【正文】 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 。 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) 。 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 。 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 。 它能將目標(biāo)的紅外線輻射能量分布轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào) 。 第 8章 特殊成像電視 光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)有溫度分辨率高 ， 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的光機(jī)掃描裝置和液態(tài)氮致冷器 ， 所以體積大 ， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價(jià)格貴 。 它將紅外探測(cè)器輸出的反映景物空間溫度分布的微弱信號(hào)進(jìn)行加工和變換 ， 形成與景物溫度分布相對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào) ， 然后根據(jù)景物各單元對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)標(biāo)出景物各部分的溫度 ， 并顯示出景物的熱圖像 。 第 8章 特殊成像電視 光子探測(cè)器的主要類型有紅外光電探測(cè)器 (PE器件 )、光電導(dǎo)探測(cè)器 (PC器件 )、 光生伏特探測(cè)器 (PV器件 )和光電磁探測(cè)器 (PEM器件 )等四種 。 它把紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ， 是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下 ， 產(chǎn)生光子效應(yīng)的原理制成的 ， 所以也叫光子探測(cè)器 。 在監(jiān)視器上可顯示表征目標(biāo)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 在掃描器以電視光柵形式掃過(guò)景物時(shí) ， 紅外探測(cè)器逐點(diǎn)接收景物的輻射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào) 。 掃描器位于聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器之間 。 紅外光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)發(fā)射的輻射能收集起來(lái) ， 經(jīng)過(guò)光譜濾波之后 ， 將景物的輻射分布會(huì)聚并成像到紅外探測(cè)器所在的光學(xué)系統(tǒng)焦平面上 。 圖 8― 2是光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)的方框圖 。 常用的紅外電視攝像機(jī)有光機(jī)掃描型熱攝像機(jī) 、 熱釋電型攝像機(jī)和凝視焦平面陣列紅外攝像機(jī)等三種 。 第 8章 特殊成像電視 (4)利用人的皮膚和皮下組織對(duì)紅外光的反射 ， 散射 、 透射特性 ， 用紅外電視對(duì)眼病 、 腫瘤和潰瘍等疾病進(jìn)行觀察和診斷 。 (3)利用半導(dǎo)體材料能透過(guò)紅外線的特點(diǎn)來(lái)觀察半導(dǎo)體器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷 。 (2)膠卷生產(chǎn)的監(jiān)視 。 在使用普通可見光鏡頭觀看紅外波段圖像時(shí) ， 需要重新校正焦距 ，由于色散得不到校正 ， 清晰度會(huì)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(huì)有所提高 。 主動(dòng)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(nèi)仍有較高的透過(guò)率 ， 因此主動(dòng)式紅外電視可采用普通可見光鏡頭 。 第 8章 特殊成像電視 鏡頭的作用是把目標(biāo)的紅外輻射分布聚焦在光電傳感器上 。 3) 一體化式 一體化式主動(dòng)紅外攝像機(jī)用于室外遠(yuǎn)距離掃描監(jiān)視 。 第 8章 特殊成像電視 2)內(nèi)置式 內(nèi)置式主動(dòng)紅外攝像機(jī)常常是在防塵罩內(nèi)攝像機(jī)四周安裝紅外發(fā)光二極管 。 配置時(shí) ， 要注意紅外照明光源光譜范圍和攝像機(jī)光譜特性的一致 。 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(duì)靈敏度? / m m 第 8章 特殊成像電視 常見的主動(dòng)紅外攝像機(jī)有分離式 、 內(nèi)置式和一體化式等三種形式 。圖中 ， 黑白 CCD圖像傳感器的光敏單元采用了浮置p―n 結(jié)的光敏二極管 。 利用黑白 CCD圖像傳感器的這個(gè)特性 ， 在夜間無(wú)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 。用鹵化物燈代替鎢絲燈 ， 光譜響應(yīng)曲線范圍在 ～ 。 鎢絲燈的光譜響應(yīng)曲線的峰值在 ～ 的近紅外區(qū) 。 它具有體積小 ， 重量輕 ， 發(fā)射紅外光均勻 ， 電源簡(jiǎn)單 ，效率高等特點(diǎn) ， 其發(fā)射峰值波長(zhǎng)約為 。 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 。 其工作原理是用紅外光源照射被攝目標(biāo) ， 由攝像機(jī)的 CCD傳感器將目標(biāo)的可見光和不可見的紅外圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 ， 在監(jiān)視器上顯示可見光圖像 。被動(dòng)式紅外電視不用紅外光源照明 ， 是利用被攝目標(biāo)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 (6)主動(dòng)和被動(dòng)紅外電視：紅外電視可分為主動(dòng)式紅外電視和被動(dòng)式紅外電視兩大類 。 多晶氟化鎂是一種耐高溫的紅外光學(xué)材料 ， 用于3～ 5μm波長(zhǎng)范圍而且可透過(guò)可見光 。 在波長(zhǎng)為 1～ 14μm的范圍內(nèi) ， 其平均透過(guò)率大于 70%。 對(duì)于波長(zhǎng)在 ～ 16μm的紅外輻射 ， 單晶鍺的折射率在 。 單晶的鍺材料是一種最常用的紅外光學(xué)材料 ，可以作為紅外儀器與大氣隔離的窗口 ， 也可以用來(lái)磨制各種透鏡和棱鏡 。 任何介質(zhì)不可能對(duì)所有波長(zhǎng)的紅外線都透明 ， 紅外光學(xué)材料只是對(duì)某些波長(zhǎng)范圍的紅外線具有較高的透過(guò)率 。 紅外電視的工作波長(zhǎng)應(yīng)盡可能進(jìn)入這三個(gè)波段 。 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(shí) ， 大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線吸收與衰減的程度有很大差別 。 (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(xué)溫度 T的四次方成正比 ， 并與它表面的輻射率 ε成正比 。 第 8章 特殊成像電視 (2) 熱輻射的定律：當(dāng)幾個(gè)物體溫度相同時(shí) ， 各物體發(fā)射紅外線的能力正比于吸收紅外線的能力；當(dāng)物體處于紅外輻射平衡狀態(tài)時(shí) ， 它吸收的紅外能量總恒等于它所發(fā)射的紅外能量 。 (1)紅外線的波段：紅外線通常按其波長(zhǎng)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。 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(zhǎng)范圍大致為 ～ 1000μm。任何一個(gè)物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射。近紅外的波長(zhǎng)為 ～ 3μm，中紅外為 3～ 6μm，遠(yuǎn)紅外為 6～15μm，極遠(yuǎn)紅外為 15～ 1000μm。 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 。 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 。 對(duì)波長(zhǎng)在 2～ 、 3～ 5μm和 8～ 14μm等三個(gè)波段內(nèi)的紅外線吸收極少 ， 常稱這三個(gè)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(yuǎn)紅外三個(gè)波段內(nèi) 。 第 8章 特殊成像電視 (5)紅外光學(xué)材料：可以透過(guò)紅外輻射的介質(zhì)稱為紅外光學(xué)材料 。 許多介質(zhì)對(duì)可見光是透明的 ， 對(duì)紅外輻射卻是不透明的 。 單晶鍺的最大透過(guò)率約為 44%，在單晶鍺的表面鍍上一層 “ 增透膜 ” 后 ， 可變得對(duì)一定波長(zhǎng)的紅外線具有很高的透過(guò)率 ， 最高透過(guò)率可達(dá)99%。 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(xué)材料 。 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(lái)增加各種紅外光學(xué)材料透鏡或窗口的透過(guò)率 。 對(duì)于波長(zhǎng)為 ， 其透過(guò)率約為 20%～ 30%；而對(duì)于波長(zhǎng)為 3～ ， 透過(guò)率高達(dá) 90%。 主動(dòng)式紅外電視需紅外光源照明 ， 攝像機(jī)攝取目標(biāo)反射回來(lái)的紅外光 。 第 8章 特殊成像電視 主動(dòng)式紅外電視 主動(dòng)式紅外電視由紅外照明光源 、 紅外攝像機(jī)和監(jiān)視器等部分組成 。 主動(dòng)式紅外電視系統(tǒng)與一般的可見光應(yīng)用電視系統(tǒng)基本相同 ， 但其照明光源 、 光學(xué)鏡頭和攝像器件都是工作在近紅外波段的 。 常用的紅外發(fā)光二極管為砷化鎵紅外二極管 。 濾光片式光源由鎢絲燈 、 反光罩和透紅外的濾光片組成 。 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(guò)率分別為 80%和 40%左右 。 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(zhǎng)至 1200nm。 圖 8― 1示出了夏普公司行間轉(zhuǎn)移 CCD圖像傳感器的光譜特性 。 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(qiáng)光照射下容易出現(xiàn)光暈和拖影現(xiàn)象 。 1) 分離式 分離式一般是分別購(gòu)買紅外照明光源和紅外敏感攝像機(jī) 。 安裝紅外照明光源時(shí) ， 要注意投射的角度和距離 ， 最好是在無(wú)可見光的情況下看著攝取的圖像進(jìn)行調(diào)整 ， 這樣才能取得最佳效果 。 這種紅外攝像機(jī)安裝方便 ，用于近距離室內(nèi)監(jiān)視 。 一般是在室外型電動(dòng)云臺(tái)兩側(cè)固定兩個(gè)遠(yuǎn)距離室外紅外照明光源 ， 調(diào)整云臺(tái)時(shí)攝像機(jī)和紅外照明光源一起旋轉(zhuǎn)和俯仰 ， 保證被攝目標(biāo)受到紅外照明 。 紅外電視的目標(biāo)距離較遠(yuǎn) ， 輻射能量弱 ，要盡可能使用大尺寸鏡頭 。 如采用經(jīng)過(guò)鍍膜處理的硅 、 鍺鏡頭 ， 則透過(guò)率更高 。 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 。 利用主動(dòng)紅外電視攝像機(jī)可在暗室外檢查膠卷生產(chǎn)過(guò)程中的各種瑕疵 ， 保證產(chǎn)品質(zhì)量 。 由紅外電視攝像機(jī)與紅外顯微鏡組成的紅外電視顯微鏡能對(duì)半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè) ， 具有分辨率高 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 使用方便等優(yōu)點(diǎn) 。 第 8章 特殊成像電視 被動(dòng)式紅外電視 被動(dòng)式紅外電視不需要紅外照明光源 ， 是對(duì)目標(biāo)本身的紅外輻射成像 。 光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)是利用精密機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描部件 ， 完成對(duì)目標(biāo)的掃描 ， 攝取目標(biāo)的紅外輻射而成像的 ， 所以稱為光學(xué)機(jī)械掃描成像 。 第 8章 特殊成像電視 圖 8―2 光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)方框圖 機(jī)械掃描裝置紅外光學(xué)系統(tǒng) 濾光片 紅外探測(cè)器致冷器視頻處理放大器同步信號(hào)視頻輸出 第 8章 特殊成像電視 自然界中溫度高于絕對(duì)零度的物體總是在不斷地進(jìn)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(duì)應(yīng)的熱圖像 。 光學(xué)掃描器包括兩個(gè)掃描透鏡組 ， 一個(gè)作垂直掃描 ， 一個(gè)作水平掃描 。 當(dāng)掃描器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 從景物到達(dá)探測(cè)器的光束隨之移動(dòng) ， 在物方空間掃出像電視一樣的光柵 。 或者說(shuō) ， 光機(jī)掃描器構(gòu)成的景物圖像依次掃過(guò)探測(cè)器 ， 探測(cè)器依次把景物各部分的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ， 再經(jīng)視頻處理放大器處理后輸出 ， 送到電視監(jiān)視器 。 第 8章 特殊成像電視 紅外探測(cè)器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器 。 一般需在低溫下工作 ， 其特點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高 ， 響應(yīng)速度快 ， 但每一種光子探測(cè)器都有一個(gè)截止波長(zhǎng) ， 超過(guò)此波長(zhǎng)探測(cè)器將無(wú)響應(yīng) 。