【正文】 第 8章 特殊成像電視 第 8章 特殊成像電視 紅外電視 X線電視 微光電視 第 8章 特殊成像電視 紅外電視 紅外線的基本概念 紅外線是一種人眼看不見的光線，在光譜中位于紅色光以外，其波長范圍大致為 ～ 1000μm。任何一個物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射。 (1)紅外線的波段：紅外線通常按其波長分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外四個波段。近紅外的波長為 ～ 3μm，中紅外為 3～ 6μm，遠紅外為 6～15μm，極遠紅外為 15～ 1000μm。 第 8章 特殊成像電視 (2) 熱輻射的定律：當幾個物體溫度相同時 ， 各物體發(fā)射紅外線的能力正比于吸收紅外線的能力；當物體處于紅外輻射平衡狀態(tài)時 ， 它吸收的紅外能量總恒等于它所發(fā)射的紅外能量 。 根據(jù)這一定律還可推斷出 ， 性能好的紅外反射體或透明體 ， 必然是性能差的紅外輻射體 。 (3)玻耳茲曼定律：物體輻射的紅外輻射能量密度W與其自身的熱力學溫度 T的四次方成正比 ， 并與它表面的輻射率 ε成正比 。 由這一定律可以看出 ， 物體的溫度愈高 ， 紅外輻射的能量愈多 。 第 8章 特殊成像電視 (4)紅外線的 “ 大氣窗口 ” ：紅外線在大氣中傳輸時 ， 大氣對不同波長的紅外線吸收與衰減的程度有很大差別 。 對波長在 2～ 、 3～ 5μm和 8～ 14μm等三個波段內的紅外線吸收極少 ， 常稱這三個波段為紅外線的 “ 大氣窗口 ” ， 它們分別位于近紅外 、 中紅外和遠紅外三個波段內 。 紅外電視的工作波長應盡可能進入這三個波段 。 第 8章 特殊成像電視 (5)紅外光學材料：可以透過紅外輻射的介質稱為紅外光學材料 。 任何介質不可能對所有波長的紅外線都透明 ， 紅外光學材料只是對某些波長范圍的紅外線具有較高的透過率 。 許多介質對可見光是透明的 ， 對紅外輻射卻是不透明的 。 單晶的鍺材料是一種最常用的紅外光學材料 ，可以作為紅外儀器與大氣隔離的窗口 ， 也可以用來磨制各種透鏡和棱鏡 。 單晶鍺的最大透過率約為 44%，在單晶鍺的表面鍍上一層 “ 增透膜 ” 后 ， 可變得對一定波長的紅外線具有很高的透過率 ， 最高透過率可達99%。 對于波長在 ～ 16μm的紅外輻射 ， 單晶鍺的折射率在 。 第 8章 特殊成像電視 多晶硫化鋅是一種熱壓成型的紅外光學材料 。 在波長為 1～ 14μm的范圍內 ， 其平均透過率大于 70%。 多晶硫化鋅不但可以熱壓成紅外透鏡或窗口 ， 而且可用作鍍膜材料 ， 用來增加各種紅外光學材料透鏡或窗口的透過率 。 多晶氟化鎂是一種耐高溫的紅外光學材料 ， 用于3～ 5μm波長范圍而且可透過可見光 。 對于波長為 ， 其透過率約為 20%～ 30%；而對于波長為 3～ ， 透過率高達 90%。 第 8章 特殊成像電視 (6)主動和被動紅外電視：紅外電視可分為主動式紅外電視和被動式紅外電視兩大類 。 主動式紅外電視需紅外光源照明 ， 攝像機攝取目標反射回來的紅外光 。被動式紅外電視不用紅外光源照明 ， 是利用被攝目標本身輻射的紅外線成像 ， 攝取的是物體的熱分布像 。 第 8章 特殊成像電視 主動式紅外電視 主動式紅外電視由紅外照明光源 、 紅外攝像機和監(jiān)視器等部分組成 。 其工作原理是用紅外光源照射被攝目標 ， 由攝像機的 CCD傳感器將目標的可見光和不可見的紅外圖像轉換為電信號輸出 ， 在監(jiān)視器上顯示可見光圖像 。 主動式紅外電視系統(tǒng)與一般的可見光應用電視系統(tǒng)基本相同 ， 但其照明光源 、 光學鏡頭和攝像器件都是工作在近紅外波段的 。 第 8章 特殊成像電視 常用的近紅外光源有紅外燈泡 、 紅外發(fā)光二極管 、濾光片式光源和紅外激光器 。 常用的紅外發(fā)光二極管為砷化鎵紅外二極管 。 它具有體積小 ， 重量輕 ， 發(fā)射紅外光均勻 ， 電源簡單 ，效率高等特點 ， 其發(fā)射峰值波長約為 。 濾光片式光源由鎢絲燈 、 反光罩和透紅外的濾光片組成 。 鎢絲燈的光譜響應曲線的峰值在 ～ 的近紅外區(qū) 。 濾光片分為膠粘合型和熔煉型兩種類型 ，兩種類型濾光片的峰值透過率分別為 80%和 40%左右 。用鹵化物燈代替鎢絲燈 ， 光譜響應曲線范圍在 ～ 。 第 8章 特殊成像電視 黑白 CCD圖像傳感器具有很寬的感光光譜范圍 ，通常其感光光譜可延長至 1200nm。 利用黑白 CCD圖像傳感器的這個特性 ， 在夜間無可見光照明的情況下 ，用輔助紅外光源照明 ， 傳感器能清晰地成像 。 圖 8― 1示出了夏普公司行間轉移 CCD圖像傳感器的光譜特性 。圖中 ， 黑白 CCD圖像傳感器的光敏單元采用了浮置p―n 結的光敏二極管 。 這種光敏管用離子注入工藝制成 ， 靈敏度高且比較均勻 ， 但這種 CCD傳感器在強光照射下容易出現(xiàn)光暈和拖影現(xiàn)象 。 第 8章 特殊成像電視 圖 8―1 黑白 CCD圖像傳感器光譜特性 0 400 780 1200可見光區(qū) 紅外區(qū)1相對靈敏度? / m m 第 8章 特殊成像電視 常見的主動紅外攝像機有分離式 、 內置式和一體化式等三種形式 。 1) 分離式 分離式一般是分別購買紅外照明光源和紅外敏感攝像機 。 配置時 ， 要注意紅外照明光源光譜范圍和攝像機光譜特性的一致 。 安裝紅外照明光源時 ， 要注意投射的角度和距離 ， 最好是在無可見光的情況下看著攝取的圖像進行調整 ， 這樣才能取得最佳效果 。 第 8章 特殊成像電視 2)內置式 內置式主動紅外攝像機常常是在防塵罩內攝像機四周安裝紅外發(fā)光二極管 。 這種紅外攝像機安裝方便 ，用于近距離室內監(jiān)視 。 3) 一體化式 一體化式主動紅外攝像機用于室外遠距離掃描監(jiān)視 。 一般是在室外型電動云臺兩側固定兩個遠距離室外紅外照明光源 ， 調整云臺時攝像機和紅外照明光源一起旋轉和俯仰 ， 保證被攝目標受到紅外照明 。 第 8章 特殊成像電視 鏡頭的作用是把目標的紅外輻射分布聚焦在光電傳感器上 。 紅外電視的目標距離較遠 ， 輻射能量弱 ，要盡可能使用大尺寸鏡頭 。 主動式紅外電視工作在 ～ 3μm的近紅外區(qū) ， 普通可見光鏡頭在此波段內仍有較高的透過率 ， 因此主動式紅外電視可采用普通可見光鏡頭 。 如采用經(jīng)過鍍膜處理的硅 、 鍺鏡頭 ， 則透過率更高 。 在使用普通可見光鏡頭觀看紅外波段圖像時 ， 需要重新校正焦距 ，由于色散得不到校正 ， 清晰度會下降；若使用通頻帶較窄的紅外帶通濾色片后 ， 圖像清晰度會有所提高 。 第 8章 特殊成像電視 (1)重要部門 、 保密部門 、 軍事要地的夜間監(jiān)視和夜間公安偵察 。 (2)膠卷生產(chǎn)的監(jiān)視 。 利用主動紅外電視攝像機可在暗室外檢查膠卷生產(chǎn)過程中的各種瑕疵 ， 保證產(chǎn)品質量 。 (3)利用半導體材料能透過紅外線的特點來觀察半導體器件內部結構和缺陷 。 由紅外電視攝像機與紅外顯微鏡組成的紅外電視顯微鏡能對半導體器件實現(xiàn)無損檢測 ， 具有分辨率高 ， 結構簡單 ， 使用方便等優(yōu)點 。 第 8章 特殊成像電視 (4)利用人的皮膚和皮下組織對紅外光的反射 ， 散射 、 透射特性 ， 用紅外電視對眼病 、 腫瘤和潰瘍等疾病進行觀察和診斷 。 第 8章 特殊成像電視 被動式紅外電視 被動式紅外電視不需要紅外照明光源 ， 是對目標本身的紅外輻射成像 。 常用的紅外電視攝像機有光機掃描型熱攝像機 、 熱釋電型攝像機和凝視焦平面陣列紅外攝像機等三種 。 光機掃描型熱攝像機是利用精密機械裝置驅動光學掃描部件 ， 完成對目標的掃描 ， 攝取目標的紅外輻射而成像的 ， 所以稱為光學機械掃描成像 。 圖 8― 2是光機掃描型熱攝像機的方框圖 。 第 8章 特殊成像電視 圖 8―2 光機掃描型熱攝像機方框圖 機械掃描裝置紅外光學系統(tǒng) 濾光片 紅外探測器致冷器視頻處理放大器同步信號視頻輸出 第 8章 特殊成像電視 自然界中溫度高于絕對零度的物體總是在不斷地進行紅外輻射的 ， 只要能收集這些輻射能 ， 就能形成與景物溫度分布相對應的熱圖像 。 紅外光學系統(tǒng)將目標發(fā)射的輻射能收集起來 ， 經(jīng)過光譜濾波之后 ， 將景物的輻射分布會聚并成像到紅外探測器所在的光學系統(tǒng)焦平面上 。 光學掃描器包括兩個掃描透鏡組 ， 一個作垂直掃描 ， 一個作水平掃描 。 掃描器位于聚焦光學系統(tǒng)和探測器之間 。 當掃描器轉動時 ， 從景物到達探測器的光束隨之移動 ， 在物方空間掃出像電視一樣的光柵 。 第 8章 特殊成像電視 在掃描器以電視光柵形式掃過景物時 ， 紅外探測器逐點接收景物的輻射并轉換成相應的電信號 。 或者說 ， 光機掃描器構成的景物圖像依次掃過探測器 ， 探測器依次把景物各部分的紅外輻射轉換成電信號 ， 再經(jīng)視頻處理放大器處理后輸出 ， 送到電視監(jiān)視器 。 在監(jiān)視器上可顯示表征目標溫度分布的可見光圖像 ， 其明亮部分表示溫度高 ， 較暗部分表示溫度低 。 第 8章 特殊成像電視 紅外探測器是一種輻射能轉換器 。 它把紅外輻射能轉換成電信號 ， 是利用某些半導體材料在入射光的照射下 ， 產(chǎn)生光子效應的原理制成的 ， 所以也叫光子探測器 。 一般需在低溫下工作 ， 其特點是探測靈敏度高 ， 響應速度快 ， 但每一種光子探測器都有一個截止波長 ， 超過此波長探測器將無響應 。 第 8章 特殊成像電視 光子探測器的主要類型有紅外光電探測器 (PE器件 )、光電導探測器 (PC器件 )、 光生伏特探測器 (PV器件 )和光電磁探測器 (PEM器件 )等四種 。 視頻處理放大是熱攝像機的重要組成部分 。 它將紅外探測器輸出的反映景物空間溫度分布的微弱信號進行加工和變換 ， 形成與景物溫度分布相對應的視頻信號 ， 然后根據(jù)景物各單元對應的視頻信號標出景物各部分的溫度 ， 并顯示出景物的熱圖像 。 在實際應用中 ， 還要求對圖像信號作進一步處理 ， 如圖像增強 、圖像修復等 。 第 8章 特殊成像電視 光機掃描型熱攝像機有溫度分辨率高 ， 靈敏度高等優(yōu)點；缺點是需要復雜的光機掃描裝置和液態(tài)氮致冷器 ， 所以體積大 ， 結構復雜 ， 價格貴 。 熱釋電電視攝像機是采用熱釋電攝像管作為攝像器件的被動式紅外電視攝像機 。 它能將目標的紅外線輻射能量分布轉換為視頻信號 。 與光機掃描型熱攝像機相比 ， 熱釋電電視攝像機具有結構簡單 ， 使用維修方便 ， 不需要液氮致冷等優(yōu)點 ， 所以得到廣泛的應用 。 第 8章 特殊成像電視 1)熱釋電攝像管 (Pyroelectric Vidicon) 熱釋電攝像管是一種熱成像攝像器件 。 它在常溫下工作 ， 將攝像管靶面上的紅外線輻射能量分布轉換為視頻