应用光学-第11章-红外光学系统

第11章红外光学系统红外技术的发展1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。上世纪70年代，热成像系统和电荷耦合器件被成功应用。上世纪末，以焦平面阵列（FPA）为代表的红外器件被成功应用。红外技术的核心是红外探测器。红外技术的发展近代红外探测器按其特点可分为四代：第一代（1970s－80s）：主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s－2000s）：是以4x288为代表的扫描型焦平面；第三代：凝视型焦平面；第四代：目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段探测与识别能力。目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术许可，在其国内生产和有限制地使用。对我国的出口则设置了更多严格的限制。红外应用红外技术早期只局限于军事领域应用，伴随冷战结束，红外技术开始大规模地走入民用领域。按产品和技术类别可分为：红外探测器、红外材料、光学元件、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验等；按应用领域可分为：安防领域、消防领域、电力领域、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域等。特殊应用红外云图市场容量中国视频监控市场，2006年规模达18亿元，预计2010年将达到近70亿元。（全球约60亿美元，2010年）全球消防领域的红外热成像仪市场需求总量达到200亿元，我国将达到36亿元。电力行业红外热像仪的总需求量约为2.5万台，市场需求总额约为15亿元。企业制程控制监控领域市场国内需求总额约为130亿元。......红外概述（Infrared,IR）分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱近红外区0.78-2.5μm中红外区2.5-25μm远红外区25-1000μmC2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC3515cm-10．01M0．1M0．25M1．0M3640cm-13350cm-1乙醇在四氯化碳中不同浓度的IR图2950cm-12895cm-111.1红外光学系统的功能和特点功能：接收和收集目标所发出的红外辐射并传递到探测器而产生电信号。定位，观察，瞄准，成像。特点：目标远，相对孔径大特殊材料做元件。如：锗，硅，氧化锆等探测器特殊。锑化铟。11.2红外物镜根据结构的不同，红外光学系统可分为三大类，即透镜式系统(辐射束通过其中的折射介质)；反射式系统(辐射束受到其中一个或几个反射镜的反射)；混合式系统(由透镜式和反射式系统组合而成)。对应的物镜就有：透射式、反射式、折反射式（混合式）ref:与可见光光学系统的异同点红外光学系统的元件(透镜、反射镜、棱镜等)原则上与可见光学系统的元件没有差别。但它们之间有两个不同点：第一，许多材料对可见光是透明的，面对红外线不透明。或者有的材料在某些红外波段上透明、而对可见光石透明；第二，两者的像质的衍射限不同．这种差异来源于两种电磁辐射的波长不同。透射式物镜单透镜多透镜组反射式物镜由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。简单的反射式光学系统由反射镜组成，它于探测器灵敏面上用来收集和聚焦辐射束，或者在红外照射装置中用作产生定向辐射。按截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形、双曲面形或椭球面形等几种。反射式----牛顿系统反射式----卡塞格伦系统反射式----格利高利系统折反射式（混合式、组合式）无论透镜式光学系统或反射镜式光学系统都存在多种像差。光学系统的像质由若干基本像差。如球差、慧差、像散、畸变、像面弯曲和色差等所确定。像差的大小依赖于光学系统的相对孔径、光束相对于光轴的倾斜角和制作光学系统的材料，此外，像差也依赖于透视的曲率半径、它们的厚度和透镜间的空气间隙。折反射式（混合式、组合式）由反射镜和透镜组合的折射—反射式光学系统可以结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非球面镜涧时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差，从而获得较好的像质。斯密特（施密特）系统有一校正透镜曼金折射－反射镜马克苏托夫系统这种系统的主镜为球面镜，与曼金折射－反射镜相似，仍采用负透镜校正球面镜的球差，但让负透镜与球面镜分离，利用形状与位置两个自由度，可使像质获得更大的改善。系统中三个球面的曲率中心都取在同一点上，又置光阑在这个球心上，因而没有慧差、像散和畸变，但存在少许色差。马克苏托夫系统红外探测器11.3辅助光学系统场镜光锥浸没透镜透镜厚度大于或等于半径，即：半球或大半球11.4典型红外光学系统测温红外辐射测量按其测量方式分为两大类，即主动式和被动式。主动式测量是由辐射源照射被测物体，根据物体对辐射的吸收、反射、透射情况，确定物体的热特性或其他物理性质。被动式测量则是利用物体自身的红外辐射特性相对于周围环境的差异，通过测量其辐射能量，从而确定物体的物理性能。稳态测量和非稳态测量之分如在探侧工件的缺陷时，常需加热工件，热流在缺陷部位产生热量堆积，而在其表面部位产生过热点。有两种方式测量表面过热点的温差异常，一种方式是在工件表面和内部达到热平衡后进行测量，称为稳态测量；另一种方式是让工件表面和内部保持一定的温度梯度，使产生热传导．称非稳态测量。实践表明，对于较小的缺陷，采用非稳态测量比较合适，但在诊断存在异常温度的潜伏热源方面．如对电子仪器元器件的检查、医学诊断和地质探矿等领域，稳态测量法得到了广泛的应用。红外测温的优点非接触测量。测量过程中不与被浏物体接触，不破坏目标的温度场，测量结果不受目标与探针之间接触状况的影响。测量精度高。测量的标准偏差可小于百分之一，尤其是对温度的测量，在最佳条件下甚至能分辨0.1℃的温差。空间分辨串高。用红外显微镜可测量几微米的目标，因此能分辨出集成电路上的单个元件。响应速度快。响应时间可达到毫秒或微秒数量级，并能在几秒钟甚至更短时间内扫描完一个大的视场。扫描系统热成像系统被动式ThermoVision™A20-V高品质红外热像仪小图是可见光图像大图是热图像热成像系统主动式装有红外夜视仪的步枪11.5红外遥感仪器