显微热成像系统的噪声等效温差和噪声等效辐射率差模型及其分析

1 4 F 2 D NA 2
0T 0
# T NET D0 .
( 10)
由于随着显微物镜倍率的增加, D NA 逐步减小, 故显微热成像系统随着倍率的增加, 其噪声等效温 差将随之增大 , 即在大倍率条件下显微热成像系统 的温度分辨力将下降 . 例如 , 采用某非制冷焦平面 探测器组件 , 其 #T NE TD 0 ∋ 100 mK ( F = 1) , 采 用 2 倍的显微红外 物镜, 其 D NA = 0 44, 若 忽略物镜透
[ 8- 9] [ 7]
图3
显微成像系统的成像光路图
Fig. 3 Pat h of rays in m icro thermal imaging
对于一般在空气中使用的显微成像, n 0 = n 1 # 1, 且光瞳放大率 ! p = d∃ 0 / d 0 = 1, 这里 d 0 和 d ∃ 0 为物 镜物方和像方孔径 .
B, 则目标与背景分别在探测器单元
M 0( , T T ) + d0 2
2
B M 0(
, T B) ] !
ab 0 ( )
d0 2
B
2
+ l∃2 # !
# M 0 ( , T B) +
2
M 0 ( , T B) #T T
2
#T NE TD =
d0 d0 ab 0 ( ) + l∃2 . ( 5) 2 2 式中: #T = T T - T B 为目标与背景温差; # = T B
收稿日期 : 2006 07 20 基金项目 : 北京市自然科学基金资助项目 ( 4062029) 作者简介 : 高美静 ( 1977 ) , 女, 在职博士生 , E mail: mat labgirl@ bit . edu. cn; 金伟其 ( 1961
) , 男 , 教授 , 博士生导师 .
第1期
式中: c1 为第一辐射常数, c1 = 3 741 8 ! 10-
c 2 为第二辐射常数, c 2 = 1 438 8 ! 10- 2 m ∀K . 描述热成像系统性能有一系列性能参数, 如瞬 时视场 IF OV 、 调制传 递函数 MT F 、 噪声等效 温差 NET D、 最小可探测温差 M DT D 和最小可分辨温差 M RT D 等, 其中 NET D 是衡量热成像系统 温度分 辨特性的基本参数 . 对于显微热成像分析, 通常不仅关注物体的温 度细微分布 , 而且也希望了解物体表面的辐射特性 分布, 故评价显微热成像系统的性能还需要噪声等 效辐射率差 NEED
Abstract: T o provide means for minut e sized t herm al analysis for L SI, biomedical engineering and scient ific research, m icro thermal imaging systems w ere designed. Bot h the mathematical mode of noise equivalent tem perature dif ference ( NET D) and the noise equivalent eradiat ion dif ference ( NEED) are est ablished for micro thermal im aging syst ems. T he diff erence bet ween the m icro patt ern w it h the telescopic patt ern is analysed. Based on t he ideal phot on det ect or and ideal t hermal det ect or, the relat ionship betw een NET D and NEED is st udied. T he derivat ion and simulat ion demonst rates that t he relat ionship bet ween t hem is nonlinear based on t he temperature of background. Some suggest ions are g iven t o improve im age qualit y. Key words: micro t hermal imaging ; noise equivalent t em perat ure dif ference; mathematical model; noise equivalent eradiation difference 目前热成像技术在军事侦察与观瞄、 工业故障 检测、 医学辅助诊断和科学研究领域已获得成功的 广泛应用 [ 1] , 但大 多数 热成 像系统 为望 远工 作模 式 , 并不适宜在大规模集成电路芯片、 MEM S 器件、
为物体辐射率 ( 辐射系数 ) , 通常是 T 和 c1
5
M 0 为黑体光谱辐射出射度, 由普朗克公式表示为 M 0( , T ) = exp( c2 / T ) - 1 .
16
) 为显微物镜的光谱透射比 ; n 0 和 n 1 分
1
( 2) W∀m2 ;
别为显微物镜物像空间的折射率 ; 2 u 1 为显微物镜 像方孔径角 .
) ab
d0 2
2
d0 2 + l∃2 , 2 式中 l∃为像距. 设目标温度 为 T T , 发射 率为 T B, 发射率为 # ∀( ) = [ 上的光谱辐射通量差为
T
( 4)
T ; 背 景温度 为
即为显微热成像系统 的普遍表 达式. 在一 些条件 下 , 表达式可以进一步简化 . & 与望远模式热成像系统噪声等效温差关系 按照显微热成像系统的结构 , 目前一般采用现 成的热成像组件配备相应的显微物镜、 图像采集与 处理系统以及显示器. 由于热成像组件的性能指标 中大多给出了其在特定 F = d 0 / f ∃( 其中 f ∃为光学 系统像方焦距) 和光学透射比 0 T 条件下的噪声等 效温差 NET D0 , 则用其构造显微热成像系统时, 系 统的噪声等效温差可表示为
微热 成像系统的噪声等效温差 ( N ET D) 和噪声等效辐射 率差 ( N EED) 模 型 , 分 析了 显微 热成像 与望 远模式 热成 像 的差 异 . 针对理想光子探测器和理想热探测器 , 探讨了显微热成像系统的 N ET D 和 N EED 的 关系 . 理论推导及 仿 真结果表明二者是以背景温度为函数的非线性关系 . 从理论上给出了提高显微热成像质量的一些建议 . 关键词 : 显微热成像 ; 噪声等效温差 ; 数学模型 ; 噪声等效辐射率差 中图分类号 : T N 211 文献标识码 : A
( 1 Depar tment of Optical Eng ineering, School of I nformation Science and T echnolog y, Beijing Institute of T echnology, Beijing 100081, China; 2 Depar tment of Photoelectronics, Yanshan U niversity, Qinhuangdao, Hebei 066004, China)
Fig. 1
由于显微热成像系统与望远模式的热成像系统 特点的不同 , 作者将研究显微热成像系统的温度分 辨特性 , 以便 对显微 热成 像系 统的研 制提 供理 论 指导 .
2
系统的 NETD 和 NEED 模型
1
系统原理与结构
2 1 系统接收的景物辐射通量 如图 3, 设目标景物是郎伯辐射体 , 物空间微面 元 d s 0 经过透射比为 0 的成像物镜后照射在微面 元 d s 1 上的辐照度[ 6] 235 为 E( , T )= ( , T ) M 0( , T )
高美静等 : 显微热成像系统的噪声等效温差和噪声 等效辐射率差模型及其分析
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生物医学和科学研究等需要显微热成像分析的条件 下使用. 为此 , 国外 20 世纪 90 年代开始研究显微 热成像技术 ( 如图 1) , 但由于价格较高, 显微热成像 产品的普及程度远低于其它领域 . 国内只有少量进 口热显微镜的使用报道, 尚没有专门的热显微镜产 品推出[ 24]
为目标与背景辐射率差 ; M 0 ( , T B ) / T 为 T 噪声等效温差 按照定义[ 6] 236 , 噪声等效温差可表示为 #T
NET D =
B
时黑体光谱辐射出射度相对温度的变化率. 2 2
高美静
摘 1, 2
,
金伟其 ,
1
王霞 ,
1
王岭雪 ,
1
陈翼男 ,
1
杜书春
1 066004)
( 1 北京理工大学 信息科学技术学院光电工程系 , 北京
100081; 2 燕山大学 光电子 系 , 河北 , 秦皇岛
要 : 提出一种可用于大规模集成芯片、 生物医学和科学研 究等显微热 诊断的显 微热成 像设计 方案 . 研究了 显
第 27 卷 第 1 期 2007 年 1 月
北 京 理 工 大 学 学 报 T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y
Vol. 27 No. 1 Jan. 2007
文章编号 : 1001 0645( 2007) 01 0050 05
显微热成像系统的噪声等效温差和噪声等效 辐射率差模型及其分析
Study on the Noise Equivalent Temperature Difference and Noise Equivalent Eradiation Difference Mathematical Models for Micro Thermal Imaging Systems
GAO M ei jing 1, 2 , JIN Wei qi1 , WANG Xia1 , WANG L ing x ue1 , CHEN Yi nan1 , DU Shu chun1
根据需要设计了一种可用于大规模集成芯片、 生物医学和科学研究等显微热诊断的显微热成像系 统 . 该显微热成像系统由显微红外物镜、 热成像 ( 非 制冷 / 制冷焦平面探测器) 组件、 监视器或计算机处 理系统 ( 包括图像采集卡、 图像分析与处理系统、 显 示器和打印机等) 组成 , 图 2 是基于非制冷焦平面探 测器组件的显微热成像系统组成框图. 显微物镜将 物体发出的辐 射聚焦成像在非制冷焦 平面探测器 上 , 输出模拟 / 数字视频信号, 可以直接在视频监视 器上显示或通 过计算机处理系统进行 数字图像处 理、 分析、 储存和输出.
.
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北 京 理 工 大 学 学 报
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第 27 卷
面积为 a ! b 的探测器单元接收物体的光谱辐 射通量为 ∀ ( , T ) = E ( , T ) ab = ( , T ) M 0( , T )
0(
式 ( 8) 可得 #T NET D = #f n A d W T ( T B) 1 , 2 D NA 0 ( 9)
0( )
由于自然界物体只要温度高于 - 273 13 就 会向外 辐 射能 量, 其 光谱 辐 射 出射 度 M 可 表 示 为[ 6 ] 41式中:
43
M( , T )=
( , T ) M 0( , T ) .
( 1) 的函数 ;
为辐射波长; T 为物体的热力学温度( K ) ; 式中:
0(
n2 1 sin 2 u 1 . n2 0 ( 3)
. 近年来, 非制冷焦平面热成像技术的
发展为低成本的显微热成像系统的研制和应用推广 提供了良好条件 [ 5 ] .
图1
Nokia 手机微芯片的可见光图像与显微热图像 V isible image and micro therm al image of a micro CM O S chip of N okia 图2 Fig. 2 基于非制冷焦平面探测器组件的显微热成像系统框图 Block diagram of micro thermal imaging wit h uncooled focal plane array infrared det ect or