红外线成像介绍

利用入射光子流与探测材料中电子之间直接相互作用，
从而改变电子能量状态，引起各种电学现象称为光子效应。
根据引起光子效应的大小可以测量被吸收的光子数。 并依据所产生的不同电学现象，可制成各种光子探测器 。
二、 光子探测器
光子探测器几种类型：
(1) 光电子发射探测器 (2) 光电导探测器
(3) 光-伏探测器 (4) 光磁电探测器
功率，与辐射的光谱分布无关。 原则上讲，热探测器是一类无选择性的探测器。热探测
器的响应时间较长（一般为几毫秒或更长些）。
一、热探测器
热探测器几种类型： (1) 测辐射温差热电偶和热电堆 (2) 金属和半导体热敏电阻热辐射探测器
(3) 热释电探测器
(4) 气动红外辐射探测器
二、 光子探测器
红外光子探测器
红外线成像介绍
内容
第一节 红外探测器
第二节 红外热像仪 第三节 热断层成像
第一节 红外探测器
一、热探测器 二、光子探测器 三、成像探测器
第一节 红外探测器
电能（探测器）
红外辐射能 红外探测器 转变
电压、电流等（传感器）
从F.W.赫歇尔发现红外线时使用的涂黑灵敏温度计开始，
随着固体物理学及半导体物理与器件的发展，根据红外辐射
因发射率 ε< 1 发射率越小 故辐射温度总低于真实温度 辐射温度与真实温度相差越大
ελ
一、医用红外热像仪的原理
2.单色测温原理 通过测量目标在某一辐射光谱波段内的辐射功率来确定目标温 度，所得到的是物体的亮温度
亮温度定义
即物体的亮度是在某一特征波长物体与温度为T的黑体光谱辐 射出射度相等 ，如目标的光谱发射率 ε λ已知
的像平面上,它将响应像上该点的平均辐照度
如果移动光学系统或探测器，使它在像平面上扫描,则 可得到像平面上辐射分布的按时间顺序排列的“图像” , 它正好对应于物面的辐射分布
三、成像探测器
成像探测器 由无数个单元探测器构成
两类探测器的关键差别是 观测时间不同 成像探测器对整个像不间断地响应,而单元探测器则必 须依次探测各个像素,由此可将多个单元探测器按线阵 或面阵的结构组合成多元列阵成像探测器.
不同物体发射率差异很大 不能只通过单一测量辐射出射度来测量温度。
一、医用红外热像仪的原理
1.全辐射测温原理 通过黑体定标 设黑体的温度为 Tb 所对应的辐射出射度为
M bT σ T
4 b
若两者的接受辐射出射度相同，应有如下关系：
M T εσT 4 M bT σTb4
Tb 4 ε 所得到的温度称为物体的辐射温度 T
ε λ M λT M λT1
从 Mλ

λ Δλ
λ
ε λC1 λ 5 [exp( C2 /λT ) - 1]1 dλ
可知测温仪接收到的辐射出射度只与温度有关 取λ为单位波长 在 λT <<C2 时
M λ ε λC1 λ [exp( C2 /λT )]
5
1
一、医用红外热像仪的原理
(2) 热像管（光热离子变像管） 根据光电子发射随温度的变化而制成的热敏成像器件
三、成像探测器
3. 红外电荷藕合器件（CCD):
以金属-氧化物-半导体技术为基础 以少数载流子作为信息代表存储于MOS电容器的反型
层中，并通过电极下势阱进行传输。
主要用于成像、存贮和模拟延迟等方面
第二节 红外热像仪
一、医用红外热像仪的原理
三、成像探测器
按其工作原理可分成下列几种类型： 1.热释电摄像管
不同温度分布 产生不同表面电荷分布
特殊热电材料靶面 形成由图像产生电荷分布 扫描电子束读出
三、成像探测器
2.光电子发射型成像探测器:
利用光阴极的外光电效应制成的成像器件。 两种使用较广的成像探测器： (1) 变像管 将红外图像变为可见光图像
2.单色测温原理 用黑体标定 温度TBB 的黑体辐射能量应等于温度T 的目标辐射能量
ε λC1 λ 5 [exp( C2 /λT )]1 = C1 λ 5 [exp( C2 /λTb )]1
于是得
T / T λTb ln( ε λ /C2 )
Fra Baidu bibliotek
测试波长选的越短由发射率引起的误差就越小 测量低温目标宜选用长波波长
二、医用红外热像仪的性能与参数
三、红外热像仪的特点与临床应用
一、医用红外热像仪的原理
目标的本身和背景之间的红外线差 形成
热红外线形成的图像称为热像图 目标的热像图与目标的可见光图像不同 不是人眼所能看到的目标可见光图像 而是目标表面温度分布图像 表面温度分布 （不能直接看到）
红外图像
转变
热像图 （可以看到）
一、医用红外热像仪的原理
1.全辐射测温原理 通过收集目标发出的整个光谱范围内的全部辐射能 量来确定物体温度的方法
只在较宽波段范围内接受总辐射能的大部分辐射能量
根据史蒂芬-玻尔兹曼定律
M T ελC1 λ 5 [exp( C2 /λT ) - 1]1 dλ εσT 4
0

物体表面的辐射功率不仅决定于温度T 还依赖于物体表面的发射率ε
与物质相互作用时产生的各种次级效应，到目前已研制出多 种结构新颖、灵敏度高、响应快的红外探测器。
第一节 红外探测器
红外探测分类 ：
按工作温度分
低温探测器(需液态He 、Ne 、N2致冷) 中温探测器(工作温度在195～200K热电致冷) 室温探测器
近红外探测器
按响应波长范围 中红外探测器 远红外探测器 单元探测器 按结构和用途 多元列阵探测器 成像探测器
一、热探测器
根据入射辐射的热效应引起探测材料某一物理性质变化而工作 探测材料因吸收入射红外辐射 温度升高
产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化 或者气体体积与压强变化等
测量这些物理性质的变化就能够测量被吸收的红外辐射功率
一、热探测器
热探测器是依据辐射产生的热效应来测量入射辐射能量
的吸收速率。或者说，热探测器的响应只依赖于吸收的辐射
测量高温目标宜选用短波波长
一、医用红外热像仪的原理
hν hc/ λ
二、 光子探测器
与热探测器不同，光子探测器是探测光子数的吸收速 率，探测器的响应正比于单位时间吸收的光子数。而且， 欲使材料中的电子从体内逸出，或从束缚态激发到自由导 电状态，吸收的光子能量 hν hc/λ必须超过某一确定值。
三、成像探测器
单元探测器
对景物依次扫描时能形成图像,将单元探测器置于景物