红外成像原理

max 2897 / T
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（6-3）
max 的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。
二、红外辐射的基本概念
物体名称 温度/K 太阳 融化的铁 11000 1803 1173
max / m
0.26 1.61 2.47
波长
温度
融化的铜
融化的蜡 人体
地球大气 冰 液态氮
336 305
300 273 77.2
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二、红外辐射的基本概念
高温性 能稳定
最常见
几种红外光学材料的透过率
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三、主动式红外成像系统
红外成像系统
利用不同物体 对红外辐射的 不同反射 利用物体自 然发射的红 外辐射
主动式红外成像系统 （红外夜视仪）
被动式红外成像系统 （红外热像仪）
核心：如何将红外图像转变为可见光图像？
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三、主动式红外成像系统
三、主动式红外成像系统
探照灯：短脉 冲红外激光
＋
红外变像管： 加选通电极
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8微秒
减少大气后 向散射对红 后向散射辐射 外图像对比 目标反射辐射 度和清晰度 的影响
选通脉冲
脉冲光源 照明输出
精确测量目 标与观察者 之间的距离
探测距离为1220米时的选通时序图
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三、主动式红外成像系统
3.1.4 红外探照灯
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一、引言
1904年，开始采用近红外进行摄影。
1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光 阴极，开创了红外成像器件的先河。
二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国 各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统 应用于实战。 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。
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二、红外辐射的基本概念
2.1 红外辐射
红外辐射是一种电磁波： 近红外（0.78～3.0um） 中红外（3.0～20um） 远红外（20～100um）
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二、红外辐射的基本概念
红外辐射普遍存在于自然界： 任何温度高于绝对零度的物体（人体、冰、 雪等）都在不停地发射红外辐射。 红外辐射的倍频程比可见光宽: 倍频程：若使每一频带的上限频率比下限频 率高一倍，即频率之比为2，这样划分的每一 个频程称为1倍频程，简称倍频程。
四、红外热成像系统
树林中人的热图像
小图是可见光图像 大图是热图像
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四、红外热成像系统
红外热成像系统
光机扫描型
图像质量好 结构复杂 成本高
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非扫描型
结构简单 图像质量 逐渐提高
四、红外热成像系统
4.1 光机扫描型红外热成像系统
光学系统部分 红外探测与致冷 部分 电子信号处理系 统部分 显示系统部分
与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目 镜组隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存 在物象共轭关系！
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三、主动式红外成像系统
3.1.3 红外变像管
红外变像管是主动式红外成像系统的核心， 是一种高真空图像转换器件，完成从近红外 图像到可见光图像的转换并增强图像。 从结构材料上分，红外变像管可以分为金属 结构型和玻璃结构型；
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二、红外辐射的基本概念
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二、红外辐射的基本概念 2.2 红外辐射的三个规律
基尔霍夫定律 同温度物体的红外发射能力 正比于其红外吸收能力；红外平 衡状态时，物体吸收的红外能量 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。
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二、红外辐射的基本概念
斯蒂芬－玻耳兹曼定律（1879，1884）
④ 体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。
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三、主动式红外成像系统
3.1.5 直流高压电源
高压电源提供红外变像管进行图像增强的能 量，一般为1.2～2.9万伏。 对高压电源的技术要求：
① 输出稳定直流高压； ② 在高、低温环境下能保证系统正常工作； ③ 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。
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三、主动式红外成像系统
SL-9彗核C碰撞前后的木星红外 图像
天文观测
4
科研/测试
飞机机翼
冰箱保鲜
一、引言
红外摄像机（英军押解伊战俘）
红外望远镜
军事观察
6
警用安防
树丛里的嫌疑犯
地毯上的脚印
一、引言
气 象 预 测
Fra Baidu bibliotek
红外云图
8
食品
冷冻的鸡肉
食品制作过程中控制温度
制造业
芯片和电路板
电器产品
建筑检测
卧室屋顶漏水
办公楼隔热玻璃
红外夜视图像
装有红外夜视仪的步枪
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三、主动式红外成像系统
3.1 主动式红外成像系统
主动式红外成像系统自身带有红外光源， 是根据被成像物体对红外光源的不同反射率， 以红外变像管作为光电成像器件的红外成像 系统。
优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响； 缺点：易暴露，不利于军事应用。
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三、主动式红外成像系统
主动式红外成像系统的特点：
① 能够区分军事目标和自然景物，识别伪装；
近红外 光谱区 可见光谱区
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典型目标的反射曲线
三、主动式红外成像系统
② 近红外辐射 比可见光受大 气散射影响小， 较易通过大气 层（恶劣天气 除外）； ③ 由于系统 “主动照明”， 工作时不受环境 照明影响，可以 在“全黑”条件 下工作。
红外光学系统的特点
通光孔径和相对孔径大，工作波段宽，像差 校正困难。
物镜系统
① 反射式：光能损失小、不产生色差，但是视场小、 体积大，有次镜遮挡； ② 折射式：结构简单，装校方便，可以满足大视场 和大孔径成像的要求；
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③ 折反式：主镜与次镜均采用球面镜，加入补偿透 镜校正像差
四、红外热成像系统
辅助光学系统 场镜 指加在像平面或像平面附近的透镜，用来扩 大视场，使探测器接收的辐照均匀； 光锥 利用圆锥的高反射率聚光，缩小探测器尺寸；
光源 抛物面反射镜
红外光源可以是 电热光源（白炽 灯）；气体放电 光源（高压氙 灯）；半导体光 源（砷化镓发光 二极管）；激光 光源（砷化镓发 光二极管）
灯座
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红外滤光片
三、主动式红外成像系统
对红外探照灯的技术要求：
① 红外探照灯的辐射光谱要与变像管光阴极的光 谱响应有效匹配，在匹配的光谱范围内有高的辐射 效率； ② 探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合； ③ 红光暴露距离要短，结构上要容易调焦，滤光 片和光源更换方便；
8.62 9.50
9.66 10.6 37.53
红外辐射能量密度曲线
常见物体的峰值波长
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二、红外辐射的基本概念
红外辐射的大气窗口
红外辐射在大气中传输时，不同波长的红 外辐射，有着不同的吸收和衰减； 1～2.5 3～5
8～14
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二、红外辐射的基本概念
红外辐射的介质传输特性
许多对可见光透明的介质，对红外辐射却 是不透明的。通常把可以透过红外辐射的介质 称为红外光学材料。 红外光学材料可以分为 晶体材料 、 玻璃材 料 和 塑性材料 三种，每种材料都对某些波长 范围的红外有较高的透过率。
三、主动式红外成像系统
大气后向散射现象： 红外探照灯向目标 发出的红外光束通 过大气时，其中一 部分散射后向辐射 进入观察系统。引 入了图像的背景噪 声，降低了图像对 比度和清晰度。
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如何减小大气后向 散射影响？ 选通技术
通过发射脉冲时序 配合，使变像管在接 收观察目标反射回来 的红外辐射时工作。
3.1.1 主动式红外成像系统的系统结构
主动式红外成像系统
光学系统 物镜组 目镜组
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红外变像管 光谱转换 电子成像 亮度增强
红外探照灯
高压电源
红外辐射光源 变像管电源
主动式红外成像系统结构
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三、主动式红外成像系统
3.1.2 光学系统
物镜组：把目标成像于变像管的光阴极面上；
目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于 人眼观察；
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四、红外热成像系统
红外热成像系统是被动式成像系统。 自然界中，温度高于绝对零度的一切物体， 总是在不断地发射红外辐射。收集并探测这 些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对 应的热图像。
热图像再现了景物各部分温度和辐射 发射率的差异，能够显示出景物的特征。
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四、红外热成像系统
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ThermoVision™ A20-V高品质红外热像仪
从工作方法上分，可以分为连续工作方式和 选通工作方式。
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三、主动式红外成像系统
电子光学系统
阴极外筒 电子轨迹 阳极锥电极
光学纤维
荧光屏 红外光阴极
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红外变像管结构
三、主动式红外成像系统
红外变像管的工作过程
近红外辐射 光阴极面 电子流图像 高能电子 可见光图像 荧光屏 电子光学系统
通常变像管的光阴极采用对近红外敏感 （0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部 分相当于一个静电聚焦系统。 46
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艺术鉴定
一、引言
红外感应开关
红外测温仪
温度感应
17
冶金
一、引言
数据传输
19
一、引言
医学成像
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动物医疗
一、引言
天文
红外线这 么有用啊！
气象
文物鉴定
医学
数据传输
军事
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一、引言
1.2 红外线的历史 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验 发现了红外光。 1835年，安培宣告了光和热射线的同一 性。
BCAM/BCAM SD/B2/B4/B360/B400
石化
预防性维护
电器维护
机械维护
造纸
生产
湿度不同
电力
一、引言
Invisible radiation photography is often applied to the study of works of art as here in the painting La Madonna dell'Impannata by Raphael. Invisible radiation imaging reveals a much younger Saint John the Baptist sitting on Joseph's lap found beneath the surface of the visible painting (right). Images © Editech.
中继光学系统
前置望远系统
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便于探测器件的结构安排； 减小光学扫描器件的尺寸。
四、红外热成像系统
扫描系统
平行光束扫描（物方扫描） 扫描器在聚光系统之前，扫描镜尺寸大， 扫描速度慢，像差校正简单，对聚光光学系 统要求不高；
一般物体的红外辐射率和吸收率都 小于1，并且其辐射和吸收能力都与表 面温度和波长有关。
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二、红外辐射的基本概念
在理论和工程实践中，常用物体的比辐射率 定量描述物体辐射和吸收红外电磁波的能力；
I Ib
（ 6－ 1）
即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外辐 射之比值，显然，物体的比辐射率都小于1。
可见光：0.38～0.78um，一个倍频程 红外线：0.78～1000um，商为1282＝210，10个倍频程
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二、红外辐射的基本概念
黑体
黑体的红外辐射率和吸 收率为1（客观世界不存 在），其意义体现在为衡 量自然物体的红外辐射和 吸收能力建立一个标准。
假想的全部吸收 和辐射红外电磁 波的理想体，其 红外吸收和辐射 能力与温度无关。
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四、红外热成像系统
汇聚光束 光谱滤波
光电转换
电视光栅
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四、红外热成像系统
4.1.1 光学系统
光机扫描型热成像系统以瞬时视场为单 位，用光机扫描方法来覆盖总视场。 聚光光学系统 接收目标或景物 辐射，聚焦于探 测器
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扫描光学系统 产生扫描光栅，使分 立探测元件能够获取 大范围景物图像
四、红外热成像系统
物体辐射的红外能量密度W与其自身的热 力学温度T的4次方成正比，并与它表面的比 辐射率成正比：
W T
32
4
12
（6-2）
2 4
玻耳兹曼常数 5.6697 10 W / cm K
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。
二、红外辐射的基本概念
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长 （频率）不同而变化。与辐射能量密度最大 峰值相对应的波长为峰值波长，维恩通过大 量实验得出了峰值波长和物体热力学温度之 间的关系：
通常取可见光谱中红光末端为780nm，比它长的光 就是红外光，或称为热射线。
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一、引言
1870 年，兰利制成了面积只有针孔那样大 小的探测器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟 化物棱镜来提高测量色散的能力，这为红外 应用的重要方面——航空摄影奠定了基础。
1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文 章 中（最早）。 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了 赫胥耳的探测和测量方法，为红外技术奠定 了基础。
红外成像原理
内容导航
一、引言 二、红外辐射的基本概念 三、主动式红外成像系统 四、红外热成像系统 五、微光成像系统 六、小结与作业
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红外应用
• 建筑检测 • 造纸
• 食品
• 警用安防 • 制造业
• 科研/测试
• 冶金 • 电力
• 石化
• 预防性维护
• 动物医疗
一、引言
1.1 红外线的应用
地面10米望远镜用7种波长观 测的彗木碰撞后的红外图像