红外技术7资料.ppt

第七章 红外成像§7.1红外摄影一、红外摄影的特点1.成像透镜能透过红外辐射，感光材料对 红外辐射有敏感反应2. 物镜前应装置能吸收短波的滤色镜3.照相时应调整偏离目视瞄准的清晰位置4.红外感光材料灵敏度低，照明差别对曝光时间的影响比普通摄影大（与普通摄影比较）5. 优越性★能在有雾的大气条件下摄取远距离的目标★当大气透明度很高时，能拍普通摄影术无 法获得的极远目标★能鉴别各种目标，如不同品种的树叶、血 管等的反射率差异，普通摄影术无法鉴别★即使在全黑情况下，利用红外源照射仍可 摄影二、红外摄影感光材料普通卤银感光层光谱灵敏度0.35~0.50µm改变感光层灵敏度光谱分布——光学敏化掺入专门的有机染料—敏化剂敏化峰值移向红外段越远，红外敏感材料的灵敏度和稳定性变得越低（可保存性）最常用的敏化峰值0.76~0.88µm 目前最长达1.2µm§7.2 红外变象管成像一、结构红外变象管：是直接把物体红外图像变成 可见图像的电真空器件主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏组成，并安装在高度真空的密封玻璃壳内。

光电阴极：蒸镀半透明银氧铯 激活能1.1电子伏，λ<1.1µm 光波响应峰值0.8µm 光电子系统：阴极与阳极间形成对电子的加速电场，电场分布具有对电子束聚焦的作用，同时也加强了电子的能量 荧光屏：涂有荧光物质，硫化锌或硫化镉晶体，受到高速电子的轰击便发出可见光二、工作原理1. 红外辐射经光学系统入射到光电阴极上， 光电阴极发射光电子ｈν >电离能） 光电阴极表面发射的光电子密度的分布与 光电阴极表面的辐照度大小成正比2. 光电子经电子光学系统，在强电场作用 下，光电子加速飞向荧光屏3. 高速电子轰击荧光屏，荧光屏发出可见 光，可见光辉度的强弱与红外辐射的分布 成正比§7.3 红外摄像管成像 简单介绍热释电摄像管一、结构1. 电子枪——用来产生电子束★ 灯丝：加热阴极（工作电压6.3伏）★ 阴极：电子从其表面发出（电压略低于零伏）★ 控制极：用来控制电子束电流的大小 （0~100伏可调）★ 第一阳极：工作电压可调（220~300）★ 第二阳极：工作电压可调（220~250）控制极、第一、二阳极组成一个静电透镜组，使由阴极发出的电子束聚焦成直径为0.01mm左右的细束落在靶面上。

★网栅：在第二阳极出口处，电位与第二阳 极相同电子束穿过网栅网孔垂直 射向靶面（网栅与靶面间是平面场）2. 靶面：★前表面蒸涂金黑层为信号极及吸收层★后表面复碲化镉材料为导电层和保护 层，此面为电子束扫描面3. 管体与引线★窗口用锗、硅等材料制透过1.8~25µm★管身、引出线 厚20-50µm的热释电材料，极化轴垂直于靶面（如硫酸三甘酞热释电材料）4. 聚焦偏转线圈★聚焦线圈：做磁透镜用，和静电透镜一 起使电子束聚焦★偏转线圈：使电子束有规则的偏转扫描1.经调制的红外辐射经光学系统成像在靶 上，靶面吸收红外辐射而发热，温度升高并释放出电荷靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，与靶面各点的照度成正比二、工作原理2. 电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时（细电子束一行行扫描），就得到与靶面电荷分布一致的视频信号电阻R上有一个随时间变化的电压3. 视频信号经电子学放大后，再送到控制 显像系统，如控制示波器，如果示波器 的电子束按同样的方式扫描，则荧光屏 上就显示出目标的图像。

§7.4 固态图像传感器固态图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集成为一体构成的具有自扫描功能的摄像器件优点：与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具 有体积小、重量轻、使用电压低（<20V） 可靠性高和不需要强光照明图像传感器的核心器件最常用是电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）CCD阵列是由同一半导体衬底上的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化和功能化的光探测器一、红外多元列阵探测器若：系统即要求有大视场，又要求有高的信噪比，单元探测器组成的红外系统无法同时满足其要求，而多元列阵探测器组成的系统容易同时满足要求理论表明：减小探测器的面积其响应率和信噪比均 可得到提高多元列阵探测器：由多个单元探测器组成 有线列、二维列阵优点：1.高信噪比、大视场2.由于采用了多元，分辨率高3.单元系统需二维机械扫描，而线列阵只需一维扫描，二维面列阵无需扫描提高了帧速度，增加了信息量4.多元系统可实现多目标跟踪，或边扫描边跟踪5.可使系统体积小，结构简化、重量轻、可靠性高问题：1.要求阵列中全部单元一致性要好（工艺复杂），因此成品率不高。

2. 单元数增加—引线相应增加—相应放大器增加，导致信息处理麻烦、系统体积大、制冷能耗大、难以实现制冷要求问题的解决：CCD的出现，将红外多元阵列与CCD相结合，将红外探测器响应的信息注入CCD，并由此实现信息传输，可大量减少引线二、CCD结构1. 构成CCD的基本单元是MOS电容器耗尽区： PN结在反向电压偏置下，在交界面附近形成一个空间电荷区，在这一区域中，大都是带电的不能移动的粒子，而载流子（电子、空穴）很少，有时称为耗尽区反向偏置电压加大时，耗尽区加宽导电沟道：p型衬底的n型沟道是电子流通的途径 n型衬底的p型沟道是空穴流通的途径＊同一半导体材料衬底上形成一系列彼此非常靠 近的MOS电容器此处用p型半导体材料）＊在p型硅衬底上生长一层均匀、连续的SiO2层 （120nm），在SiO2层 上依次沉积排列互相绝 缘且距离极小的金属电极（Al） 2. CCD的结构由金属—氧化物—半导体电容式转移器件形成 CCD基本结构包括转移电极、转移沟道、信号输入、输出、信号检测结构 一个CCD单元相当于一个电容器，可以存储电荷包。

若在其上施加一定方式的电压，将电荷包实现定向地由一个单元向下一个单元转移，因而信息得到传输＊ 转移电极结构作用：实现电极下电荷有控制的定向转移CCD的转移电极相数有：二相、三相、四相CCD三相CCD：对单层金属化电极结构，为保证电荷的定向转移驱动脉冲至少需要三相，采用三相CCD比较方便三相——指阵列的每一级（像素）有三个金 属电极，在其上依次施加三个相位不同 的时钟脉冲电压二相CCD驱动脉冲较简单，在相同的时钟频率下信号电荷转移一位需要的时间较短，布线简单，但是容纳的信号电荷量小四相CCD时钟驱动脉冲电路复杂，较适应时钟频率很高的场合＊ 转移沟道结构在栅极、源极之间，加上一个栅极比源极为正的电压，可视栅极与之相对应的P型衬底为电容器的一对板极（ SiO2绝缘层为介质）：在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷，它们有可能和源、漏极的N型区连接形成导电沟道若栅极加的电压比较低，感应出的少量负电荷将被P型衬底中的空穴所俘获若VGS超过某临界值，在强电场作用下有足够的负电荷把两个分离的N区沟通＊CCD电荷注入的方法光注入法（对摄像器件）电注入法（对移位寄存器）热注入法（对热像器件）＊CCD输出结构将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压信号输出。

三、CCD的基本工作原理CCD以电荷作为信号，它的基本功能是信号电荷的产生、存储和转移 1. CCD的存储原理 当向SiO2上表面的电极加一正偏压时，P型衬底中形成耗尽区；较高的正偏压形成较深的耗尽区通常把最深的耗尽区成为势阱势阱的形成：当表面存在势阱时，如果有信号电子来到势阱及其附近，在电场力的作用下便聚焦在表面而落入势阱，形成电荷包，即势阱将电荷包存储起来电荷包的形成：MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得：QS=Ci×VG×A式中： QS是电荷储存量；Ci是单位面积氧化层的电容 VG是外加偏置电压；A是MOS电容栅的面积可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高随着电子进入势阱，耗尽区将减薄，称为电子填充势阱容纳电子的多少取决于阱的“深”“浅”即表面势的大小而表面势随栅极电压值变化势阱的容量：电子填充势阱：2. 电荷转移原理由于CCD的金属化电极彼此绝缘，且相隔距离极小，这就保证了相邻势阱耦合和电荷的转移三相CCD：对单层金属化电极结构，为保证电荷 的定向转移驱动脉冲至少需要三相， 采用三相CCD比较方便。

转移电极结构三相——指阵列的每一级（像素）有三个金 属电极，在其上依次施加三个相位不同 的时钟脉冲电压电荷由一个栅极下面移动到相邻栅极下的过程t=t1：φ1相高电压，在φ1相上的电极1、4、7…下存有信号电荷t=t2：φ1相仍为高电压，φ2相的电压在升高，在φ2相上的2、5、8…电极下耗尽区加深t=t5：仅φ2相为高电压，信号电荷全部转移到电极2、5、8…的耗尽区，完成信号电荷的移动t=t4：φ1电压开始下降，电极1、4、7…下的耗尽区变浅，φ2相仍为高电压，使信号电荷向φ2相上的电极2、5、8…的耗尽区移动t=t3：φ1、φ2相为高电压，电极1、2、4、5、7、8…下的耗尽 区 深 度 相 同 ， 原 存 储 在 1、 4、7…下的信号电荷可能在相邻耗尽区移动 三相彼此有一定位相差的时钟脉冲能使相邻电极下耗尽区在某些时刻相同，实现电荷的耦合，这是电荷耦合器件的主要特征继续下去，就可以将信号电荷按事先设计的方向从一端移到另一端类似地，到t=t9时刻，信号电荷全部移到φ3相电极3、6、9…对应的耗尽区3. 光信号注入 当光照射到CCD硅片时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对，这时在栅极电压的作用下，多数载流子（孔穴）将流入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成信号电荷，并被存储起来。

　常用的注入方式：正面照射、背面照射方式正面照射：光子从栅极间透明的SiO2绝缘层进入 CCD耗尽区背面照射：光子从衬底射入，（须将衬底减薄） 四、CCD的特性参数1.电荷转移效率η和转移损失率ξ转移效率：一次转移后到达下一个势阱中的电荷与 原来势阱中的电荷之比称为转移效率η在t＝0时．某电极下的电荷Q(o)在t= t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下，留下的电荷为Q(t)电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数转移损失率ξ理想：η=1，实际：η<1（常为0.9999以上）电荷为Q(o)的电荷包，经过n次转移后，剩下电荷转移效率与损失率的关系为n次转移前后电荷量之间的关系经过24次转移后经过192次转移后可见：提高转移效率η是电荷藕合器件能否实用的关键如果η＝0.99，由2.工作频率 f1) 决定工作频率下限因素 为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用时间t必须小于少数载流子的平均寿命τ，即正常工作条件下，对于三相CCD故可见，工作频率的下限与少数载流子的寿命有关  2)工作频率的上限 电荷在两个单元间转移所需时间t必须小于驱动脉冲周期T的1/3，否则信号电荷跟不上驱动脉冲变化，将会使转移效率大大下降。

要求即电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制 电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和湿度等因素有关可见，表面沟道CCD的驱动脉冲频率的上限为10 MHz，高于10 MHz后，CCD的转移损失率将急剧增加三相多晶硅n沟道CCD实测驱动脉冲频率f与损失率ε之间的关系曲线 3. CCD中的噪声转移噪声 ：由转移损失引起的噪声 背景噪声： 由背景光激发光生载流子引起的噪声 与背景激发的载流子平均数成正比 与时钟脉冲频率有关 五、CCD图像传感器 CCD图像传感器是CCD的实用产品，它将二维光学图像信号转变成一维的视频信号输出 利用光学成像系统将景物成像在CCD光敏面上，光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布；利用移位寄存器，在时钟脉冲控制下实现电荷包读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列经模数转换芯片变成数字信号，数字信号经过压缩后由存储器保存，或把数据传输给计算机单片式：光敏与转移部分制作在同一衬底上混合式：光敏部分与转移部分分开图像传感器分为——线型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器线型CCD图像传感器 光敏区：掺杂多晶硅—二氧化硅— 硅MOS结构 用厚氧化物分隔成一个个光敏单元转移区：CCD移位寄存器光敏单元线列与移位寄存器并行排列光敏单元与移位单元一一对应，光敏单元与移位单元由转移控制栅控制光敏单元由光栅控制工作原理：1. 电荷存储：光栅加高电平，各光敏单元下面形成势阱，光信号注入形成信号电荷，电荷存储结束。

2. 电荷转移：光栅电平下降，转移栅打开，各电荷包由光敏单元同时并列地向移位寄存器各单元转移3. 当各电荷包在时钟脉冲驱动下沿移位寄存器向输出端转移时，转移控制栅关闭，光栅打开，光敏单元进入下一电荷存储期4. 重复上述过程，得到相继的行输出，读出电荷图形CCD传感器特性传感器特性①调制传递函数MTF特性：固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的固态的像素尽管己做得很小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍②输出饱和特性：当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象称为输出饱和特性产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致③暗输出特性：暗输出又称无照输出，系指无光信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗（无照）电流④灵敏度：单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关⑤弥散：饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。

这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象⑥残像：对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像⑦等效噪声曝光量：产生与暗输出(电压)等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量型 号黑白/彩色有效像 元数像元尺寸（µm）典型灵敏度（V/lx·s）动态范围输出方式最高驱动频率（MHz）外形尺寸长×宽（mm）生产厂商主要应用范围TCD1001P黑白12832×32×3285500单路613.0×7.0TOSHIBA高速尺寸、振动测量µPD3575D黑白102414×14×14144600单路326.6×9.65NEC尺寸、振动测量TCD1200D黑白216014×14×14451700单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1206SUP黑白216014×14×14451700单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1208P黑白216014×14×14110750单路241.6×9.65TOSHIBA高灵敏度尺寸测量TCD1209D黑白204814×14×14312000单路2041.6×9.65TOSHIBA高速尺寸测量、动态分析TCD1251UD黑白270011×11×11353800单路441.6×9.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD1304AP黑白3648200×8×8160300单路141.6×9.65TOSHIBA高灵敏度，电子快门µPD3734A黑白266011×11×11702000单路544×9.25NEC高速尺寸测量TCD2557D彩色53407×7×79.35000RGB三路653.6×9.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD2252D彩色27008×8×89.11600RGB三路441.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD132D黑白102414×14×14121500单路241.6×9.65TOSHIBA尺寸测量TCD1500C黑白53407×7×74.81500单路853.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸测量TCD1501D黑白50007×7×7133000单路1253.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸测量、光谱分析TCD1702C黑白75007×7×792000奇偶双路1066.0×10.0TOSHIBA尺寸测量TCD1703C黑白75007×7×7151660奇偶双路2066.0×10.0TOSHIBA尺寸测量TCD2901D彩色105504×4×42.47000RGB三路552.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸、彩色图像扫描µPD8861彩色54005.25×5.255.822777RGB三路644×9.25NEC高精度尺寸、彩色图像扫描 线阵CCD传感器性能指标一览表 第八章 红外技术应用特点： 1.远距离非接触测温（适合高速运动物体、带电、 体、高温高压物体测温）2. 反映速度快，反应时间一般在ms或μs级，不 需与物体达到热平衡过程，只要接收到目标 辐射即可测温。

3.灵敏度高M=σT4,T微小变化—M大变化4.准确度高5.测温范围广，零下几十度—零上几千度一、红外测温二、原理：全辐射测温 M=σT4 二、红外分析仪原理：根据物质的吸收特性进行工作许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不同，根据吸收带分布的情况与吸收的强弱，可以识别物质分子的类型，从而得出物质的组成百分比吸收分子吸收分子吸收分子吸收分子 红外吸收带（中心）波长红外吸收带（中心）波长红外吸收带（中心）波长红外吸收带（中心）波长μμμμm m m mH H2 2O O0.940.941.141.141.381.381.871.872.72.73.23.26.36.3。