广告传媒-特殊成像电视培训课件 (ppt 111页)

第 8章 特殊成像电视 第 8章 特殊成像电视 8.1 红外电视 8.2 X线电视 8.3 微光电视 第 8章 特殊成像电视 8.1 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 0.78 1000m。 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 0.78 3m， 中红外为 3 6m， 远红外为 6 15m， 极远红外为 15 1000m。 第 8章 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 8章 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 2 2.6m、 3 5m和 8 14m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 8章 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 1.8 16m的红外辐射，单晶锗的折 射率在 4.143到 4.0012之间变化。 第 8章 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 1 14m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 3 5m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 3 6.5m的红外辐射，透过率高达 90%。 第 8章 特殊成像电视 (6)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 8章 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。 第 8章 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 0.8 1.2m 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 0.88 2.6m间。 第 8章 特殊成像电视 2.红外摄像器件 黑白 CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围， 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 8章 特殊成像电视 图 81 黑白 CCD图像传感器光谱特性 第 8章 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 8章 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 8章 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 0.75 3m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 8章 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。 (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 8章 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 8章 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 8章 特殊成像电视 图 82 光机扫描型热摄像机方框图 第 8章 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。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 8章 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 8章 特殊成像电视 红外探测器是一种辐射能转换器。 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 8章 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 8章 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 8章 特殊成像电视 1)热释电摄像管 (Pyroelectric Vidicon) 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 8 14m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 8章 特殊成像电视 图 83 热释电视像管的结构示意图 第 8章 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，涂有透 8 14m波段的抗反射涂层； TGS靶 是直径为 2cm、 厚 15 20m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 8章 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，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 8章 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，由此可 以区分静止目标和运动目标。 (81) 第 8章 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 8章 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 8章 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 8章 特殊成像电视 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 8章 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： (82) 第 8章 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 8章 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 (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 8章 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。 3 5m波段的透镜，用硅、锗和三硫化二砷等材 料制成 ;8 12m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 3 14m， 采用多层离子溅射镀膜 ，膜层牢固度好，透过率 95%。 第 8章 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 3 5m和 8 14m 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 8章 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，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 8章 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 1 n， 从而使通道信噪比提高到 倍。 第 8章 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 1 mn， 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 8章 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择探测器 有很大的灵活性，绝大多数采用光电二极管作为敏感 元。混成式红外焦平面的技术关键是解决光敏元和 CCD器件间的互连问题，包括热匹配和电接触。近几 年发展 起来的钢柱连接技术已能达到很高的成品率， 基本上解决了两部分的互连问题。 第 8章 特殊成像电视 混成式红外焦平面阵列的受光方式有前照射结构 和背照射结构两种结构形式。前照射结构探测器在前 面受到照射，电信号就在同一面上取出。这种结构中 ，探测器的前面与多路传输器面向一个方向，电极引 线从探测器出来，必须越过探测器的边缘区域到达多 路传输器。这种引线方式要求探测器阵列十分薄。由 于互连占去了一部分面积，光敏面相应减小。背照射 结 构要求镶嵌的探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸 收辐射，所产生的光生载流子从背面扩散到前面被 PN 结检出。目前，焦平面阵列大多数采用背照射结构。 第 8章 特殊成像电视 2) 肖特基势垒红外焦平面阵列 (SBIRCCD) 肖特基势垒是指金属淀积在半导体表面形成的具 有单向导电、整流作用的金属 半导体接触。 SBIRCCD 是把可见光的行间转移 CCD的光敏部分换 成肖特基势垒光电探测器，工作原理类似于可见光 CCD。 第 8章 特殊成像电视 SBIRCCD 可利用成熟的硅集成电路工艺技术， 实现高分辨率和获得高的成品率。 SBIRCCD 性能上 突出优点是响应均匀。在热成像系统中，响应的均匀 性在很大程度上决定了图像的质量。 SBIRCCD 的缺 点是探测器灵敏度较低，为了提高光电探测器灵敏度 ，常采用薄膜 金属电极结构和光学共振腔结构；为了 提高分辨率采用电荷扫描器件 (CSD)。 第 8章 特殊成像电视 在 CCD信号读出时，从光敏单元到垂直电荷转移 单元，所有光敏单元信号读出的转移栅是同时打开的 。在 CSD方式中，在一个水平周期内，只有水平方向 并排的一组转移栅开启；在一个垂直电荷转移单元内 ，只读出一个像元的信号；垂直电荷转移单元尺寸可 以做得很小，因此像元尺寸相对较大，增加了每个像 元所占的探测器面积比，从而提高了分辨率。 第 8章 特殊成像电视 3) SBIR TV摄像机 图 84 给出了 SBIR TV摄像机的原理框图。与其 他光子型红外探测器一样，为了减小噪声和获得较高 的信噪比，必须进行制冷，器件要封装在杜瓦瓶内。 由于采用 SBIRCCD 作为摄像器件，电路部分除了视 频处理电路外，还必须包括 CCD驱动电路。 第 8章 特殊成像电视 图 84 SBIR TV摄像机的原理框图 第 8章 特殊成像电视 图 85 为便携式 SBIRCCD 摄像机的视频处理电 路。 CCD器件输出的视频信号经相关双取样电路预处 理，再经 8位快速 A D转换器数字化。一幅均匀背景 的视频信号进入帧存储器，在摄像机正常工作的情况 下，真实视频信号和背景信号由同一个 A D转换器数 字化。两个 D A转换器分别将真实视频信号和背景信 号还原成模拟信号，送入一个模拟减法器中进行差分 放大 ，差分 放大器输出的是修正了的视频信号。然后 加入水平、垂直消隐和同步脉冲，复合成标准视频信 号，送至显示器。 第 8章 特殊成像电视 图 85 SBIRTV 摄像机视频处理电路方框图 第 8章 特殊成像电视 CCD驱动电路提供使 IRCCD 摄像器件工作所需 的全部时钟脉冲。其中包括水平输出和垂直列输出的 CCD时钟、浮置扩散复位脉冲和从探测器到 CCD的转 移脉冲。 红外焦平面阵列，特别是 SBIRCCD 焦平面阵列 可以低成本得到高分辨力器件，器件的高均匀性又可 以实现大面积凝视阵列。在最新出现的凝视焦平面阵 列红外摄像机中，数字图像运算与处理采用高速微处 理器，实现了智能化。 第 8章 特殊成像电视 凝视焦平面阵列红外摄像机取消了扫描机构，缩 小了体积，灵敏度提高至单元探测器时的 倍，对 景物辐射的响应时间只受探测器时间常数的限制，不 再受光机扫描速度的影响。可以应用在空间卫星对地 球表面研究和医学上对皮肤表面、内部组织器官的温 度分布检测，特别在军事上可应用于夜视装备、机载 探测器和精确制导武器的侦察、跟踪和测距，在现代 军事电子对抗中起着非常重要的作用。 第 8章 特殊成像电视 8.2 X线电视 8.2.1 X线 1.线的特性 线即 X射线，不是可见光，是波长极短 (1pm 10nm)的电磁波。线能够穿透物体，穿透力除与波长 有关外 ,还与物质密度有关。 X线通过高密度物质时 ,大 部分射线被吸收；而对低密度物质，则大部分射线能 通过。线的这种特性可以帮助我们透过低密度的箱 子看到箱内高密度的武器，透过低密度的皮肤和肌肉 看到体内高密度的骨骼。 第 8章 特殊成像电视 线可使胶片感光，感光胶片冲洗成底片后可长期 保存。经线摄影（拍片）后的骨骼伤害和肺部病灶 底片可作为治疗过程中的重要参考资料。 线照射某些化合物结晶体时产生黄绿色荧光， 利用这些物质制成荧光屏，线穿透人体有关部位后 在荧光屏上的图像用来进行透视诊断。 第 8章 特殊成像电视 线照射人体组织时，细胞分子被电离分解受到 破坏，有关工作人员长时间受少量射线照射，因 射线有蓄积作用而在不知不觉中受了损害，必须注意 防护。线电视是使有关工作人员远离射线而又不 妨碍工作的惟一手段，因而在医疗、工业、公共安全 和科研等方面得到了广泛应用。 2. X线的产生 线由线源产生，线源由线管、变压器和 控制器三部分组成，图 86 是线源示意图。 第 8章 特殊成像电视 图 86 X线源示意图 第 8章 特殊成像电视 1) X线管 线管又称球管，是产生线的真空管。管中安 装有阳极和阴极 (灯丝 )。用 6 12V的电压给阴极灯丝 加热，在阴极产生大量的自由电子。阴极和阳极间的 数十千伏的高压加速这些电子使它们高速射向阳极轰 击阳极钨靶。电子所带能量的 99.8%转变成热能，能量 的 0.2%产生线，线从线管窗口射出。 第 8章 特殊成像电视 线管阳极斜面上放射出线的地方叫焦点，实 际上它不是一个点而是一个小面。焦点面积的大小直 接影响线影像清晰度，焦点面积越小，影像越清晰 。线电视系统要求射线源必须是小焦点线管， 最好用焦点面积只有 0.1 0.3mm2的微焦点线管。 2) 变压器 线源中有两种变压器：一种是供球管灯丝用的 降压变压器；一种是供线管两极间高电 压的高压变 压器，高压变压器将市电升至 40 150kV。 第 8章 特殊成像电视 3) 控制器 控制器用来控制线源的工作，实现高压电压、 高压电流和曝光时间三个参数的调节。 高压电压是线管两极间的高压电压值，以千伏 (kV)为单位。千伏值越高，电子轰击阳极靶的速度越 大，能量越高，产生的线波长越短，穿透能力就越 强，适用于密度大的物体；千伏值越低，产生的线 波长越长，穿透能力则越弱，适用于密度小的物体。 高压电流是通过线管两极间的管电流值，以毫 安 (mA)为单位。毫安值与产生线的量成正比。 曝光时间，即产生线的时间，以秒 (s)为单位。 第 8章 特殊成像电视 3. X线机及其缺点 上述线源配上线荧光屏就构成线机。线 机曾经广泛应用于医疗、工业和科研等方面。但线 机必须在暗室进行操作，只能在一个很小的线荧光 屏上观察和诊断，操作人员距离线机太近会受到伤 害。线电视系统的研制成功解决了以上问题，它迅 速替代了线机。 第 8章 特殊成像电视 8.2.2 X线电视系统 线电视系统由线源、像增强器、光学系统 、摄像机、控制器和监视器等设备组成，其框图示 于图 87 。系统中的关键器件是像增强器，也需要 用较复杂的光学系统，摄 像机、控制器和监视器与 通用型的摄像机控制器和监视器工作原理一致，性 能稍有不同。 第 8章 特殊成像电视 图 87 X线电视系统方框图 第 8章 特殊成像电视 1.X线像增强器 线像增强器是一种多电极静电聚焦电子光学器 件。线图像经它转换成为可见光图像，并将图像亮 度增强。 线像增强器由线像增强管、壳体和电源三部 分组成，如图 88 所示。 第 8章 特殊成像电视 壳体由坡莫合金衬里、铅保护层和金属外壳组 成。坡莫合金衬里的导磁率高，能有效地屏蔽地磁 场和周围杂散磁场对电子束的作用，防止图像畸变 。铅层能防止像增强管内的线透出来伤害工作人 员。外壳有防潮和遮光作用，由铝材和铁皮制成。 线像增强管的电源固定在壳体上，供给像增 强管各工作电极高压，保证其正常的工作状态和增 强作用。 第 8章 特殊成像电视 图 88 X线像增强器示意图 第 8章 特殊成像电视 1) 线像增强管 线像增强管是一个高真空管，管壳输入窗用高 透过率、低散射轻金属 (铝或钛 )制成，管壳内依次排列 着输入屏、聚焦电极、阳极和输出屏。图 89 （ b） 是 线像增强管示意图。输入屏的构成如图 89( a)所示 ，由外至内各层依次是铝膜、荧光屏、透明层、光电 阴极，铝膜作荧光反射体，荧光屏的荧光物是碘化铯 或硫化锌镉，光电阴极为锑铯涂层。输出屏的组成如 图 89 （ c） 所示， 由内至外各层依次是铝膜、荧光屏 、输出窗。输出屏是将 P20荧光粉 (Zn、 Cd、 S、 Ag)沉 积在一片紧靠输出窗的薄玻璃片上后，再蒸涂一层铝 膜形成的。 第 8章 特殊成像电视 图 89 像增强管的构造 (a)输入屏； (b)像增强管 ;(c)输出屏 第 8章 特殊成像电视 2) 线像增强管工作原理 线穿过物体后，其强度随物体密度分布变化， 该携带物体密度分布信息的射线经输入窗投射到输入 屏，屏上的荧光物按线强度分布激发出一幅荧光图 像。荧光经透明层后射入光电阴极，在光电阴极的另 一面形成一幅完全与入射线强度相对应的电子图像 ，是被检测物体的密度分布图像。电子束经聚焦电极 聚焦及阳极电压加速后打到输出屏上，形成一幅增强 了的可见光图像。 第 8章 特殊成像电视 图像亮度增强的原因是光电子通过加速电场时吸 收了能量，而且输入屏较大面积上产生的光电子被聚 集到了较小面积的输出屏上。 由于光纤技术的发展，图像增强管使用了光纤输 出面板，它能与带光纤面板的 CCD摄像机直接耦合， 可以提高灵敏度，降低线剂量。 第 8章 特殊成像电视 3) 可变输入视野像增强管 在给定的线和电极电压下，输入屏上图像可转 换部分的直径大小称为像增强管的输入视野。若输入 视野可变，则称为可变输入视野图像增强管。常用的 有 13cm(5英寸 )， 15cm(6英寸 ),18cm(7英寸 ),23cm(9英寸 ),30cm(12英寸 ),35cm(14英寸 )和 40cm(16英寸 )等固定视 野管；还有 23cm(9英寸 ) 13cm(5英寸 ),23cm(9英寸 ) 15cm(6英寸 ),23cm(9英寸 ) 18cm(7英寸 ), 23cm(9英寸 )/15cm(6英寸 )/11cm(4.5英寸 ),30cm(12英寸 ) 23cm(9英 寸 ) 15cm(6英寸 )等可变视野增强管。 第 8章 特殊成像电视 可变视野图像增强管的结构与固定视野像增强管 的结构相似，只不过前者多了两个辅助电极。图 810 为可变视野像增强管示意图。工作时，只要改变加在 聚焦电极和辅助阳极上的电压，便可以沿像增强管的 对称轴改变电子束焦点的位置，从而改变输入视野。 通常用 G1电压调节图像的匀称性，用 G2电压调节焦点 ，用辅助阳极电压控制输出图像的大小。 通常先用大视野观察，对其不详的部位再用小视 野观察。 第 8章 特殊成像电视 4) 像增强管主要技术指标及测量方法 (1)分辨率 :线图像增强管分解图像细节的能力。 测量用的分辨率测试卡是一块布有不同间距铅条的板 ，一条铅条与铅条间的间隙组成一个线对，以单位宽 度能区分多少线对来度量。测量时，把测试卡放在像 增强器前，用放大镜在像增强器输出窗观察，测得的 线对数越多，分辨率越高。 第 8章 特殊成像电视 图 810 可变视野像增强管示意图 第 8章 特殊成像电视 通常把从输入视野中心到 20%视野半径区内的分 辨率叫中心分辨率，把从输入视野中心到视野 半径 70%区内的分辨率叫中间分辨率，把视野半径 70%到 90%之间的分辨率叫边缘分辨率。 (2)转换系数 :在一定线剂量下的输出屏亮度。转 换系数高，增强管的灵敏度就高。测量时用剂量计探 头测出 线剂量率 R， 再用亮度计读出输出亮度 B， 转 换系数 GX为 (83) 第 8章 特殊成像电视 式中，亮度 B的单位是坎德拉 /米 2(cd/m2)， 线剂 量率 R的单位是毫伦 /秒。 若为可变视野增强管，则应对各输入视野进行转 换系数测量。由于输入屏边缘离开线管的焦点远， 输入屏表面是凸面，输入屏边缘线入射剂量小，为 了确定视野上的转换系数变化情况，应在视野上多取 几个点进行测量。 第 8章 特殊成像电视 (3) 对比度 : 像增强管输出图像最大亮度与最小亮度之比。增 强管的对比度高，整机的对比度通常也高。测量时， 在紧靠图像增强器输入面的中心放一个能遮住 10%输 入视野的铅盘，盘的厚度为 6mm。 用亮度计测出铅盘 图像的中心亮度 B1， 记住测 B1的位置后取 出铅盘。再 把亮度计对着测 B1的位置测出亮度 B2， 对比度 C为 （ 84 ） 第 8章 特殊成像电视 (4) 对比灵敏度： 表征线像增强管发现病灶的能力，常使用 JEDEC透度计进行测量。透度计是一个厚度为 20mm的 铝盘，盘上钻有一些直径为 6.5mm的盲孔（未钻透的孔 ），盲孔深度为盘厚的 1.5% 7%，盲孔的参数相对深 度就用百分数表示。测试时把透度计置于像增强器的 输入面上，增强管能检测到的最浅盲孔深度值称作增 强管的对比灵敏度。能见到的盲孔深度越浅，像增强 管的对比灵敏度越高。 第 8章 特殊成像电视 2.光学系统 像增强管输出屏的可见光图像还要摄像、拍片， 故需配上由转像系统、直角反射器和光分配器构成的 光学系统。 1)选用大孔径光学系统 像增强管输出屏的图像亮度不高，在光学系统中 应尽量减少光能量损失。因为透镜的像面 照度与其相 对孔径 D f的平方成正比，故在线电视设备中应选 用大孔径光学系统。 第 8章 特殊成像电视 2)转像系统 图 811 是转像系统示意图。像增强管输出屏图像 经 L1后变为平行光，而 L2则将平行光成像于摄像机光 电传感器。在 L1和 L2间可以插入光分配器，为充分利 用像增强管有效视野及摄像机 CCD传感器的光敏区， 应满足的匹配条件为 （ 85) 第 8章 特殊成像电视 式中， d1是像增强管输出图像直径， d2是摄像机 CCD传感器的光敏区有效利用直径， f1为 L1焦距， f2为 L2焦距。 L1、 L2距离应尽量短，以免产生光通量损失，造成 图像亮度不均匀，中间部分亮边沿逐渐变暗。 第 8章 特殊成像电视 3) 直角反射器 有时需将电视摄像机和像增强器安装成直角，这 时应设计一个直角反射器，如图 812 所示。直角反射 器中装有一个和水平面成 45的平面反射镜，它将入射 光成直角反射。为保证光学准直性，平面反射镜与水 平面所成的角度应能微调。 第 8章 特殊成像电视 图 811 转像系统示意图 第 8章 特殊成像电视 图 812 直角反射器示意图 第 8章 特殊成像电视 4)光分配器 为了同时进行电视摄像和拍片，需要一个如图 813 所示的双通道光分配器。分配器中装有一个半反 射镜，是一种特殊棱镜，当光线射到半反射面时，绝 大部分光线被反射，少部分透过棱镜。当转换开关置 于拍片时，主输出 90%供给拍片机，次输出 10%供电视 监视。当转换 开关置于电视摄像时，则用电机控制半 反射镜面旋转，使大部分能量到达电视摄像机。 第 8章 特殊成像电视 图 813 双通道光分配器示意图 第 8章 特殊成像电视 3.摄像机 线电视摄像机与通用电视摄像机主要不同点有 ： 1) 圆消隐 为充分利用图像增强管有效视野和摄像机 CCD传 感器的光敏区，为符合医疗单位的观察习惯，医用 射线电视摄像机均采用圆消隐，即在监视器荧光屏中 央的一个圆的范围内观看图像。 第 8章 特殊成像电视 2) 宽高比为 11 与圆消隐相适应，医用线电视摄像机扫描光栅 的宽高比不是 43，而是 11，这样还可以充分利用视 频通道的信息传输能力。在视频通道带宽相同、电子 束聚焦正常的情况下，采用 11的宽高比后水平分辨率 得到提高。 3) 较高的分辨率和亮度鉴别等级 为了能够发现被检测物体密度极小的差异，线 电视摄像机必须有较高的亮度鉴别等级和 分辨率。水 平中心分辨率应达到 800线，故要求整个视频通道的带 宽高于 10MHz。 第 8章 特殊成像电视 4.控制器 在线电视系统中，线是穿透密度不同的被检 测物体后到达图像增强器输入屏的，不同的被检测物 体对 X线的吸收不一样，所以到达图像增强器输入屏的 线剂量不同，引起输出屏图像亮度差别很大，以致 监视器荧光屏上不同被检测体的图像亮度差别明显。 同一被检测 物体各部位密度也不同，所以被检测体各 部位图像亮度差别也很明显。 第 8章 特殊成像电视 自动亮度控制就是当被检测体对线吸收量发生 变化时 ,变动线机产生的线剂量，以保证图像增强 器输出屏亮度保持恒定，最终使得监视器荧光屏上的 被检测体图像亮度保持恒定。 第 8章 特殊成像电视 在摄像时，摄像机的自动增益控制与自动亮度控 制起着不同的作用。摄像机的自动增益控制电路可在 较大的输入信号范围内使输出视频信号幅度保持稳定 。但有时线剂量已经超过标准，应该降低线剂量 ；自动增益控制电路在输入视频信号较小时使输出视 频信号幅度保持稳定，但这时 输出视频信号信噪比降 低，图像质量差，不能获得满意的效果，应该增加 线剂量。 自动亮 度控制系统的调整过程是慢速的，必 须与调整速度快的自动增益控制电路配合工作。 第 8章 特殊成像电视 当被检测体对线吸收量突然增大，摄像机输入视频 电压幅度减小到额定值的 50%，这时自动增益控制电路 立即起作用，增大可控增益放大器的放大量，使图像亮 度趋于恒定；自动增益控制作用在 60毫秒后消失，自动 亮度控制系统开始起作用，加大线机产生的线的剂 量，使摄像机输入视频电压幅度又恢复到额定值。 线的辐射强度 IX为 (86) 第 8章 特殊成像电视 式中， K为比例常数； Z为 线管阳极靶材料的原子序 数； I为 线管管电流，单位为 mA； U为 线管管电压 ，单位为 kV。 式 (86) 示出 线机产生的 线剂量与 线管的 管电流及管电压之间的关系。在实际应用时，还要考 虑 线的硬度。 线硬度不够时，剂量再大也无法穿 透被检测体。 线的硬度取决于管电压和 线管阳极 靶材料的原子序数，管电压越高，靶材料的原子序数 越大， 线 的硬度越大，穿透能力就越强。 第 8章 特殊成像电视 5. 线电视系统的应用 线电视系统的应用主要是在医疗方面。根据使用特 点， X线电视系统可分为诊断机、定位机和治疗机。 1) 诊断机 诊断用 线机配上图像增强器、光学系统和电视设备 组成 线电视系统，这种系统不必在暗室工作， 线剂量 大约只有普通 线机的 1/10。 供透视用的隔室透视机和供 特种检查用的遥控 线机使医生完全脱离 线，这两种设 备都配上 线电视系统。前者将图像增强器和 X线机球管 固定，而控制人体上、下、左、右移动；后者设有可在三 维空间运动的摇栏床并带有机械手。 第 8章 特殊成像电视 2) 定位机 对肿瘤患者进行放疗前必须对病灶准确定位，为 此专门生产出一种模拟定位机，这种设备也必须配上 X 线电视系统。 第 8章 特殊成像电视 3) 治疗机 各种各样的 线电视系统也出现在临床科室，成 为外科医生们手术治疗中的重要手段。例如骨科机， 供在 线下进行骨科手术；导管机，供在 线下进行 心血管导管，安装起搏器；碎石机则是为粉碎胆结石 、肾结石和输尿管结石而设计的。所有这些设备都离 不开 线电视。 第 8章 特殊成像电视 线电视系统还是一种很好的无损检测手段，可 用于工业探伤。因为探伤用 线机产生的 线硬度大 ，对人体伤害极大，不宜用肉眼在荧光屏上观察，以 前采用拍片办法来检查工件，胶片的消耗费用很大， 有的飞机制造厂每年要花上百万元的胶片费。为了节 省费用，可以采用探伤用 线电视系统。 第 8章 特殊成像电视 8.3 微 光 电 视 当我们从电视上动物世界栏目中看到夜间丛林中 各种动物生活秘密的时候，一定会惊叹摄像师高超的 本领，利用夜幕掩护来接近动物充满了危险，怎样在 漆黑的夜晚摄取清晰的图像呢？这就要靠微光摄像机 。 微光电视的关键设备是微光摄像机。微光电视系 统中的其他设备与普通电视系统是完全一样的。 第 8章 特殊成像电视 8.3.1 微光电视的特点 微光电视就是能够在人不能看清景物的条件下， 产生清晰图像的电视系统。如能在星光条件下 (10-4lx) 工作的摄像机。在这样的光照下，人眼已无法看清楚 景物，而微光电视系统能够在这样的条件下摄取高质 量图像。由于摄像器件的迅速发展，摄像机的灵敏度 提高很快，可以在黄昏环境下 (10-2lx)工作的摄像机品 种很多，价格也很低廉，一般称之为低照度摄像机， 已把它列入通用摄像机的范畴。 第 8章 特殊成像电视 微光电视提高了人在微光条件下的可见度，也提 高了观测目标的清晰程度，但也有一定的局限性。微 光电视的主要特点有： (1)微光电视增强了从目标反射的光线，在可见光 范围内，提高了人的可见度。不同于非可见光电视和 其他夜视手段，它是一种被动的、通过自身的增强作 用来实现夜视功能的手段，利于保密。 (2)虽然提高了灵敏度和分辨力，图像效果达不到 白天观察时的效果，因为在微光条件下，景物本身的 对比度和清晰度降低，色彩消失。而光的增强过程会 引入新的噪波。 第 8章 特殊成像电视 (3)微光电视分辨目标的能力会受到气候条件的影 响。例如 ,在烟、雾、雨、雪中，微光电视所产生的图 像并不比人直接观察或使用光学设备观察的效果好。 若没有上述影响，微光电视的图像就会远远优于人眼 和光学设备。 (4)用微光电视系统摄取图像，便于传输、记录， 可实现远距离的观察和遥控。 (5)微光摄像机的价格高，使用寿命也低，使用时 需要注意的问题多，在应用上受到一定的限制。 第 8章 特殊成像电视 8.3.2 微光像增强器 微光像增强器作为一种光增强器件，能够把较弱 的输入光学图像转换为相似的、比较明亮的光学图像 。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。像增强器把入射光成像 在光阴极上，再从光阴极上发射光电子，并用几千伏 的电压加速光电子，使在输出屏聚焦的图像得到增强 。把它与 CCD摄像器件耦合起来就可以提高摄像器件 的光电灵敏度，实现微光摄像。微光像增强器本身也 是一种直接观察的夜视器件。 第 8章 特殊成像电视 像增强器的种类很多。按工作方式可分为：连续 工作、选通工作和变倍工作像增强器。按像管结构可 分为：近贴式、倒像式、静电聚焦式和电磁复合聚焦 式增强器。按发展阶段则分为：第一代级联式像增强 器，第二代光纤面板阴极窗带微通道板的像增强器， 第二代半玻璃阴极窗带微通道板的像增强器和第三代 负电子亲和势光阴极像增强器。目前像增强器又出现 了用第三代近贴管与第一代