1、第六章,红外成像原理,2,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,3,一、引言,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,SL-9彗核C碰撞前后的木星红外图像,天文观测,1.1 红外线的应用,4,一、引言,红外望远镜,红外摄像机（英军押解伊战俘）,军事观察,5,一、引言,红外云图,气象预测,6,一、引言,Invisible radiation photography is often applied to the study of works of art as here in the paintin
2、g La Madonna dellImpannata by Raphael. Invisible radiation imaging reveals a much younger Saint John the Baptist sitting on Josephs lap found beneath the surface of the visible painting (right). Images Editech.,艺术鉴定,7,一、引言,红外感应开关,红外测温仪,温度感应,8,一、引言,数据传输,9,一、引言,医学成像,10,一、引言,红外线这么有用啊！,天文,军事,气象,数据传输,文物鉴
3、定,医学,11,一、引言,1.2 红外线的历史,1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。,1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光。,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。,12,一、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。,13,一、引言,1904年，开始采用近红外进行摄影。,1929
4、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。,14,二、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（0.783.0um）,中红外（3.020um）,远红外（20100um）,15,二、红外辐射的基本概念,红外辐射普遍存在于自然界：,红外辐射的倍频程比可见光宽:,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。,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
5、频程称为1倍频程，简称倍频程。,可见光：0.380.78um，一个倍频程 红外线：0.781000um，商为1282210，10个倍频程,16,二、红外辐射的基本概念,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。,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。,黑体,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。,17,二、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；,（61）,即物体的实际红外辐射与同温度下黑体红外
6、辐射之比值，显然，物体的比辐射率都小于1。,18,二、红外辐射的基本概念,19,二、红外辐射的基本概念,2.2 红外辐射的三个规律,推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。,20,二、红外辐射的基本概念,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：,斯蒂芬玻耳兹曼定律（1879，1884）,（6-2）,可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。,21,二、红外辐射的基本概念,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：,（6-
7、3）,维恩位移定律,的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。,22,二、红外辐射的基本概念,红外辐射能量密度曲线,常见物体的峰值波长,23,二、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；,24,二、红外辐射的基本概念,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。,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。,25,二、红外辐射的基本概念,几种红外光学材料的透过率,高温性能稳定,最常见,26,三、主动
8、式红外成像系统,红外成像系统,核心：如何将红外图像转变为可见光图像？,27,三、主动式红外成像系统,装有红外夜视仪的步枪,红外夜视图像,28,三、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；,3.1 主动式红外成像系统,缺点：易暴露，不利于军事应用。,29,三、主动式红外成像系统,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,30,主动式红外成像系统结构,31,三、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
9、极面上；,目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察；,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！,32,三、主动式红外成像系统,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。,3.1.3 红外变像管,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；,从工作方法上分，可以分为连续工作方式和选通工作方式。,33,三、主动式红外成像系统,电子光学系统,荧光屏,34,三、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,通常变像管的光阴极采用对近红外敏感（0.
10、81.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部分相当于一个静电聚焦系统。,电子流图像,电子光学系统,荧光屏,可见光图像,35,三、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。,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。,36,三、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,37,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,脉冲光源照明输出,后向散射辐射,目标反射辐射,选
11、通脉冲,减少大气后向散射对红外图像对比度和清晰度的影响,38,三、主动式红外成像系统,3.1.4 红外探照灯,光源,抛物面反射镜,红外滤光片,灯座,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）,39,三、主动式红外成像系统, 体积要小，重量轻，寿命长，工作可靠。,对红外探照灯的技术要求：, 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；, 探照灯的照射范围与仪器的视场角基本吻合；, 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；,40,三、主动式红外成像系统,3.
12、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1.22.9万伏。,对高压电源的技术要求：, 输出稳定直流高压；, 在高、低温环境下能保证系统正常工作；, 防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。,41,三、主动式红外成像系统,主动式红外成像系统的特点：, 能够区分军事目标和自然景物，识别伪装；,典型目标的反射曲线,可见光谱区,近红外光谱区,42,三、主动式红外成像系统, 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。, 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）；,43,四、红外热成像系统,热图像再现了景物各部分温度和辐射发
13、射率的差异，能够显示出景物的特征。,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。,44,四、红外热成像系统,ThermoVision A20-V高品质红外热像仪,45,四、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,46,四、红外热成像系统,红外热成像系统,光机扫描型,非扫描型,图像质量好 结构复杂 成本高,结构简单 图像质量逐渐提高,47,四、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
14、部分,48,四、红外热成像系统,汇聚光束光谱滤波,光电转换,电视光栅,49,四、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。,50,四、红外热成像系统,通光孔径和相对孔径大，工作波段宽，像差校正困难。, 折反式：主镜与次镜均采用球面镜，加入补偿透镜校正像差,红外光学系统的特点,物镜系统, 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；, 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；,51,四、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；,
15、光锥,利用圆锥的高反射率聚光，缩小探测器尺寸；,中继光学系统,便于探测器件的结构安排；,前置望远系统,减小光学扫描器件的尺寸。,52,四、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；,会聚光束扫描（像方扫描）,扫描器安置在聚光光学系统和探测器之间，对像方光束进行扫描。尺寸小，扫描速度高。对聚光光学系统有较高要求。,53,扫描方案,反射镜鼓行扫描、摆镜场扫描,反射镜鼓行扫描、折射镜场扫描,适于小视场单元器件扫描用，不适合高速扫描用,扫描效率高，像差校正有难度,54,四、红外热成像系统,4.1.2 多元探
16、测器热成像系统,将多元探测器按不同方式排列起来分解景物，可以改进每帧、每分辨单元的信噪比，提高系统的性能。,基本摄像方式, 并联扫描摄像方式, 串联扫描摄像方式,55,四、红外热成像系统,优点：系统灵敏度高，对探测器速度要求不高； 缺点：探测器数量多，电路和材料工艺复杂。,并联扫描摄像方式,56,四、红外热成像系统,串联扫描摄像方式,优点：探测器性能均匀，图像缺陷少，信噪比提高 倍，信号处理容易，不需要扫描变换就可以得到标准视频信号； 缺点：对探测器速度要求高。,57,四、红外热成像系统,4.1.3 红外探测器（核心器件）,红外探测器是红外辐射能的接收器，它通过光电变换作用，将接收的红外辐射能
17、量变为电信号，经过放大、处理，形成图像。,热探测器,如热敏电阻、热电偶、热释电探测器等，是吸收红外辐射，使敏感元件温度上升，由此引起物理参数改变的探测器。,58,四、红外热成像系统,光子探测器,光子探测器是通过光子与物质内部电子相互作用，产生电子能态变化而完成光电转换的探测器。光子探测器在响应灵敏度和响应速度方面均优于热探测器，应用广泛。,光导型,半导体电导率增加,光伏型,半导体PN结形成电子空穴对，产生电势,59,四、红外热成像系统, 探测器致冷要求不宜太高（小型化）。,对红外探测器的基本要求, 探测率要高，提高系统的热灵敏度；, 工作波段与检测目标的辐射光谱要适应，以便接收尽可能多的红外辐
18、射；, 用于并扫的多元探测器，各单元探测器的特性要均匀；, 探测器响应速度要快，以适应快速扫描；,60,四、红外热成像系统,4.1.4 致冷器,致冷器的作用是降低红外探测器的噪声，使其在低温状态工作。,由致冷剂变相吸收热量而致冷,B. 焦耳汤姆逊效应致冷,C. 辐射热交换致冷,D. 温差电致冷,A. 变相致冷,高压气体节流循环致冷,高温物体辐射能量降温,利用直流电通过半导体电偶对的珀尔帖效应致冷,61,四、红外热成像系统,显示可以采用发光二极管和CRT。,4.1.5 信号处理与显示,信号处理与显示的基本任务是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温
19、度，并显示出景物的热图像。,信号处理部分包括：前置放大、主放、自动增益控制、限制带宽、检波、鉴幅、多路传输和线性变换。,62,五、微光成像系统,微光成像系统是一种利用光增强技术的光电成像系统，可以在极低照度（10-5lx）下工作，应用领域涉及军事、天文、公安执法、生物医疗等。,微光成像系统,直视系统 （微光夜视仪）,间视系统 （微光电视系统）,63,五、微光成像系统,5.1 微光夜视仪,夜空自然微光照射目标，经目标反射的微光辐射进入光学系统物镜，物镜把目标成像于焦平面的像增强器光阴极面上，像增强器对目标像进行光电转换、电子成像和亮度增强，显示于荧光屏。,工作原理,由于工作时只靠夜天光照明而受自
20、然照度和大气透明度影响大，图像平淡而层次不够分明。,64,五、微光成像系统,直视微光夜视系统,核心器件：把微弱的光图像增强到足够的亮度，以便人眼进行观察,不用人工照明是其最主要的优点,65,五、微光成像系统,微光像增强器, 图像传递信噪比高,微光像增强器是一种电真空成像器件，主要由光阴极、电子光学系统和荧光屏组成。图像增强包括三个环节：外光电效应、加速聚焦、可见光（荧光）成像。,技术要求, 足够的亮度增益；, 低背景噪声；, 高响应度, 好的调制传递特性, 响应速度快,66,五、微光成像系统,微光像增强器经历了三代微光器件的发展过程：,级联式像增强器：体积大，防强光能力差；,带微通道板的像增强
21、器：信噪比低，探测距离有限；,半导体光阴极像增强器：体积小，灵敏度高，成本高,67,五、微光成像系统,5.2 微光电视系统,工作原理,微光摄像机将目标及其背景在夜天光辐照下的反射光亮度分布，通过电视扫描方法变成按时序分布的视频信号，再通过控制器进行处理后，输入监视器进行显示。,微光电视摄像机,传输通道,接收显示装置,组成部分,68,五、微光成像系统,69,五、微光成像系统,微光电视系统的特点 （与肉眼或普通光学仪器相比）, 入瞳直径大，光子数可达人眼1000倍以上；, 光阴极面面积比人眼视网膜大很多；, 光阴极量子效率高；, 利用数字图像处理技术提高图像质量；, 可在一帧时间内积累信息，提高信
22、噪比。,70,五、微光成像系统,微光电视系统与微光夜视系统相比：, 可以实现图像远距离传输；, 可以多人、多地点同时观察；, 便于录像和遥控摄像；, 可与光电自动控制系统结合构成电视跟踪系统。,71,六、小结与作业,重点掌握以下内容： 1. 红外辐射的特点与传播规律； 2. 红外变像管的结构与工作原理； 3. 红外探测器的类型及致冷器的作用； 4. 微光像增强器的工作原理及类型。,72,六、小结与作业,作业： 1. 红外探测器有哪些特性参数？分别代表什么意义？ 2. 解释红外变像管的选通原理。,73,附录：红外成像的医学应用,1933年，哥本哈根大学国家医院的哈克塞森首先把红外摄影技术用于皮肤
23、病学的研究，此后人们就把这一方法广泛地应用于医学实践。,医学红外摄影技术主要考虑三个方面：皮肤和皮下组织对红外光的反射、散射和透射特性能穿透机体红外光源的光谱分布能记录红外光的胶片和感光板的光谱响应,一、皮肤病学红外摄影首先用于医学方面的是检查皮肤疾病，它可以提供浅表痂皮下面愈合过程和皮下静脉情况。,74,附录：红外成像的医学应用,二、静脉摄影结合常规的摄影技术，红外摄影方法可以显示出静脉曲张的特征性异常表现。它表现为在正常小腿上能见到比较细直的分枝，形成多边形的网状结构。在静脉曲张病例中，常见到蜿蜒弯曲的分枝增粗成静脉小岛，它在红外照片中清楚地显示出来，而用普通摄影或肉限是看不出来的。,三、
24、血液循环的研究利用红外照片来记录乳房和腹部浅表静脉的图形和大小变化，可以研究血液运行状况。比如，初产妇和多产妇在妊娠时，红外照片上的血流状况是不一样的。,75,附录：红外成像的医学应用,由于血液中各种成分对红外光的吸收作用不同，可作临床疾病的更深入研究。比如硝基苯胺中电会引起小腿血管郁滞，红外照片可以清楚地显示出来；肾上腺素对正常人和高血压病人有影响，可以从指甲的红外照片上反映出来；此外，红外照片还可探索结核菌素和其它皮肤试验的反应。,四、透照技术采用黑白和彩色红外透照技术检查儿童头颅疾病，不仅毫无痛苦，而且比脑室造影检查安全。其中，彩色红外透照方法特别有价值，因为它可以同时把可见光和红外光的
25、透射部分记录下来，而且，在照片上显示出重要的颜色差别。用这种方法可以将脑积水与更为严重的脑内积水加以监别。,76,附录：红外成像的医学应用,五、肝病理学红外摄影对肝硬化的诊断有很大帮助，它可以把肝硬化与肝癌等区别出来。早期的肝硬化，没有明显的侧支循环，而晚期的肝病中有非常清晰的分枝静脉图像，成为肝硬化病症的特征。,六、肿瘤的研究应用黑白和彩色红外摄影技术常常可以发现肿瘤。生长在体表上或接近体表的早期恶性肿瘤，其周围会有血管增多或异常条纹，表示了肿瘤血液的供给有不同程度的增加，这可作为确定有否恶性瘤的辅助手段。 临床上已证实，乳腺癌在红外照片上显示为供血增多，病变一侧可清晰看到肉眼不能见到的静脉
26、充血。,77,附录：红外成像的医学应用,七、牙科牙齿的红外照片，釉质一艇比牙质显得阴暗，而龋齿前向的退化釉质则相反，健康的门齿边缘呈白色，在正常情况下随着牙质的增加光亮度也均匀增加，釉质不均处的色调较淡。退化釉质对红外光有很高的反射率，并有中等的红外发光强度。与牙齿有关的成份如磷灰石的反射率和发光强度都很低。,八、眼科 对红外光的反射率随眼睛色素的颜色而异。 临床实践表明，用彩色红外胶片进行眼科学研究是一个卓有成效的方法。在彩色红外幻灯片上正常眼底呈现黄绿色，伴有棕红色的静脉和黄色的动脉。血管纹理在照片上呈紫灰色。,78,附录：红外成像的医学应用,正常人体的温度分布具有一定的稳定性和对称性。因
27、此，人体温度分布的某处改变（一般是由血流和代谢的改变引起），即表示该处疾患的产主和存在。,各种疾病所产生的局部新陈代谢的异常活跃与减低与周围组织温差的红外热图，为判断疾病和疗效观察提供了较客观的依据。,红外热图的一般诊断方法统一的特定温度条件下：20对称部位比较全身综合分析生理解剖系统分析结合主述、病史、查体、特殊检查综合判定自身相比较、与他人相比较,79,附录：红外成像的医学应用,红外热图的诊断标准（20),80,附录：红外成像的医学应用,红外热图的诊断标准（20),81,附录：红外热图示例,正常人体远红外热图,锁骨处及淋巴处代谢旺盛，出现正常均匀的热区，两乳正常，温度微低。,正常人体腹部，
28、两侧温度分布基本对称，脐部为正常的热区，脂肪厚的地方温度较低，两乳为正常微冷区,正常人的腿部，双腿基本对称，双足由于负重过久而血流不畅，导致低温,82,附录：红外热图示例,正常乳房热像，两侧乳房基本对称，两乳下窝处为正常的热区，对肝病判断的时候要注意考虑此问题。乳头为正常的冷区。,在乳腺早期癌变尚未形成明显的肿块时，其局部组织即会产生相应的变化，如局部血管增生、扩张、迂曲（热图显示为血管倒粗或环状和网状血管），局部组织代谢旺盛，其温度即可升高。,箭头处即为乳腺癌区,83,附录：红外热图示例,左乳确诊乳腺癌，远红外热像显示，血管明显增粗、代谢旺盛。整体温度明显高于右乳。乳窝处的热区为正常的升温。
29、,左侧热图为一乳腺癌患者，内部有明显的肿块，已经坏死，右边为X光图片，互相印证，X光中的亮的部分为已经坏死的肿瘤。,84,附录：红外热图示例,静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明显。,脉管炎患者的腿部远红外热像图，患腿由于血管疾病而血流不畅，导致低温。,85,附录：红外热图示例,静脉炎是静脉血管发炎，热图表现为局部热区明显扩大。脉管炎是中小动脉血管壁发炎引起的肢端发凉，坏疽，从热图反应手足部及前下肢温度偏低。,左膝关节软组织炎。热图显示左膝关节局部团状增温（箭头所示），温差0.71.2度不等。,86,附录：红外热图示例,某些糖尿病患者会出现一种称之为“糖尿病足”的
30、并发症。它的病理变化是糖尿病后期全身性血管狭窄，尤其以下肢血管狭窄为甚，血管明显减少，致使局部组织缺血缺氧，最后发展为不可逆的组织坏死，不得不进行外科截肢手术。,雷诺氏病，双手缺血，温度较正常温度低 23。手指与手背温差梯度较大。手指平均温度较手背平均低 23。,87,附录：红外热图示例,雷诺氏病，双手弥漫性高温充血，手指的平均温度手指的平均温度较手背温度高23度。手指与手背温度呈异常的反相性热图像分布。,腱鞘炎，热图显示：右手第五掌骨病灶区温度增高，范围局限，温差0.81.2。,88,附录：红外热图示例,脑血栓患者的远红外热图，该患者热像检查显示： 左颈动脉的分支颞浅动脉、上颌动脉面动脉所分
31、布区域（前额区、两侧区、面颊级口周）均呈低温缺血状，提示左颈动脉附壁血栓形成。,强直性脊柱炎（AS) 患者的脊背热像图，以后正中线的棘突为中心的自颈背至腰骶部的异常热区，如同一条彩带。,89,附录：红外热图示例,腰肌劳损，腰椎体两旁韧带呈条索状增温，病变范围局限（箭头所示），温差在0.71.0。,肝癌患者的腹部远红外热像图，肝部明显代谢旺盛，温度升高，此人的右乳也有些增生迹象。,90,附录：红外热图示例,颈椎病热图，能显示出相应骨赘压迫椎动脉即椎间盘变性变薄后椎动脉发生弯曲致局部血流量减少（呈低温区）或骨赘刺激交感纤维或星状神经节，引起椎动脉收缩，呈局部供血不足，并致其所辖部位营养障碍。,91,红外热成像系统（二）,光机扫描型热成像系统工作框图,电 源,电源的调节与分配,视频监视,视频记录,视频处理,前置放大,探测器,制冷器,光机扫描,同步扫描,光谱滤波,物镜系统,目标辐射,
