 14μm波段用得較多 ，具有中等靈敏度和分辨率 。 它的體積小 ， 可靠性高 ，成本低 。 有些晶體 （ 鐵電體 ） 具有自發(fā)極化特性 ， 極化程度與溫度有關(guān) 。 在晶體薄片垂直極化軸的表面產(chǎn)生的電荷積累與溫度變化成正比 ， 這就是熱釋電效應(yīng) 。 第 8章 特殊成像電視 圖 8―3 熱釋電視像管的結(jié)構(gòu)示意圖 靶環(huán)鍺面板TG S 靶燈絲KG1G2G3G4網(wǎng) 第 8章 特殊成像電視 熱釋電視像管的結(jié)構(gòu)如圖 8― 3所示 。 其電極結(jié)構(gòu)與普通光導(dǎo)攝像管相同 ， 鍺面板是用單晶鍺制成的透紅外窗口 ， 涂有透 8～ 14μm波段的抗反射涂層； TGS靶是直徑為 2cm、 厚 15～ 20μm的薄圓片 ， 用熱釋電材料制成 ， 在靠近面板一側(cè)的表面有一層透明導(dǎo)電信號(hào)板 ，它通過靶環(huán)與外電路相連接 。 常用的熱釋電靶材料有單晶硫酸三甘肽 (TGS)、 氘化硫酸三甘肽 (DTGS)和重氫化氟鈹酸三甘肽 (DTGFB)等三種 。 TGS靶靈敏度較高 ， 但每次使用都必須極化 ， 而且靶面溫度不能高于材料的居里點(diǎn) (49℃ )； 第 8章 特殊成像電視 DTGFB靶的靈敏度高，介電常數(shù)小，靶的居里點(diǎn)高(70℃ )。 熱釋電攝像管的工作原理是：目標(biāo)輻射的紅外線，經(jīng)鏡頭投射到攝像管的熱釋電靶面上，引起靶單元溫度的改變，靶上各點(diǎn)不同的溫度使晶體的自發(fā)極化各不相同，因而由熱釋電效應(yīng)所釋放的表面電荷也不同，形成了空間和強(qiáng)度變化都和目標(biāo)相同的電荷圖形，即在靶面上形成與目標(biāo)熱像相對應(yīng)的靶面電位像；當(dāng)電子束在靶面上掃描時(shí)，就在信號(hào)電極電路內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)電流，它經(jīng)信號(hào)電極電路的靶負(fù)載電阻形成視頻信號(hào)。熱釋電靶產(chǎn)生的熱釋電電流 IS 第 8章 特殊成像電視 式中 ， A是靶單元面積 ， P是靶材料熱釋電系數(shù) ， dT/dt是靶面單元的溫度變化率 。 上式表明 ， 當(dāng)輻射到單元靶上的熱輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí) ， 才有信號(hào)電流輸出 。 也就是說 ， 熱釋電攝像管是對溫度的變化率敏感而不是對溫度敏感 。 因此對靜物成像時(shí) ， 要對輸入信號(hào)加以調(diào)制；若不加調(diào)制 ，只能對運(yùn)動(dòng)的或輻射強(qiáng)度有變化的目標(biāo)成像 ， 由此可以區(qū)分靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 。 SdTI APdt?(8―1) 第 8章 特殊成像電視 2)熱釋電電視攝像機(jī)的工作原理 熱釋電視像管只對溫度的變化率敏感 ， 為了對靜止目標(biāo)成像 ， 必須將輸入信號(hào)調(diào)制 。 常用的調(diào)制模式有平移調(diào)制模式和斬波調(diào)制模式 。 平移調(diào)制模式是在使用中不斷移動(dòng)攝像機(jī) ， 攝像機(jī)與目標(biāo)間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng) ， 熱釋電攝像管上所接收的目標(biāo)紅外輻射隨時(shí)間而變化 ， 形成視頻信號(hào) 。 平移調(diào)制模式攝像機(jī)靈敏度高 ， 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 ， 但目標(biāo)呈移動(dòng)狀態(tài) ， 影響觀察 。 第 8章 特殊成像電視 斬波調(diào)制模式是在熱釋電攝像管前裝有由透明的和不透明的柵格組成的調(diào)制盤 。 當(dāng)調(diào)制盤運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 就對目標(biāo)像產(chǎn)生了調(diào)制 ， 使透過調(diào)制盤的像隨時(shí)間而變化 。 這樣 ， 將入射的紅外輻射進(jìn)行周期性斬波調(diào)制 ，輸出交變視頻信號(hào) 。 斬波調(diào)制模式攝像機(jī)靈敏度較低 ，但產(chǎn)生的圖像位置穩(wěn)定 ， 視場不變 ， 因有調(diào)制盤 ， 整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 熱釋電攝像管輸出的等幅度正負(fù)交變信號(hào) ， 需有專門的電路來處理 。 第 8章 特殊成像電視 3)熱釋電電視攝像機(jī)的主要技術(shù)性能 (1)最小可分辨溫差 (MRTD)。 觀察者從監(jiān)視器屏幕上剛能從背景 (黑體 )中分辨出某一空間頻率的測試卡圖形時(shí) ， 測試卡與背景之間的溫差即為最小可分辨溫差 。 最小可分辨溫差反映了攝像機(jī)對溫度的靈敏度 ， 與系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) 、 等效噪聲溫差 、 光學(xué)鏡頭性能 、 掃描速率和人眼視覺特性等因素有關(guān) 。 第 8章 特殊成像電視 可在空間分辨率為 100線或 200線時(shí)測量最小可分辨溫差 ， 將攝像機(jī)對準(zhǔn) 100線或 200線的條形測試卡 ，鏡頭的光圈調(diào)至 1位置 ， 增加測試卡與背景之間的溫差 ，在監(jiān)視器屏幕上剛能分辨出測試卡圖像時(shí) ， 測試卡和背景間的溫度差就是最小可分辨溫差 。 第 8章 特殊成像電視 (2) 最小可探測溫差 (MDTD)。 觀察者從監(jiān)視器屏幕上剛能從背景 (黑體 )中分辨出大目標(biāo)時(shí) ， 目標(biāo)與背景之間的溫差即為最小可探測溫差 。 最小可探測溫差表征了攝像機(jī)對目標(biāo)探測靈敏度的高低 。 測試時(shí) ， 可將目標(biāo)和背景的溫度差 ΔT調(diào)整為 2℃ ， 逐步減小攝像機(jī)鏡頭的光圈 ， 至剛能分辨出目標(biāo)圖像時(shí) ， 讀出此時(shí)的光圈數(shù) F， 按下式算出最小可探測溫差： 2TM DT DF??(8―2) 第 8章 特殊成像電視 最小可分辨溫差和最小可探測溫差 ， 是說明攝像機(jī)對客觀實(shí)物溫差的靈敏性 。 兩者的差別僅僅在定義目標(biāo)的形狀上 。 最小可分辨溫差的目標(biāo)是某一空間頻率的測試卡圖形 ， 而最小可探測溫差的目標(biāo)是較大面積的正方形或圓形 。 第 8章 特殊成像電視 (3) 最大空間分辨率 (MSR)。 在測試卡與背景 (黑體 )之間有一適當(dāng)?shù)臏夭顣r(shí) ， 可分辨的空間頻率的最大值 ， 稱為最大空間分辨率 。 它表征了攝像機(jī)分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力 。 當(dāng)溫差增大時(shí) ，熱釋電攝像管的空間分辨率將隨之增大 ， 但當(dāng)溫差增大到一定數(shù)值后 ， 再繼續(xù)增大溫差 ， 空間分辨率基本保持不變 。 測試時(shí) ， 將空間分辨率條形測試卡和背景 (黑體 )之間的溫度差調(diào)整為一恰當(dāng)值 ， 更換不同空間頻率的測試卡 ， 至恰能分辨出的最大空間頻率條形測試卡圖像時(shí)所對應(yīng)的電視行數(shù) ， 即為最大空間分辨率 。 第 8章 特殊成像電視 4) 熱釋電電視攝像機(jī)的鏡頭 熱釋電電視攝像機(jī)使用在中 、 遠(yuǎn)紅外波段 ， 普通可見光鏡頭已不適用 ， 需要專門設(shè)計(jì)紅外電視鏡頭 。 3～ 5μm波段的透鏡 ， 用硅 、 鍺和三硫化二砷等材料制成 。8～ 12μm波段的透鏡用鍺 、 硒化鋅 、 硫化鋅等材料制成 。 單晶鍺折射率高、像差小，但透過率約為 47%，需在表面鍍上增透膜，以提高透過率。國產(chǎn) HJ1型紅外鍺鏡頭工作波段為 3～ 14μm，采用多層離子濺射鍍膜，膜層牢固度好，透過率 ≥95%。 第 8章 特殊成像電視 5) 熱釋電電視攝像機(jī)的應(yīng)用 熱釋電電視攝像機(jī)在常溫下工作 ， 不需照明設(shè)備 ，透灰塵及煙霧的能力強(qiáng) ， 可以對 3～ 5μm和 8～ 14μm光譜范圍的熱目標(biāo)進(jìn)行成像顯示 ,分辨目標(biāo)的溫度分布和形狀 ,測量目標(biāo)和背景之間的溫差 ， 具有準(zhǔn)確 、 直觀 、方便等優(yōu)點(diǎn) ， 適用于電力 、 冶金 、 化工 、 消防 、 醫(yī)療等部門應(yīng)用 。 第 8章 特殊成像電視 在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中 ， 利用熱釋電電視攝像機(jī) ，可對一些重要部位和設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測 。 例如 ,在鋼鐵企業(yè)對高爐進(jìn)行監(jiān)測 ， 可看到爐體的溫度分布和爐溫的變化 ， 發(fā)現(xiàn)爐體的損壞 。 在發(fā)電廠對電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測 ， 可及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱故障和隱患 。 發(fā)生火災(zāi)時(shí) ， 消防人員用熱釋電電視攝像機(jī)可在濃煙和黑暗環(huán)境中 ， 尋找救護(hù)目標(biāo) ， 探測火源位置 。 在醫(yī)療方面 ， 用熱釋電電視攝像機(jī)可以檢查早期乳腺癌 ， 檢查人體一些器官的病變 ， 檢查人體燒傷的度數(shù)及植皮等情況 。 第 8章 特殊成像電視 3. 凝視型焦平面陣列紅外攝像機(jī) 采用單個(gè)探測器的光機(jī)掃描熱攝像機(jī) ， 探測器探測每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為 τ；采用沿垂直方向放置 n個(gè)探測器列陣的并聯(lián)掃描 ， n個(gè)探測器恰好覆蓋垂直視場而只在水平方向掃描；當(dāng)幀頻一定時(shí) ， 并聯(lián)掃描探測器探測每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間將增加至單個(gè)探測器時(shí)的 n倍 ， 通頻帶壓縮至單個(gè)探測器時(shí)的 1／ n， 從而使通道信噪比提高到 倍 。 n 第 8章 特殊成像電視 凝視型焦平面陣列紅外攝像機(jī)是用紅外探測器面陣充滿物鏡焦平面的方法來實(shí)現(xiàn)全視場范圍內(nèi)目標(biāo)成像的 ， 取消了光機(jī)掃描 ， 采用元數(shù)足夠多的探測器面陣 ， 探測器單元與系統(tǒng)觀察范圍內(nèi)的目標(biāo)元一一對應(yīng) 。 假如探測器面陣在水平方向有 m單元垂直方向上有n單元探測器，當(dāng)幀頻一定時(shí)，探測器探測每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間將增加至單個(gè)探測器時(shí)的 mn倍，通頻帶壓縮至單個(gè)探測器時(shí)的 1／ mn，從而使通道信噪比提高到 倍。探測每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間變?yōu)?mnτ,探測時(shí)間長到好像與“凝視”一樣。 mn 第 8章 特殊成像電視 1) 混成式紅外焦平面陣列 近年來 ， 高性能的紅外探測器不斷出現(xiàn) ， CCD工藝相對成熟 ， 將紅外探測器和 CCD耦合起來就能制成高性能的紅外焦平面陣列 ， 稱為混成式紅外焦平面陣列 。 混成式紅外焦平面陣列的最大特點(diǎn)是選擇探測器有很大的靈活性 ， 絕大多數(shù)采用光電二極管作為敏感元 。 混成式紅外焦平面的技術(shù)關(guān)鍵是解決光敏元和CCD器件間的互連問題 ， 包括熱匹配和電接觸 。 近幾年發(fā)展起來的鋼柱連接技術(shù)已能達(dá)到很高的成品率 ，基本上解決了兩部分的互連問題 。 第 8章 特殊成像電視 混成式紅外焦平面陣列的受光方式有前照射結(jié)構(gòu)和背照射結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式 。 前照射結(jié)構(gòu)探測器在前面受到照射 ， 電信號(hào)就在同一面上取出 。 這種結(jié)構(gòu)中 ，探測器的前面與多路傳輸器面向一個(gè)方向 ， 電極引線從探測器出來 ， 必須越過探測器的邊緣區(qū)域到達(dá)多路傳輸器 。 這種引線方式要求探測器陣列十分薄 。 由于互連占去了一部分面積 ， 光敏面相應(yīng)減小 。 背照射結(jié)構(gòu)要求鑲嵌的探測器有薄的光敏層 ， 在光敏層上吸收輻射 ， 所產(chǎn)生的光生載流子從背面擴(kuò)散到前面被 PN結(jié)檢出 。 目前 ， 焦平面陣列大多數(shù)采用背照射結(jié)構(gòu) 。 第 8章 特殊成像電視 2) 肖特基勢壘紅外焦平面陣列 (SB―IRCCD) 肖特基勢壘是指金屬淀積在半導(dǎo)體表面形成的具有單向?qū)щ?、整流作用的金?― 半導(dǎo)體接觸。SB―IRCCD 是把可見光的行間轉(zhuǎn)移 CCD的光敏部分換成肖特基勢壘光電探測器，工作原理類似于可見光CCD。 第 8章 特殊成像電視 SB―IRCCD 可利用成熟的硅集成電路工藝技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)高分辨率和獲得高的成品率 。 SB―IRCCD 性能上突出優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)均勻 。 在熱成像系統(tǒng)中 ， 響應(yīng)的均勻性在很大程度上決定了圖像的質(zhì)量 。 SB―IRCCD 的缺點(diǎn)是探測器靈敏度較低 ， 為了提高光電探測器靈敏度 ，常采用薄膜金屬電極結(jié)構(gòu)和光學(xué)共振腔結(jié)構(gòu)；為了提高分辨率采用電荷掃描器件 (CSD)。 第 8章 特殊成像電視 在 CCD信號(hào)讀出時(shí) ， 從光敏單元到垂直電荷轉(zhuǎn)移單元 ， 所有光敏單元信號(hào)讀出的轉(zhuǎn)移柵是同時(shí)打開的 。在 CSD方式中 ， 在一個(gè)水平周期內(nèi) ， 只有水平方向并排的一組轉(zhuǎn)移柵開啟；在一個(gè)垂直電荷轉(zhuǎn)移單元內(nèi) ，只讀出一個(gè)像元的信號(hào)；垂直電荷轉(zhuǎn)移單元尺寸可以做得很小 ， 因此像元尺寸相對較大 ， 增加了每個(gè)像元所占的探測器面積比 ， 從而提高了分辨率 。 第 8章 特殊成像電視 3) SB―IR TV攝像機(jī) 圖 8― 4給出了 SB―IR TV攝像機(jī)的原理框圖 。 與其他光子型紅外探測器