【正文】 。而光學(xué)系統(tǒng)上的灰塵、視場局部被遮擋、測試空間有煙霧、灰塵和測距變化等等[15]，只要它們對這兩個波段的輻射功率的影響近于相同，這些因素對測量結(jié)果就無顯著影響[16]。根據(jù)色溫的定義，假定有λ1~（λ1+△λ）和λ2~(λ2+△λ)兩個波長范圍，且△λ選為單位波長，λTξ2。一般說來，λ1和λ2越接近，和相差就越小，測量誤差也就越小?？梢?，這兩方面的要求是矛盾的。即 （112）式中αi(T)是與溫度有關(guān)的多項式的系數(shù)。通常情況下只取兩項就可以達到足夠的精度。就是根據(jù)上述理論研制的。 發(fā)射率和環(huán)境因素對紅外測量儀的影響 發(fā)射率對紅外測量儀的影響發(fā)射率是指在相同的幾何條件和光譜條件下，實際物體與同溫度黑體的輻射能通量之比[20]。因而用公式(13)、式(18)和式(110)定標(biāo)的全輻射測溫儀、單色測溫儀以及比色測溫儀，其指示溫度都不是被測物體的真實溫度[22]。由式(15)、式(19)和式(111)可計算出在T=1000℃時，發(fā)射率對測溫儀示值誤差(△T)的影響。表11材料發(fā)射率對三種紅外測溫儀的示值影響 (℃)Table 11 The effect of some material on three kind of infrared reading材料單色測溫儀比色測溫儀全輻射測溫儀1全波段SiC9513820414916石墨145188142726911WC381 381651010147269021從表11看出，物體發(fā)射率對紅外測溫儀的測量精度有很大的影響[24]。這種依賴關(guān)系很容易受表面狀況——包括表面粗糙度、氧化層的厚度、物理或化學(xué)雜質(zhì)等的影響。菲涅爾定律揭示出材料的熱輻射是偏振的，并取決于發(fā)射角和折射率，據(jù)此，法國MCC公司研制出通過測量3次偏振光亮度，求出材料的發(fā)射率和真實溫度的T400型測溫儀，從而在原理上解決了發(fā)射率的影響。環(huán)境因素對紅外測溫儀的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，自紅外源發(fā)出的輻射，大都要經(jīng)過一定距離傳輸才能被紅外探測器接收。非干燥大氣中吸收紅外線最強烈的是水蒸氣和二氧化碳?！?、[27,28]。由于大氣的吸收和散射，使紅外輻射發(fā)生衰減，嚴(yán)重時，可以使紅外儀器無法工作。表12提供感受波長范圍為[9μm,12μm]的測溫鏡頭，環(huán)境溫度在270 K至330 K范圍內(nèi)，對從300 K至1 300 K目標(biāo)溫度進行測量時產(chǎn)生的能量誤差(%)。因而紅外測溫儀的測量誤差就越大。雖然熱電堆所做的儀器在響應(yīng)速度、精度等方面都能達到較高的要求，但它有很大的局限性，如信號強度小，非線性，電損耗大，儀器重，成本高。我國在這方面的起步較晚。在此之前，完全不與人體接觸、又滿足醫(yī)療測量精度的要求的體溫計，還沒有面世。耳道式體溫測量儀在測量的時候需將探頭插進人的耳道內(nèi)[32]，而“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”在測溫時需對準(zhǔn)人的口腔，且其遠(yuǎn)距離測溫易受外界環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致測量精度的下降。℃℃,精度要求為177。但目前使用的紅外測溫儀即使其精確度指標(biāo)為1%，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到測量體溫的精度要求。提高醫(yī)用紅外測溫儀的測量精度，必然要考慮外界環(huán)境溫度對它的影響。非接觸、高精度醫(yī)用紅外測溫儀的研究，對于在公共場合、大流量人群的快速檢測具有重要的意義。本課題為自選課題。為了提高紅外測溫儀的精度，課題中對外界環(huán)境溫度采取了軟件補償?shù)姆椒ā＜t外光學(xué)系統(tǒng)的使用可大大提高靈敏面上的照度，從而提高儀器的信噪比，增大系統(tǒng)的探測能力。第二、理論上，測溫儀的測量距離為0∞。輻射傳遞通路上的介質(zhì)吸收和固體遮擋物等因素將直接影響測溫的精確度。第三、在含透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于透鏡材料對不同波長的光有不同的折射率，使成像平面的位置不同。常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式，即透射式光學(xué)系統(tǒng)（輻射束通過其中的折射介質(zhì)）；反射式光學(xué)系統(tǒng)（輻射束受到其中一個或幾個反射鏡的反射）；組合式光學(xué)系統(tǒng)（由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成）。透射式光學(xué)系統(tǒng)有如下兩種結(jié)構(gòu)：(1)單透鏡如圖21所示。(2)組合透鏡組合系統(tǒng)由若干個單透鏡組成，如圖22所示。由于紅外波段的范圍較寬，能滿足各種物理上、化學(xué)上、機械上性能要求的紅外透光材料不多。為了減小色差，常采用反射式光學(xué)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。(2) 卡塞格倫系統(tǒng) 卡塞格倫系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是雙曲面如圖24所示。(3)格利高利系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是橢球面。與透射式光學(xué)系統(tǒng)相比，反射式光學(xué)系統(tǒng)具有材料要求不高、重量輕、成本低、光能損失小、不存在色差，且能有效減小系統(tǒng)慧差等優(yōu)點。－透射組合式光學(xué)系統(tǒng)無論透鏡式光學(xué)系統(tǒng)還是反射式光學(xué)系統(tǒng)都存在多種像差，如球差、慧差、像散、畸變、像面彎曲和色差等。此外，像差也依賴于透鏡的曲率半徑、厚度，以及透鏡間的空氣間隙。但這種系統(tǒng)往往體積大，加工困難，成本也較高。根據(jù)校正板厚度的變化來校正球面鏡的像差。它所采用的透鏡是負(fù)透鏡，用以校正球差，但色差較大，故常將此透鏡做成膠合消色差透鏡。(3) 馬克蘇托夫系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主鏡為球面鏡，與曼金折射－反射鏡相似，仍采用負(fù)透鏡校正球面鏡的球差，但讓負(fù)透鏡與球面鏡分離，利用形狀與位置兩個自由度，可以消去更多的像差，其像質(zhì)必然比曼金折射－反射鏡有更大的改進[34,35]。因工作波段取決于被測目標(biāo)的發(fā)射特性和輻射傳遞通路中介質(zhì)的特性，這兩者是無法改變的。~15μm之間，其中8~14μm波段輻射能占人體總輻射能的46%。因而確定測溫儀的工作波段在8~14μm之間。同時為了減小光學(xué)系統(tǒng)的光能損失，選擇了鍺單透鏡作為物鏡。在圖27中，設(shè)從空氣中（近似真空）距透鏡為u的點O發(fā)出的一條光線射向透鏡，由于透鏡的折射作用，經(jīng)A、B兩點后，成像在I點上。C1A和C2B分別為透鏡的曲率半徑r1和r2。yy2分別為A點、B點至光軸的距離。假定角度θθββ2都很小，則它們的正弦值可表示成它們的弧度值。由此可得 (22)令 焦則式中f焦為透鏡的焦距。 有幾個原因影響透鏡成像公式的準(zhǔn)確性，這些因素是：(1)薄透鏡前面推導(dǎo)透鏡成像公式時，假定透鏡非常的薄。即使是雙凸的對稱透鏡，也不能太厚。(3)球差由于透鏡的形狀為球面，這造成了非近軸光的成像面不能重合，這種誤差就是通常所說的球差。另外，像散和畸變也都和球差有關(guān)。(4)色差構(gòu)成透鏡的材料對不同波長的折射率不同所造成的像差稱為色差。因此，只能在光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)排列上采取措施，將探測器放在測量波段的像平面上，不放在可見光的像平面上。鑒于上述幾個方面的原因，選擇直徑為20 mm，焦距為40 mm的鍺透鏡作為物鏡，以便透過9~10μm的人體紅外輻射?？讖焦怅@安裝在焦距前方10 mm處，以消除雜散光的影響。在上式中Φ是透鏡的通光孔徑，v是像距，約等于40 mm，a是孔徑光闌到探測器的距離。紅外探測器是紅外測溫儀的重要組成部分，它的主要功能是測定紅外輻射的大小并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ǘ鄶?shù)情況是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┮员銘?yīng)用。按探測器的工作機理區(qū)分，可將紅外探測器分為光子探測器和熱探測器兩大類[36]。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。光子探測器有下列四種類型：(1)光電子發(fā)射器件當(dāng)光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體表面時，如果入射光子能量hν足夠大，它就能和物質(zhì)當(dāng)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，屬于外光電效應(yīng)。即 (26)式中，是光電流，I是入射光強，S是該陰極對入射光線的靈敏度。該式常被稱作光電轉(zhuǎn)換定律。該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射，就此推出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為 （29）截止波長 （210）入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大，照射時間有多長，都不會有光電子發(fā)射。大部分光電子發(fā)射器件只對可見光起作用。一種叫做S1的銀氧銫(AgOCs)光電陰極，另一種叫做S20的多堿(NaKCsSb)光電陰極。屬近紅外光電陰極。近年來，在窄禁帶半導(dǎo)體上生長一層GaAs再鍍一層銫的復(fù)合陰極，可以探測較長波長的紅外輻射。光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖如圖29所示。此時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，稱為半導(dǎo)體的暗電導(dǎo)，用σ0表示，且 （211）式中，e為電子電荷，ne和μe分別是無光照時導(dǎo)帶電子密度和遷移率；p和μp分別是無光照時價帶空穴密度和遷移率。若光功率P沿x方向均勻入射，光電導(dǎo)材料吸收系數(shù)為α，則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為 （213）式中，P為x=0處的入射光功率。則探測器收集極上的光電流平均值為 （215）將式(214)代入，則光電流平均值為 （216）n(x)與光生載流子的產(chǎn)生復(fù)合率有關(guān)，若非平衡載流子平均壽命為 ，則復(fù)合率為，產(chǎn)生率為，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復(fù)合率相等，由此得 （217）于是光電導(dǎo)探測器輸出的平均光電流為 （218）同時求得，當(dāng)入射光功率全部被吸收時，探測器體內(nèi)的平均光生載流子濃度為 (219)此時的光電流為 (220)根據(jù)量子效率的定義 (221)可求得 (222)式中為外電場下載流子在電極間的渡越時間，為光電導(dǎo)探測器的內(nèi)部增益，表示一個光生載流子對探測器外回路電流的有效貢獻，它是光電導(dǎo)探測器的一個特有參數(shù)。G的大小隨實用條件和器件本身的結(jié)構(gòu)不同，可在10 ?3和103量級間很寬的范圍內(nèi)變化。光電導(dǎo)探測器可分為單晶型和多晶薄膜型兩類。單晶型光電導(dǎo)探測器，早期以銻化銦(InSb)為主，只能探測7以下的紅外輻射，后來發(fā)展了響應(yīng)波長隨材料組分變化的碲鎘汞和碲鎘鉛三元化合物探測器。摻雜型紅外探測器，主要是鍺、硅、和鍺硅合金摻入不同雜質(zhì)而制成的多種摻雜探測器。摻雜探測器在歷史上起過重要的作用，今后在遠(yuǎn)紅外波段仍有重要的應(yīng)用。光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。以pn結(jié)的光伏效應(yīng)為例。光生電勢差導(dǎo)致的光生電流Ip方向與結(jié)電流方向相反，而與pn結(jié)反向飽和電流I0同向，且Ip≥I0。設(shè)n區(qū)中空穴在其壽命τp時間內(nèi)擴散距離為Lp，p區(qū)中電子在τe時間內(nèi)擴散距離為Le，一般情況下，遠(yuǎn)大于pn結(jié)寬度，因而可得，結(jié)附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子對光電流有貢獻，此外的電子空穴對在擴散過程中將復(fù)合掉，對pn結(jié)光伏效應(yīng)無貢獻。光伏效應(yīng)下pn結(jié)總電流 (223)式中E為光照度；V為結(jié)電壓；T為絕對溫度；A為光照面積。短路電流定義為光照下pn結(jié)外電路短路(即V=0)時，從p端流出，經(jīng)過外電路流入n端的電流 (225)可見它在弱光照射下與E呈線性關(guān)系[37]。 (4)光磁電探測器如下圖211所示。這種現(xiàn)象叫做光磁電效應(yīng)。目前制成的光磁電探測器有InSb、InAs和HgTe等。因為對于大部分半導(dǎo)體，不論在室溫或是在低溫下工作，這一效應(yīng)的本質(zhì)使它的響應(yīng)率比光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)率低，光譜響應(yīng)特性與同類光電導(dǎo)或光伏探測器相似，工作時必須加磁場又增加了使用的不便，所以人們對它不再感興趣了。入射光子能量大于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg(或雜質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離能ED或EA)就能激發(fā)出光生載流子。測量這些物理性能的變化就可以測量出它所吸收的能量或功率。（1）熱敏電阻 熱敏電阻的阻值隨自身溫度的變化而變化。熱敏電阻基本上是用半導(dǎo)體材料制成的，有負(fù)電阻溫度系數(shù)和正電阻溫度系數(shù)兩種。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻值與絕對溫度的關(guān)系為 (227)式中為熱敏電阻溫度為時的電阻；為熱敏電阻溫度為時的電阻；β為與熱敏電阻材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。一類是鈦酸鋇結(jié)構(gòu)的化合物，另一類是金剛石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。為了在確保視場的情況下提高探測器靈敏度，熱敏電阻探測器常制備成浸沒型。熱電偶是基于溫差電效應(yīng)工作的。也稱塞貝克(See