红外成像系统

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1、红外和微光成像系统 绪绪论论 红外夜视系统主动式红外成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。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。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近红外被动成像 微光夜视：微光夜视：像增强器光阴极高性能荧光粉像增强器光阴极高性能荧光粉 微光电视：微光电视：红外成像电视摄像管红外成像电视摄像管 红外成像系统红外成像系统向长波方向拓展人类的光谱视觉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将红外图像转变为

2、可见光图像 红外成像简史红外成像简史 19291929年柯勒（年柯勒（L. R. KollerL. R. Koller）发明了）发明了AgAg- -O O- -CsCs光阴极。光阴极。 3030年代中期：红外变像管、蒸汽热像仪。年代中期：红外变像管、蒸汽热像仪。 4040年代初期：红外夜视系统研制成功并应用于实战。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。光学机械扫描式；面阵成像器件式。 5050年代：美国陆军第一台热像记录仪年代：美国陆军第一台热像记录仪 萨默萨默(A.H.Sommer)(A.H.Sommer)发明发明SbSb- -K K- -NaNa-

3、-CsCs光阴极微光成像光阴极微光成像 6060年代：美国空军红外成像仪；年代：美国空军红外成像仪； PIPPIP1 1型像增强器第一代微光夜视系统型像增强器第一代微光夜视系统 7070年代：以微通道板像增强器第二代微光夜视系统年代：以微通道板像增强器第二代微光夜视系统 8080年代：负电子亲和势阴极微通道板器件第三代微光夜视。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，凝视型微光电视，凝视型IRCCDIRCCD的发展的发展 红外成像简史红外成像简史 1958年，英国劳森等人发明了红外探测器年，英国劳森等人发明了红外探测器HgCdTe； 第一代热成像（第一代热成像（60年代）

4、年代）：单个传感元件：单个传感元件 二维扫描的扫描镜。二维扫描的扫描镜。 35m ：HgCdTe 光电导型和光电导型和InSb 光电型；光电型； 814m：HgCdTe 光电导型。光电导型。 第二代热像仪（第二代热像仪（7090年代）年代）：一维传感器阵列：一维传感器阵列 一维扫描镜，一维扫描镜， 光导型光导型 HgCdTe 传感器线阵列或小面阵；传感器线阵列或小面阵； 第三代热像仪（第三代热像仪（2000年）年）：二维阵列传感器。：二维阵列传感器。 采用采用TDI( Time Delay and Integration:) 扫描，提高信噪比；扫描，提高信噪比； 面阵不用扫描镜的“凝视传感器”

5、（面阵不用扫描镜的“凝视传感器”（staring sensor）。）。 红外成像简史红外成像简史 低温制冷型低温制冷型：如：如HgCdTe、InSb和和PtSi等；等； 美国美国Santa Barbara研究中心研究中心InSb 1024 X 1024 ； 法国法国SOFRADIR长波长波HgCdTe48826扫描型。扫描型。 非制冷型：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；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，

6、输出 电阻信号；电阻信号； 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；电荷信号； 多晶硅：非晶电阻硅，多晶硅多晶硅：非晶电阻硅，多晶硅-金属热偶金属热偶 氧化钒：在氮化硅存底上制备氧化钒薄膜（氧化钒：在氮化硅存底上制备氧化钒薄膜（0.02K）。）。 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 可见光：可见光： 0.380.78 m 0.78 m: 红外辐射红外辐射、太赫兹太赫兹(303000 m )、毫米波毫米波、 微波和无线电波微波和无线电波。 红外的三个区域：红外的三个区域： 近红外近红外: 0.781

7、.9 m 中红外中红外: 3.020 m；(3.05.0 m) 远红外远红外: 201000 m; (8.020 m) 任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射任何高于绝对零度的物体都在不停地发生红外辐射。 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 一、黑体一、黑体理想的辐射体：全部吸收或全部辐射理想的辐射体：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、其红外电磁波的辐射率、吸收率与波长、 表面温度无关，并且等于表面温度无关，并且等于1 1 。 一般物体的辐射率和吸收率都小于一般物体的辐射率和吸收率都小于1 物体的比辐射率物体的比辐射率 ： 石墨及黑色漆面：石墨及黑色漆面：

8、 0.980.98； 抛光的铝表面：抛光的铝表面： 0.050.05 砖砖、混凝土：混凝土： 0 0. .92920 0. .9393 人体人体 : : 0 0. .9898 水水、冰冰: : 0 0. .9696 b II /= 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 二、二、 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 当几个物体处于同一温度时当几个物体处于同一温度时，各物体发射红外线的能力正各物体发射红外线的能力正 比于它吸收红外线的能力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当物体处于红外辐射平衡状态时，它所吸收的红外能量它所吸收的红外能量， 总恒等于它所发射的红外能量总恒等于它所发

9、射的红外能量。 推论：性能好的反射体或透明体推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体必然是性能差的辐射体。 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 三、三、 斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 物体的红外辐射能量密度物体的红外辐射能量密度W W 与其自身的热力学温度与其自身的热力学温度T T 的的 四次方成正比，并与它表面的比辐射率四次方成正比，并与它表面的比辐射率 成正比。成正比。 斯蒂芬玻耳兹曼常数，斯蒂芬玻耳兹曼常数，5.66975.6697 推论：物体的温度愈高，其红外辐射能量愈多推论：物体的温度愈高，其红外辐射能量愈多 4 TW= 12 10 42 /KcmW 1

10、1 基本概念基本概念 四、维恩位移定律四、维恩位移定律 T: 绝对温度，单位绝对温度，单位K； maxmax: : 峰值波长峰值波长, ,单位单位 m m T/2897 max = max 物体名称物体名称温度温度/K 峰值波长峰值波长/ umum 太阳太阳110000.26 融化的铁融化的铁18031.61 融化的铜融化的铜11732.47 融化的蜡融化的蜡3368.62 人体人体3059.50 地球大气地球大气3009.66 冰冰27310.6 液态氮液态氮77.237.53 100101.0m波长/0.1 W/cm .辐射能量密度/ 10 2 10 3 10 2 4 10 m 5 10

11、6 10 7 10 8 10 3000K 1000K 400K 2000K 5000K 4000K 6000K 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 五、红外辐射在大气中的传输五、红外辐射在大气中的传输 气体分子吸收带中心波长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水蒸汽、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷和一氧化碳等气体的分 子有选择地吸收一定波长的红外辐射子有选择地吸收一定波长的红外辐射 大气对大气对 115 m m红外线的透过率曲线红外线的透过率曲线 大气窗口大气窗口: 0.3: 0.32.5 2.5 m m、 3 35 5 m m, 8,

12、814 14 m m 大气透过率/% 6 20 241081214 60 40 80 100 161820 波长/m 1 1 红外辐射的基本概念红外辐射的基本概念 六、红外辐射在介质中的传输六、红外辐射在介质中的传输 红外光学材料的透过率曲线红外光学材料的透过率曲线 材料种类：材料种类：晶体材料、晶体材料、 玻璃材料、玻璃材料、 塑性材料塑性材料 多晶氟化钙、三硫化二砷玻璃、聚四氟乙烯多晶氟化钙、三硫化二砷玻璃、聚四氟乙烯 100 80 60 40 20 波长/ 单晶硅 多晶氟化钙 多晶硫化锌多晶氟化镁 m 2201210864181614 单晶锗 2 2 主动式红外成像系统主动式红外成像系统

13、 一、一、 系统结构与特点系统结构与特点 高压电源 红外变像管 物镜组目标红外探照灯 稳压电路 眼睛 目镜组 直流高压 直流低压 电 源 晶体管变换 电 路 升 压 变电器 倍压整流 电 路 2 2 主动式红外成像系统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，工作波长：红外变像管光阴极响应谱区，0.761.2 m m 利用目标和自然界景物之间红外反射能力的显著差异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。主动照明：全黑条件下工作

14、，较大反差、清晰图像。但易于暴露。 100 80 60 40 20 波长/ 暗绿色漆 粗糙混凝土绿色草木 m 0.22.01.21.00.80.60.41.81.61.4 2 2 主动式红外成像系统主动式红外成像系统 二、二、 光学系统光学系统 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. 1. 成像系统的基本光学性能成像系统的基本光学性能 （1 1）视场：视场：物镜物镜目镜目镜 （2 2）放大率放大率: :：变像管放大率 （3 3）分辨率分辨率 : :m：光阴极面分辨率（线对mm （4 4）入瞳入瞳、出瞳出瞳 物镜系统：孔径光阑物镜框；视场光阑光阴极有效面积物镜系统：孔径光阑物镜框

15、；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目镜系统：出瞳人眼瞳孔；视场光阑荧光屏有效成像面 ()/ 2 eo arctg Df= (/ 2) se arctg Df= = e o f f tg tg M 1 o fm = 2 2 主动式红外成像系统主动式红外成像系统 2 2对光学系统的要求对光学系统的要求 （1） 对物镜的要求对物镜的要求 （a）大口径：）大口径： 1112 像面照度像面照度、物镜结构物镜结构、重量重量、消像差难易消像差难易。 （b）有最小渐晕以使光阴极上产生均匀照度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宽光谱范围校正色差

16、。 对主动式红外系统为对主动式红外系统为0.651.2光谱段光谱段。 （d）低频下有好的调制传递特性低频下有好的调制传递特性。 变像管为低通滤波器变像管为低通滤波器，30线对线对/mm，通常要求物镜通常要求物镜 在在10线对线对/mm时时，MTF不低于不低于75%。 2 2 主动式红外成像系统主动式红外成像系统 （2）对目镜的要求：对目镜的要求： （a）合适的焦距合适的焦距。决定放大率；一般在决定放大率；一般在20mm左右左右， （b）足够的视场足够的视场。通常取在通常取在30与与90之间之间。 （c）合适的出瞳距离和出瞳直径合适的出瞳距离和出瞳直径。 一般出瞳直径：人眼夜间一般出瞳直径：人眼夜间7mm。 出瞳距离：一般观测：出瞳距离：一般观测：1215mm， 炮和车瞄准：炮和