红外成像系统

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；
－－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
§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
3000K
2000K
1000K
0.1
1.0
10
400K 100 波长/ µm
峰值波长/ um
0.26 1.61 2.47 8.62 9.50 9.66 10.6 37.53
§1 红外辐射的基本概念
五、红外辐射在大气中的传输
• 气体分子吸收带中心波长 : 水蒸汽、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷和一氧化碳等气体的分
红外成像简史
• 低温制冷型：如HgCdTe、InSb和PtSi等；
– 美国Santa Barbara研究中心InSb 1024 X 1024 ； – 法国SOFRADIR长波HgCdTe488×26扫描型。
• 非制冷型：
– 热电堆：根据塞贝克效应检测热端和冷端之间的温度梯度，输出电 压信号；
– 测辐射热计：探测温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，输出 电阻信号；
微波和ห้องสมุดไป่ตู้线电波。 • 红外的三个区域：
近红外: 0.78～1.9 µm 中红外: 3.0～20 µm；(3.0~5.0 µm) 远红外: 20～1000 µm; (8.0~20 µm) • 任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射。
§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
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。但易于暴露。
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）。
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
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 基本概念 107
四、维恩位移定律
106
辐射能量密度/ W/cm2. m
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
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。
105
λ max
λmax = 2897 / T
104
103
T: 绝对温度，单位K； 102
λmax: 峰值波长,单位 µm 10
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
6000K
5000K
4000K
多晶氟化钙
多晶氟化镁
多晶硫化锌
100
80 60 40 20
单晶锗 单晶硅
2
4
6
8
10
12
14
16
18
• 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
20 波长/ µm
§2 主动式红外成像系统
一、 系统结构与特点
高压电源
直流低压 电源
晶体管变换
电
路
升压 变电器
稳压电路
– 热释电：探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化，输出 电荷信号；
– 多晶硅：非晶电阻硅，多晶硅-金属热偶 – 氧化钒：在氮化硅存底上制备氧化钒薄膜（0.02K）。
§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、
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
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