红外成像系统

银氧铯（Ag-O-Cs）光敏层， 峰值灵敏度：0.8µm ， 长波上限：1.2µm ， 光灵敏度为30～40 µA/lm,
光学纤维 光学纤维 阴极外筒 电子轨迹 阳极锥电极
• 电子光学系统
静电聚焦系统
• 荧光屏
红外光阴极
荧光屏
荧光物质:硫硒化锌—铜[Zn（S， Se）·Cu]、 [（ZnCd）S·Ag]、硫化锌—铜（ZnS·Cu）
硫化锌镉—银
§2
主动式红外成像系统
变像管和像增强器需要很高能量－－由高压电源提供。
2. 直流高压电源
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：
（1）为光电成像器件提供所需的稳定直流高压， 使变像管在实际工作情况下保持合适的输出亮度。 （2）性能稳定，在高低温环境下保证系统正常工作。 （3）防潮、防震、体积小、重量轻且耗电省。
1 1.25
m--变像管光阴极面的分辨率
β × 3438' 经验公式： α e = mf ' e
1.25
+ 1
≈ 6'
§2
主动式红外成像系统
三、 红外变像管 ——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
§2
主动式红外成像系统
θ = αe / M
（4）对分辨力的选择
• 从人眼观测得：仪器分辨角：
M:仪器的放大率；αe :人眼极限分辨角：0.10＝6’ 1 θ= • 从光阴极得：仪器分辨角： m × fo '
• 结论：物镜焦距、仪器放大率、 光阴极面的分辨率之间满足：
f o ' ≥ 573M / m
§2
主动式红外成像系统
四、 选通技术
1. 大气后向散射: 照射目标的光束被大气后向辐射进入系统。 引入背景噪声，降低了图像对比度和清晰度。 2. 选通技术的基本原理: 发出短脉冲光，在相应时间选通型变像管
• 1－－脉冲光源照明输出； • 2－－接收到的后向散射辐射， • 3－－由目标返回的反射辐射 • 4－－接收器的选通脉冲。 • 脉冲在1220m上渡越时间：8µm 选通工作时间周期：延迟8µm
6000K
7
10
5000K
四、维恩位移定律
10
6
4000K
105 3000K 10
4
λmax = 2897 / T
T: 绝对温度，单位K；
2000K
103 1000K 102 10
λmax: 峰值波长,单位 µm
物体名称 太阳 融化的铁 融化的铜 融化的蜡 人体 地球大气 冰 液态氮 温度/K 11000 1803 1173 336 305 300 273 77.2
单晶硅
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
波长/ µm
• 材料种类： 晶体材料、 玻璃材料、 塑性材料
多晶氟化钙、三硫化二砷玻璃、聚四氟乙烯
§2
主动式红外成像系统
一、 系统结构与特点
直流低压 电 源 高压电源 晶体管变换 电 路 升 压 变电器 倍压整流 电 路
稳压电路
直流高压
目标
红外探照灯
物镜组
红外变像管
目镜
ϖ ' = arctg ( Ds / 2 f e' )
β：变像管放大率
（3）分辨率 : （4）入瞳、出瞳
θ=
1 β × m'× f o '
m：光阴极面分辨率（线对／mm〕
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
§2
主动式红外成像系统
红外成像简史
• 1958年，英国劳森等人发明了红外探测器HgCdTe； • 第一代热成像（60年代）：单个传感元件 ＋ 二维扫描的扫描镜。 3—5μm ：HgCdTe 光电导型和InSb 光电型； 8—14μm：HgCdTe 光电导型。 • 第二代热像仪（70～90年代）：一维传感器阵列 ＋ 一维扫描镜， 光导型 HgCdTe 传感器线阵列或小面阵； • 第三代热像仪（2000年）：二维阵列传感器。 采用TDI( Time Delay and Integration:) ＋ 扫描，提高信噪比； 面阵－－不用扫描镜的“凝视传感器”（staring sensor）。
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。但易于暴露。
绿色草木 粗糙混凝土
100 80 60 40 20
§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）。 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、黑体－－理想的辐射体：全部吸收或全部辐射
－－其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
红外和微光成像系统
绪
论
红外成像系统——向长波方向拓展人类的光谱视觉 将红外图像转变为可见光图像 • 红外夜视系统－－主动式红外成像
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
运用物体自然发射的红外辐射进行成像。
• 微光夜视－－近红外被动成像
微光夜视：像增强器－－光阴极＋高性能荧光粉 微光电视：红外成像＋电视摄像管
100 80
大气透过率/%
60 40 20
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 波长/ µm
• 大气窗口: 0.3～2.5
µm
、 3～ 5
µm
, 8～14
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
多晶氟化钙 多晶氟化镁 多晶硫化锌
单晶锗
100 80 60 40 20
红外热成像的种类： • 光机扫描型：探测器把接收的辐射信号转换成电信号，扫描视场。对
暗绿色漆
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0 波长/ µm
§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 / 2 f o ') （2）放大率:
tgϖ ' fo ' = − ×β M = tgϖ fe '
2．对光学系统的要求 （1） 对物镜的要求
（a）大口径： 1∶1～1∶2 像面照度、物镜结构、重量、消像差难易。 （b）有最小渐晕以使光阴极上产生均匀照度。 （c）宽光谱范围校正色差。 对主动式红外系统为0.65～1.2光谱段。 （d）低频下有好的调制传递特性。 变像管为低通滤波器， 30线对 /mm ，通常要求物镜 在10线对/mm时，MTF不低于75%。
光学系统 瞬时视场
水平扫描
总视场
垂直扫描
探测器
放大器
显示器
§ 3 红外热成像系统
电源 电 源 的 调 节 与 分 配
制冷器 探前 测置 器放 偏大 置器 同步扫描
目 标 辐 射
物 镜 系 统
光 谱 滤 波
光 机 扫 描
探 测 器
视 频 处 理
视频监视 视频记录
图5-11 热成像系统工作框图
§ 3 红外热成像系统
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。 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年代：美国空军红外成像仪； PIP－1型像增强器－－第一代微光夜视系统 • 70年代：以微通道板像增强器－－第二代微光夜视系统 • 80年代：负电子亲和势阴极＋微通道板器件－－第三代微光夜视。 微光电视，凝视型IRCCD的发展
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 / cm 2 K 4
推论：物体的温度愈高，其红外辐射能量愈多
§1
λ max
基本概念
辐射能量密度/ W/cm2. m
10
8
§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、太赫兹(30~3000µm )、毫米波、 微波和无线电波。