红外成像技术及应用

2010-2011 第二学期

光电成像技术

——红外摄像技术及其应用

院系 电子工程学院

班级

姓名

学号

班内序号

考核成绩

题目：红外线成像技术及其应用

摘要：随着科技越来越快的发展，红外成像技术已不单单应用在是一些特殊的场合。变得越来越民用化，生活化，以渐渐渗透到了我们日产生活中的各个方面：摄像机、彩色电视机、数码相机等等。与我们的生活息息相关。

关键词：红外成像现状，原理，摄像管，夜视仪，电视机。

正文：

一、 红外成像技术的现状

以往红外成像技术首先在军事领域得到应用，而现在随着红外成像技术日趋成熟，在民用领域也得到了十分广泛的应用，已成为当今世界高科技领域之一。美国是目前世界上红外成像技术最为先进的国家，绝大多数的红外成像仪供应商也集中在美国。其次是瑞典、英国和日本的国家。我国对红外技术的研究起步于建国初期，目前我国能自行研制多种型号的制冷红外热像仪。

由于红外测温不接触被测物体，不破坏温度场，一热图像的形式反映被测物体的二维温度场，直观准确，而且测温距离可远可近，测量范围广，测温速度快。红分外热成像技术正是适合一些特种要求的的检测方法之一。以前，红外检测材料仅限于非金属材料，主要由于这些材料导热慢，温度场变化存在的时间长，容易捕捉。而金属材料导热性好，缺陷处的微弱温度场变化会迅速消失，精度不高、采集速度慢的热成像仪难以捕捉其变化。而现在，随着光电技术的发展，红外热成像系统的灵敏度和分辨率大大提高，已经可以满足要求，并且现在的红外技术无损检测金属材料已经成为各方关注的热点。

二、 红外成像技术简述

红外成像技术又称红外热成像技术，它是通过光学机械扫描系统，将物体发出红外线辐射汇聚在红外探测器上，形成红外热图像，用来测量物体表面温度分布状态的一种现代技术。由于红外成像技术具有无损、非接触、简便的特点，已广泛由于各个领域。

1、 红外成像的基本原理

自然界一切高于绝对零度（-273.15℃）的物体都具有一定的温度，并以电磁波的形式向外辐射能量。根据Planck热辐射定律，物体的热辐射是波长和温度的函数，温度越高，辐射能量越大，其辐射波长越短。

2、红外成像器件（在此主要讨论摄像管的结构和原理）

摄像管主要是利用了电光靶的作用和电子束的扫描来实现光电转换。光电靶的作用是将光学图像变成电子图像，然后通过电子束的扫描变成电信号。光电靶的结构图如图(1)所示：

图(1) 光电靶结构

摄像管的种类很多，应用最多的是光电导管。

摄像管式一种电真空器件，其圆柱圆柱形玻璃外壳主要包含了光电靶和和电子枪两个部分；在玻璃外壳外有偏转线圈。电子枪的作用是产生一束聚焦很细的电子束，射向光电靶，在外加偏转磁场作用下扫描光电靶上的电图像，形成图像信号电流输出。电子枪由罩在真空玻璃管内的灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极、网电极等组成，如图(2)所示：

图(2) 摄像管结构原理图

光电靶中的光敏材料在无光照时具有极高的电阻率，受光照以后电阻率会下降，而且电阻率的变化与光通量成正比。于是，当被摄像的光学景物成像与光电靶上时，由于光学图像各部分的亮度不同，靶上面各处的电阻率也不同，图像

亮出电阻小，图像暗处电阻大，这样就在靶面上形成一幅与被摄光学图像明暗分布相对应的电阻大小分布图案，及电子图像。

管外的聚焦线圈用来对电子束进行聚焦，使电子束不致沿径向分散，从而保证摄像管有较高的分解力。偏转线圈有两对，分别用来产生水平偏转磁场和垂直偏转磁场，使管内的电子束在前进过程中实现水平和垂直扫描。校正线圈的作用是将电子束校正到沿管轴反方向运动。

摄像管进行光电转换的基本工作原理图如图(3)所示。当电子束沿水平方向在靶上一行一行进行扫描时，相当于将靶面分解成许多独立的靶单元，也就是像素单元。每个靶单元等效于一个光敏电阻R和一个电容C的并联。当电子束扫描到靶单元时，相当于将这一个单元与电子枪阴极接通，于是，信号板、靶单元、阴极、靶电源及负载电阻就构成了以闭合回路。摄像时，外界的光学景物通过摄像机的光学镜头成像与光电靶上，形成一幅电子图像。当电子束按一定顺序在靶面上扫描时，就会轮流接通各个靶单元，形成闭合回路。于是，对应于图像上的亮点，靶单元的等效电阻小，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流大，在负载RL上产生的压降就大，输出电压小；反之，对应于图像上暗点，，靶单元的等效电阻大，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流小，在负载RL上产生的压降就小，输出电压大。这样一来，输出信号的电压变化完全反应了图像亮暗的变化，这一信号就成为图像信号。于是就完成了将电子图像转换成电信号的过程。

图(3) 摄像管光电转换基本工作原理图

3、 红外成像器件的参数

衡量摄像管优劣的总标准是：在测试台的监视上能否分辨一定的标准测试图案。图案的清晰程度是由许多因素决定的，为了分析和研究各种因素对像质的影响，必须有具体的参数作为参考。摄像管的主要参数有灵敏度、惰性、分辨力等，其中灵敏度和惰性主要决定与靶面，分辨力主要决定于扫描电子枪。

(1) 灵敏度

灵敏度定义为束出信号电流与输入信号光通量（或照度）的比值。光电导摄像管灵敏度为

(1)式

式中，N为靶面的橡元总数；ΦN唯美个像元在帧周期Tf内输入的光通量，对应的输出信号电流为IS，利用光电导摄像管等效电路来求解微分方程可得

（2）式

式中，VT为靶的工作电压；γ为光电转换特性参数；β为光电导转换系数；τ为时间常数；R为靶的等效电阻；C为靶的等效电容。

电子束扫描每个像元的时间t0是帧周期Tf的N分之一，则

（3）式

将式 (1) 和 (2) 代入式 (3)，得到

（4）式

即为光电导摄像管的灵敏度公式。它定量的描述了相关参量对灵敏度的影响。

为了提高摄像管的灵敏度，通常采用的信号倍增和放大的措施。因为这些放

大作用是通过像管内部进行的，所以称为内增益。实现内增益的方法主要有：①放大入射光信号，日再摄像管前面加耦合像增强器；②改变光入射为光电子入射，如附加移相部分；③利用阅读电子束进行倍增，如设置反束电子倍增器。

(1) 惰性

在摄取动态图像时，摄像管的输出信号滞后于输入照度的变化，这一现象称为惰性。当输入照度增加时，输出信号的滞后称为上升惰性；反之，称为衰减惰性。对于电视摄像管的惰性指标，通常采用输入照度截止后第三场和第十二场剩余信号所占的半分数来表示。

摄像管产生惰性有两个主要原因：①图像写入时的光电导惰性；②图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性。

(2) 分辨力

分辨力是摄像管的一项重要的指标，它是摄像管分辨图像细节的能力，或清晰度。分辨力通常用“线对”多少来表示，一般都有 的测试卡，但是测试卡测分辨力有随机性，所以分辨力多用调试深度来表示，如图(4)所示：

图（4） 线对数与调制深度关系

图中输入光敏面上两种疏密不同的光信号条纹，照射光敏面上，取出光电流进入示波器上读出两组不同疏密条纹的光电流，分别为a，b，宽细条纹的光电流（b）作为基础（图中的宽条纹），那么a/b即为调制深度，按图示的读法就是400对线的调制深度。

摄像管的光谱特性，主要是由光阴极或光敏面材料的光电转换特性决定的，也就是光敏材料对波段入射光产生的光电流在单位面积上有多少电流，图（5）不同光敏材料的光谱响应特性。

图（5） 不同光敏材料的光谱特性

(3) 信噪比

输出信号电流峰—峰值与输出电流中所含噪声均方值的比值。摄像管的噪声来源主要有：

① 光子、光电子、载流子、二次发射电子、扫描电子的散粒噪声；

② 载流子的产生—复合噪声；

③ 热噪声；

④ 1／f噪声；

⑤ 预防器噪声。

噪声大时，在图像上反映为大量随机移动的黑点和亮点。不同的探测目的要求摄像管信噪比是不一样的。为是观察者感觉不到噪声，光电导视像管的信噪比应大于25。

通常在光电导视像管中，放大器噪声是主要的。在高增益的电子轰击感应电导型及带移像部分的摄像管中，电子、光电子及预放器噪声共同作用。

(4) 光电转换特性（γ特性）

光电转换特性表征输出信号电流IS与光敏面上的辐照福E的关系曲线，如图(6)所示，此关系曲线通常可用下式表示，即：

（5）式

式中，k为常数；指数γ随不同光敏面材料而变。

上是两边取对数，可得

（6）式

由式(6)可知，γ值就是以双对数坐标表示的光电特性曲线的斜率，又称为灰度系数。用对数坐标表示的光电转换特性如图(7)所示。

图(6) 摄像管的光电转换特性曲线

图(7) 用对数坐标表示的光电转换特性

γ=1时，灰度等级均匀；γ＜1时，有均匀灰度的畸变，但是提高了弱照度的灵敏度，而是强照度时的光电特性呈现以一定的饱和状态。前者有利于提高暗电场的信噪比，后者有利于扩站动态范围。γ＞1是不适用的，因为对整个系统而言，从输入到输出既包含了摄像管的光电转换特性，同时也包含信道和显像管的电光转换特性。而显像管的γ值都大于1，所以整个电视系统总灰度特性为1，通常使用γ＜1的摄像管。

(5) 动态响应范围

摄像管所能允许的光照强度变化的范围称为动态响应范围，其下限决定于低照度下的信噪比，而上限决定于靶面储存电荷的能力。通常靶的电位起伏最高限为几伏，否则会影响电子束的聚焦与边缘电子束的着靶。

除以上摄像管的性能参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度的参数。

三、 摄像管的应用

(1) 红外夜视仪

红外夜视仪是利用光电转换技术的军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两种：前者用红外探照灯照射目标，接收反射的红外辐射形成图像；后者不发射红外线，依靠目标自身的红外辐射形成 “热图像”，故又称为”热像仪”。

目前使用的红外夜视仪，大多是主动式的。被动式红外夜视仪一般都不叫夜视仪，都改名为热成像仪。所以以下的介绍主动式红外夜视仪。

红外夜视仪主要产地是美国，俄罗斯和德国。近几年国内也开始生产。

想要理解夜视仪的原理，就必须对光的原理有所了解。光波的能量大小与其波长有关：波长越短，能量越高。在可见光中，紫光的能量最高，而红光的能量最低。与可见光光谱相邻的是红外线光谱。 红外线分为三类：

近红外线（近IR）——近红外线与可见光相邻，其波长范围是0.7-1.3微米（1微米等于百万分之一米）。

中红外线（中IR）——中红外线的波长范围是1.3-3微米。近红外线和中红外线应用到各种电子设备中，例如遥控器。

热红外线（热IR）——热红外线占据了红外线光谱中最大的一部分，其波长范围是3-30微米。

热红外线与其他两种红外线的主要区别是，热红外线是由物体发射出来的，而不是从物体上反射出来的。物体之所以能够发射红外线，是因为其原子发生了某种变化。物体温度越高，释出的红外线光子的波长就越短。如果物体的温度非常高，它发出的光子甚至能进入可见光光谱，从红光开始，然后是橙光、黄光、蓝光，直至白光。