《应用电视技术》课件第8章特殊成像电视.ppt
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1、 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 第第8章章 特殊成像电视特殊成像电视 8.1 红外电视红外电视 8.2 X线电视线电视8.3 微光电视微光电视 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 8.1 红外电视红外电视 8.1.1 红外线的基本概念 红外线是一种人眼看不见的光线,在光谱中位于红色光以外,其波长范围大致为0.781000m。任何一个物体,只要它的温度高于绝对零度,就有红外线向周围空间辐射。(1)红外线的波段:红外线通常按其波长分为近红外、中红外、远红外和极远红外四个波段。近红外的波长为0.783m,中红外为36m,远红外为615m,极远红外为151000m。第第8 8章章 特
2、殊成像电视特殊成像电视 (2)热辐射的定律:当几个物体温度相同时,各物体发射红外线的能力正比于吸收红外线的能力;当物体处于红外辐射平衡状态时,它吸收的红外能量总恒等于它所发射的红外能量。根据这一定律还可推断出,性能好的红外反射体或透明体,必然是性能差的红外辐射体。(3)玻耳兹曼定律:物体辐射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,并与它表面的辐射率成正比。由这一定律可以看出,物体的温度愈高,红外辐射的能量愈多。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (4)红外线的“大气窗口”:红外线在大气中传输时,大气对不同波长的红外线吸收与衰减的程度有很大差别。对波长在22.6m、35m
3、和814m等三个波段内的红外线吸收极少,常称这三个波段为红外线的“大气窗口”,它们分别位于近红外、中红外和远红外三个波段内。红外电视的工作波长应尽可能进入这三个波段。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (5)红外光学材料:可以透过红外辐射的介质称为红外光学材料。任何介质不可能对所有波长的红外线都透明,红外光学材料只是对某些波长范围的红外线具有较高的透过率。许多介质对可见光是透明的,对红外辐射却是不透明的。单晶的锗材料是一种最常用的红外光学材料,可以作为红外仪器与大气隔离的窗口,也可以用来磨制各种透镜和棱镜。单晶锗的最大透过率约为44%,在单晶锗的表面镀上一层“增透膜”后,可变得对一定波长
4、的红外线具有很高的透过率,最高透过率可达99%。对于波长在1.816m的红外辐射,单晶锗的折射率在4.143到4.0012之间变化。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 多晶硫化锌是一种热压成型的红外光学材料。在波长为114m的范围内,其平均透过率大于70%。多晶硫化锌不但可以热压成红外透镜或窗口,而且可用作镀膜材料,用来增加各种红外光学材料透镜或窗口的透过率。多晶氟化镁是一种耐高温的红外光学材料,用于35m波长范围而且可透过可见光。对于波长为0.598m的可见光,其透过率约为20%30%;而对于波长为36.5m的红外辐射,透过率高达90%。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (6)
5、主动和被动红外电视:红外电视可分为主动式红外电视和被动式红外电视两大类。主动式红外电视需红外光源照明,摄像机摄取目标反射回来的红外光。被动式红外电视不用红外光源照明,是利用被摄目标本身辐射的红外线成像,摄取的是物体的热分布像。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 8.1.2 主动式红外电视 主动式红外电视由红外照明光源、红外摄像机和监视器等部分组成。其工作原理是用红外光源照射被摄目标,由摄像机的CCD传感器将目标的可见光和不可见的红外图像转换为电信号输出,在监视器上显示可见光图像。主动式红外电视系统与一般的可见光应用电视系统基本相同,但其照明光源、光学镜头和摄像器件都是工作在近红外波段的。
6、第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 1.红外照明光源 常用的近红外光源有红外灯泡、红外发光二极管、滤光片式光源和红外激光器。常用的红外发光二极管为砷化镓红外二极管。它具有体积小,重量轻,发射红外光均匀,电源简单,效率高等特点,其发射峰值波长约为0.93m。滤光片式光源由钨丝灯、反光罩和透红外的滤光片组成。钨丝灯的光谱响应曲线的峰值在0.81.2m的近红外区。滤光片分为胶粘合型和熔炼型两种类型,两种类型滤光片的峰值透过率分别为80%和40%左右。用卤化物灯代替钨丝灯,光谱响应曲线范围在0.882.6m间。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 2.红外摄像器件 黑白CCD图像传感器具有很
7、宽的感光光谱范围,通常其感光光谱可延长至1200nm。利用黑白CCD图像传感器的这个特性,在夜间无可见光照明的情况下,用辅助红外光源照明,传感器能清晰地成像。图81示出了夏普公司行间转移CCD图像传感器的光谱特性。图中,黑白CCD图像传感器的光敏单元采用了浮置pn结的光敏二极管。这种光敏管用离子注入工艺制成,灵敏度高且比较均匀,但这种CCD传感器在强光照射下容易出现光晕和拖影现象。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 图81 黑白CCD图像传感器光谱特性 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 3.主动红外摄像机 常见的主动红外摄像机有分离式、内置式和一体化式等三种形式。1)分离式 分离
8、式一般是分别购买红外照明光源和红外敏感摄像机。配置时,要注意红外照明光源光谱范围和摄像机光谱特性的一致。安装红外照明光源时,要注意投射的角度和距离,最好是在无可见光的情况下看着摄取的图像进行调整,这样才能取得最佳效果。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 2)内置式 内置式主动红外摄像机常常是在防尘罩内摄像机四周安装红外发光二极管。这种红外摄像机安装方便,用于近距离室内监视。3)一体化式 一体化式主动红外摄像机用于室外远距离扫描监视。一般是在室外型电动云台两侧固定两个远距离室外红外照明光源,调整云台时摄像机和红外照明光源一起旋转和俯仰,保证被摄目标受到红外照明。第第8 8章章 特殊成像电视
9、特殊成像电视 4.主动红外摄像机的镜头 镜头的作用是把目标的红外辐射分布聚焦在光电传感器上。红外电视的目标距离较远,辐射能量弱,要尽可能使用大尺寸镜头。主动式红外电视工作在0.753m的近红外区,普通可见光镜头在此波段内仍有较高的透过率,因此主动式红外电视可采用普通可见光镜头。如采用经过镀膜处理的硅、锗镜头,则透过率更高。在使用普通可见光镜头观看红外波段图像时,需要重新校正焦距,由于色散得不到校正,清晰度会下降;若使用通频带较窄的红外带通滤色片后,图像清晰度会有所提高。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 5.主动红外摄像机的应用(1)重要部门、保密部门、军事要地的夜间监视和夜间公安侦察。
10、(2)胶卷生产的监视。利用主动红外电视摄像机可在暗室外检查胶卷生产过程中的各种瑕疵,保证产品质量。(3)利用半导体材料能透过红外线的特点来观察半导体器件内部结构和缺陷。由红外电视摄像机与红外显微镜组成的红外电视显微镜能对半导体器件实现无损检测,具有分辨率高,结构简单,使用方便等优点。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (4)利用人的皮肤和皮下组织对红外光的反射,散射、透射特性,用红外电视对眼病、肿瘤和溃疡等疾病进行观察和诊断。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 8.1.3 被动式红外电视 被动式红外电视不需要红外照明光源,是对目标本身的红外辐射成像。常用的红外电视摄像机有光机扫描型
11、热摄像机、热释电型摄像机和凝视焦平面阵列红外摄像机等三种。1.光机扫描型热摄像机 光机扫描型热摄像机是利用精密机械装置驱动光学扫描部件,完成对目标的扫描,摄取目标的红外辐射而成像的,所以称为光学机械扫描成像。图82是光机扫描型热摄像机的方框图。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 图82 光机扫描型热摄像机方框图 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 自然界中温度高于绝对零度的物体总是在不断地进行红外辐射的,只要能收集这些辐射能,就能形成与景物温度分布相对应的热图像。红外光学系统将目标发射的辐射能收集起来,经过光谱滤波之后,将景物的辐射分布会聚并成像到红外探测器所在的光学系统焦平面上。
12、光学扫描器包括两个扫描透镜组,一个作垂直扫描,一个作水平扫描。扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。当扫描器转动时,从景物到达探测器的光束随之移动,在物方空间扫出像电视一样的光栅。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 在扫描器以电视光栅形式扫过景物时,红外探测器逐点接收景物的辐射并转换成相应的电信号。或者说,光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器,探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号,再经视频处理放大器处理后输出,送到电视监视器。在监视器上可显示表征目标温度分布的可见光图像,其明亮部分表示温度高,较暗部分表示温度低。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 红外探测器是一种辐射能转换
13、器。它把红外辐射能转换成电信号,是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生光子效应的原理制成的,所以也叫光子探测器。一般需在低温下工作,其特点是探测灵敏度高,响应速度快,但每一种光子探测器都有一个截止波长,超过此波长探测器将无响应。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 光子探测器的主要类型有红外光电探测器(PE器件)、光电导探测器(PC器件)、光生伏特探测器(PV器件)和光电磁探测器(PEM器件)等四种。视频处理放大是热摄像机的重要组成部分。它将红外探测器输出的反映景物空间温度分布的微弱信号进行加工和变换,形成与景物温度分布相对应的视频信号,然后根据景物各单元对应的视频信号标出景物各部分的
14、温度,并显示出景物的热图像。在实际应用中,还要求对图像信号作进一步处理,如图像增强、图像修复等。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 光机扫描型热摄像机有温度分辨率高,灵敏度高等优点;缺点是需要复杂的光机扫描装置和液态氮致冷器,所以体积大,结构复杂,价格贵。2.热释电电视摄像机 热释电电视摄像机是采用热释电摄像管作为摄像器件的被动式红外电视摄像机。它能将目标的红外线辐射能量分布转换为视频信号。与光机扫描型热摄像机相比,热释电电视摄像机具有结构简单,使用维修方便,不需要液氮致冷等优点,所以得到广泛的应用。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 1)热释电摄像管(PyroelectricVi
15、dicon)热释电摄像管是一种热成像摄像器件。它在常温下工作,将摄像管靶面上的红外线辐射能量分布转换为视频信号。热释电摄像管能宽谱成像,但由于光学系统和靶面吸收层的限制,在814m波段用得较多,具有中等灵敏度和分辨率。它的体积小,可靠性高,成本低。有些晶体(铁电体)具有自发极化特性,极化程度与温度有关。在晶体薄片垂直极化轴的表面产生的电荷积累与温度变化成正比,这就是热释电效应。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 图83 热释电视像管的结构示意图 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 热释电视像管的结构如图83所示。其电极结构与普通光导摄像管相同,锗面板是用单晶锗制成的透红外窗口,涂有
16、透814m波段的抗反射涂层;TGS靶是直径为2cm、厚1520m的薄圆片,用热释电材料制成,在靠近面板一侧的表面有一层透明导电信号板,它通过靶环与外电路相连接。常用的热释电靶材料有单晶硫酸三甘肽(TGS)、氘化硫酸三甘肽(DTGS)和重氢化氟铍酸三甘肽(DTGFB)等三种。TGS靶灵敏度较高,但每次使用都必须极化,而且靶面温度不能高于材料的居里点(49);第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 DTGFB靶的灵敏度高,介电常数小,靶的居里点高(70)。热释电摄像管的工作原理是:目标辐射的红外线,经镜头投射到摄像管的热释电靶面上,引起靶单元温度的改变,靶上各点不同的温度使晶体的自发极化各不相同
17、,因而由热释电效应所释放的表面电荷也不同,形成了空间和强度变化都和目标相同的电荷图形,即在靶面上形成与目标热像相对应的靶面电位像;当电子束在靶面上扫描时,就在信号电极电路内产生信号电流,它经信号电极电路的靶负载电阻形成视频信号。热释电靶产生的热释电电流IS为 第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 式中,A是靶单元面积,P是靶材料热释电系数,dT/dt是靶面单元的温度变化率。上式表明,当辐射到单元靶上的热辐射强度发生变化时,才有信号电流输出。也就是说,热释电摄像管是对温度的变化率敏感而不是对温度敏感。因此对静物成像时,要对输入信号加以调制;若不加调制,只能对运动的或辐射强度有变化的目标成像,
18、由此可以区分静止目标和运动目标。(81)第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 2)热释电电视摄像机的工作原理 热释电视像管只对温度的变化率敏感,为了对静止目标成像,必须将输入信号调制。常用的调制模式有平移调制模式和斩波调制模式。平移调制模式是在使用中不断移动摄像机,摄像机与目标间产生相对运动,热释电摄像管上所接收的目标红外辐射随时间而变化,形成视频信号。平移调制模式摄像机灵敏度高,整机结构简单,但目标呈移动状态,影响观察。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 斩波调制模式是在热释电摄像管前装有由透明的和不透明的栅格组成的调制盘。当调制盘运动时,就对目标像产生了调制,使透过调制盘的像随时
19、间而变化。这样,将入射的红外辐射进行周期性斩波调制,输出交变视频信号。斩波调制模式摄像机灵敏度较低,但产生的图像位置稳定,视场不变,因有调制盘,整机结构复杂,热释电摄像管输出的等幅度正负交变信号,需有专门的电路来处理。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 3)热释电电视摄像机的主要技术性能(1)最小可分辨温差(MRTD)。观察者从监视器屏幕上刚能从背景(黑体)中分辨出某一空间频率的测试卡图形时,测试卡与背景之间的温差即为最小可分辨温差。最小可分辨温差反映了摄像机对温度的灵敏度,与系统的调制传递函数、等效噪声温差、光学镜头性能、扫描速率和人眼视觉特性等因素有关。第第8 8章章 特殊成像电视特
20、殊成像电视 可在空间分辨率为100线或200线时测量最小可分辨温差,将摄像机对准100线或200线的条形测试卡,镜头的光圈调至1位置,增加测试卡与背景之间的温差,在监视器屏幕上刚能分辨出测试卡图像时,测试卡和背景间的温度差就是最小可分辨温差。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (2)最小可探测温差(MDTD)。观察者从监视器屏幕上刚能从背景(黑体)中分辨出大目标时,目标与背景之间的温差即为最小可探测温差。最小可探测温差表征了摄像机对目标探测灵敏度的高低。测试时,可将目标和背景的温度差T调整为2,逐步减小摄像机镜头的光圈,至刚能分辨出目标图像时,读出此时的光圈数F,按下式算出最小可探测温差
21、:(82)第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 最小可分辨温差和最小可探测温差,是说明摄像机对客观实物温差的灵敏性。两者的差别仅仅在定义目标的形状上。最小可分辨温差的目标是某一空间频率的测试卡图形,而最小可探测温差的目标是较大面积的正方形或圆形。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 (3)最大空间分辨率(MSR)。在测试卡与背景(黑体)之间有一适当的温差时,可分辨的空间频率的最大值,称为最大空间分辨率。它表征了摄像机分辨目标细节的能力。当温差增大时,热释电摄像管的空间分辨率将随之增大,但当温差增大到一定数值后,再继续增大温差,空间分辨率基本保持不变。测试时,将空间分辨率条形测试卡和背景
22、(黑体)之间的温度差调整为一恰当值,更换不同空间频率的测试卡,至恰能分辨出的最大空间频率条形测试卡图像时所对应的电视行数,即为最大空间分辨率。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 4)热释电电视摄像机的镜头 热释电电视摄像机使用在中、远红外波段,普通可见光镜头已不适用,需要专门设计红外电视镜头。35m波段的透镜,用硅、锗和三硫化二砷等材料制成;812m波段的透镜用锗、硒化锌、硫化锌等材料制成。单晶锗折射率高、像差小,但透过率约为47%,需在表面镀上增透膜,以提高透过率。国产HJ-1型红外锗镜头工作波段为314m,采用多层离子溅射镀膜,膜层牢固度好,透过率95%。第第8 8章章 特殊成像电视
23、特殊成像电视 5)热释电电视摄像机的应用 热释电电视摄像机在常温下工作,不需照明设备,透灰尘及烟雾的能力强,可以对35m和814m光谱范围的热目标进行成像显示,分辨目标的温度分布和形状,测量目标和背景之间的温差,具有准确、直观、方便等优点,适用于电力、冶金、化工、消防、医疗等部门应用。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 在自动化生产过程中,利用热释电电视摄像机,可对一些重要部位和设备进行温度监测。例如,在钢铁企业对高炉进行监测,可看到炉体的温度分布和炉温的变化,发现炉体的损坏。在发电厂对电气设备进行监测,可及时发现过热故障和隐患。发生火灾时,消防人员用热释电电视摄像机可在浓烟和黑暗环境中
24、,寻找救护目标,探测火源位置。在医疗方面,用热释电电视摄像机可以检查早期乳腺癌,检查人体一些器官的病变,检查人体烧伤的度数及植皮等情况。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 3.凝视型焦平面阵列红外摄像机 采用单个探测器的光机扫描热摄像机,探测器探测每个点的时间为;采用沿垂直方向放置n个探测器列阵的并联扫描,n个探测器恰好覆盖垂直视场而只在水平方向扫描;当帧频一定时,并联扫描探测器探测每个点的时间将增加至单个探测器时的n倍,通频带压缩至单个探测器时的1n,从而使通道信噪比提高到倍。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 凝视型焦平面阵列红外摄像机是用红外探测器面阵充满物镜焦平面的方法来实
25、现全视场范围内目标成像的,取消了光机扫描,采用元数足够多的探测器面阵,探测器单元与系统观察范围内的目标元一一对应。假如探测器面阵在水平方向有m单元垂直方向上有n单元探测器,当帧频一定时,探测器探测每个点的时间将增加至单个探测器时的mn倍,通频带压缩至单个探测器时的1mn,从而使通道信噪比提高到倍。探测每个点的时间变为mn,探测时间长到好像与“凝视”一样。第第8 8章章 特殊成像电视特殊成像电视 1)混成式红外焦平面阵列 近年来,高性能的红外探测器不断出现,CCD工艺相对成熟,将红外探测器和CCD耦合起来就能制成高性能的红外焦平面阵列,称为混成式红外焦平面阵列。混成式红外焦平面阵列的最大特点是选
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