红外成像系统

分子有选择地吸收一定波长的红外辐射
• 大气对 1～15µm红外线的透过率曲线
大气透过率/%
100 80 60 40 20
2
4
6
8
10
12
14
16
18
• 大气窗口: 1～2.5 µm 、 3～5 µm , 8～14 µm
20 波长/ µm
§ 1 红外辐射的基本概念
六、红外辐射在介质中的传输
• 红外光学材料的透过率曲线
§ 1 红外辐射的基本概念
一、黑体－－理想的辐射体：全部吸收或全部辐射
红外电磁波的辐射率、吸收率与波长、表面温度无关，并且等于1 。
• 一般物体的辐射率和吸收率都小于1
• 物体的比辐射率 ： ε = I / Ib
石墨及黑色漆面：ε ≈ 0.98； 抛光的铝表面： ε ≈ 0.05 砖、混凝土： ε ≈ 0.92～0.93 人体 : ε ≈ 0.98 水、冰: ε ≈ 0.96
§ 1 红外辐射的基本概念
• 可见光：＝ 0.38～0.78 µm • λ< 0.38 µm: 紫外辐射、x 射线、γ射线和宇宙射线， • λ>0.78 µm: 红外辐射、微波和无线电波。 • 红外的三个区域：
近红外: 0.78～3.0 µm 中红外: 3.0～20 µm 远红外: 20～1000 µm • 任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射。
露。
绿色草木
粗糙混凝土
100
80
暗绿色漆
பைடு நூலகம்
60
40
20
反射比/%
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0 波长/ µm
图5-5 典型目标的反射曲线
§2 主动式红外成像系统
二、 光学系统
光学设计消像差范围与变像管光阴极灵敏度范围相吻合
1. 成像系统的基本光学性能
（1）视场：物镜 ϖ = arctg(De / fo ')
倍压整流 电路
直流高压
目标
红外探照灯
物镜组
红外变像管
目镜组
眼睛
§ 2 主动式红外成像系统
• 工作波长：红外变像管光阴极响应谱区，0.76~1.2µm
• 利用目标和自然界景物之间红外反射能力的显著差异
• 比可见光受大气散射的影响小，而较易通过大气层
• 主动照明：全黑条件下工作，较大反差、清晰图像。但易于暴
图5-7 l=1220米时的选通时序图
§2 主动式红外成像系统
激光脉冲宽度：100～200ns
对应物方传输空间： 30~60m
脉冲发生器
延时计数器 延时调节器
延时器
激光器
准直 光学
大气
目标
脉冲长度
临控
调节器
脉冲
选通 像管
成像 光学
高压供电
信号 输出
图5-8 选通成像系统框图
§ 2 主动式红外成像系统
（2）放大率
M = tgϖ ' = − fo ' × β
tgϖ
fe '
目镜
ϖ'=
arctg (Ds
/
f
' e
)
β：变像管放大率
（3）分辨率
θ
=
1
β × m'× fo '
m：光阴极面分辨率（线对／mm〕
（4）入瞳、出瞳
物镜系统：孔径光阑－－物镜框；视场光阑－－光阴极有效面积
目镜系统：出瞳－－人眼瞳孔；视场光阑－－荧光屏有效成像面
物体的红外辐射能量密度W 与其自身的热力学温度T 的 四次方成正比，并与它表面的比辐射率ε 成正比。
W = εσT 4
σ －－斯蒂芬－玻耳兹曼常数，5.6697× 10−12 W / cm2K 4
推论：物体的温度愈高，其红外辐射能量愈多
108
1 07
§ 1 红外基本概念
1 06
辐射能量密度/ W/cm2. m
以保证工作时视度调整。 （e）像差矫正： 视场大→轴外像差
口径大→球差和彗差 荧光屏和人眼低光度下的光谱特性→ 色差。
§ 2 主动式红外成像系统
（3）对角放大率的选择
(a) 放大率M： M = σ m α
α：最小能分辨目标对仪器的张角；
σ m：变像管观察灵敏阈对应的最小视角。
(b) 放大率与视场
M = tgϖ ' = − fo ' × β
荧光物质:硫硒化锌—铜[Zn（S， Se）·Cu]、
硫化锌镉—银[（ZnCd）S·Ag]、硫化锌—铜（ZnS·Cu）
阳极锥电极 荧光屏
光学纤维
§ 2 主动式红外成像系统
2. 直流高压电源
变像管和像增强器需要很高能量－－由高压电源提供。 变像管：1.2万～2.9万伏 微光像增强器：几千～几万伏
• 主动式红外成像系统对高压电源的要求：
相对辐射、透过、接受率
1
2
3
五、 红外探照灯
1. 对红外探照灯有下列要求 （1）光谱有效匹配，
有高的辐射效率。
（2）光束散射角与视场角基本吻合。
（3）红光暴露距离要短。
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
/m
（4）易调焦，滤光片和光源更换方便。 2-光源、3-滤光片和1-光电阴极光谱匹配曲线
（5）体积小、重量轻、寿命长、工作可靠。
τd
= Tf m
= αβ T f Wα W β
若探测器为n元并联线列探测器时：
τ d ' = nτ d
= α × βT f Wα W β
×n
考虑空载时间： Tf 乘以扫描效率，
注意探测器驻留时间应大于探测器的时间常数
¤ 3 红外热成像系统
一、光学系统
• 光机扫描型系统：以瞬时视场为单位，用光机扫描的方法来
• 从光阴极得：仪器分辨角： • 结论：物镜焦距、仪器放大率、
θ= 1
m× fo'
(rad)
光阴极面的分辨率之间满足： fo '≥ 573M / m
m--变像管光阴极面的分辨率
经验公式：
αe
=
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛
β
× 3438' mfe '
⎟⎟⎠⎞1.25
⎤ + 1⎥
⎥⎦
1
1.25
≈
6'
§2 主动式红外成像系统
§ 1 红外辐射的基本概念
二、 基尔霍夫定律
• 当几个物体处于同一温度时，各物体发射红外线的能力正 比于它吸收红外线的能力。
• 当物体处于红外辐射平衡状态时，它所吸收的红外能量， 总恒等于它所发射的红外能量。
推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。
§ 1 红外辐射的基本概念
三、 斯蒂芬—玻耳兹曼定律
• 非扫描凝视型：利用多元探测器面阵，使探测器中的每个单元与 景物的一个微面元对应。近几年来得到了发展。
• 热释电摄像：非光机扫描，采用热释电材料作靶面制成热释电摄 像管，可直接利用电子束扫描技术，制成电视摄像型热像仪。
¤ 3 红外热成像系统
热成像系统的基本技术参数:
1．瞬时视场（IFOV）
是探测器线性尺寸对系统物空间的两维张角：α = a , β = b
三、 红外变像管
• 系统的核心，完成从近红外图像到可见光图像的转换与图像增强。
1．红外变像管的工作过程
• 红外光阴极 银氧铯（Ag-O-Cs）光敏层。
光学纤维
阴极外筒
电子轨迹
峰值灵敏度：0.8µm ，
长波上限为1.2µm ，
光灵敏度为30～40 µA/lm,
• 电子光学系统
静电聚焦系统 • 荧光屏
红外光阴极
光学机械扫描式；面阵成像器件式。 • 50年代：美国陆军第一台热像记录仪
萨默(A.H.Sommer)发明Sb-K-Na-Cs光阴极－－微光成像 • 60～ 70年代：红外成像仪大规模应用在军事装备上； • 80年代：凝视型IRCCD迅速发展，便携式小型化红外系统 • 90年代：非制冷红外面阵热像技术的发展，运用于工业检测。 • 21世纪：高象素、小型化、低成本方向发展。
红外成像系统
徐之海
绪
论
• 红外成像系统将红外图像转变为可见光图像 • 红外夜视系统－－主动式近红外成像
运用物体对红外辐射的不同反射特性而进行成像。
• 热成像系统－－被动式红外成像
是运用物体自然发射的红外辐射进行成像。
红外成像简史
• 1929年柯勒（L. R. Koller）发明了Ag-O-Cs光阴极。 • 30年代中期：红外变像管、蒸汽热像仪。 • 40年代初期：红外夜视系统研制成功并应用于实战。
2. 红外光源
电热光源（如白炽灯）；气体放电光源（如高压氙灯）；
半导体光源（如砷化镓发光二极管）；
激光光源（如砷化镓激光二极管）
¤ 3 红外热成像系统
热图像：再现了景物各部分温度和辐射发射率差异；
显示出景物的特征。 光机扫描型红外热成像系统：
瞬时视场
光学系统
水平扫描
总视场
垂直扫描
探测器 放大器
对/mm时，MTF不低于75%。
§ 2 主动式红外成像系统
（2）对目镜的要求：
（a）合适的焦距。决定放大率；一般在20mm左右， （b）足够的视场。通常取在30°与90°之间。 （c）合适的出瞳距离和出瞳直径。
一般出瞳直径：人眼夜间7mm。 出瞳距离：一般观测：12～15mm， 炮和车瞄准：25～50mm。 （d）适当的工作距离（目镜前表面和前焦点之间的距离）。
若探测器为矩形，尺寸为a×b