97红外探测器

1第十章红外线成像与热断层成像第十章红外线成像与热断层成像红外辐射探测红外线目标红外线成像热断层成像第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像红外线成像2第十章红外线成像与热断层成像第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像第十章红外线成像与热断层成像3第十章红外线成像与热断层成像第一节红外探测器三、成像探测器一、热探测器二、光子探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像4第十章红外线成像与热断层成像红外辐射能电压、电流等（传感器）电能（探测器）红外探测器转变从F.W.赫歇尔发现红外线时使用的涂黑灵敏温度计开始，随着固体物理学及半导体物理与器件的发展，根据红外辐射与物质相互作用时产生的各种次级效应，到目前已研制出多种结构新颖、灵敏度高、响应快的红外探测器。第一节红外探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像5第十章红外线成像与热断层成像近红外探测器中红外探测器远红外探测器红外探测分类：低温探测器(需液态He、Ne、N2致冷)中温探测器(工作温度在195～200K热电致冷)室温探测器按工作温度分按响应波长范围单元探测器多元列阵探测器成像探测器按结构和用途第一节红外探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像6第十章红外线成像与热断层成像根据入射辐射的热效应引起探测材料某一物理性质变化而工作一、热探测器探测材料因吸收入射红外辐射测量这些物理性质的变化就能够测量被吸收的红外辐射功率温度升高产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化或者气体体积与压强变化等第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像7第十章红外线成像与热断层成像原则上讲，热探测器是一类无选择性的探测器。热探测器的响应时间较长（一般为几毫秒或更长些）。一、热探测器热探测器是依据辐射产生的热效应来测量入射辐射能量的吸收速率。或者说，热探测器的响应只依赖于吸收的辐射功率，与辐射的光谱分布无关。第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像8第十章红外线成像与热断层成像(2)金属和半导体热敏电阻热辐射探测器(3)热释电探测器热探测器几种类型：(1)测辐射温差热电偶和热电堆(4)气动红外辐射探测器一、热探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像9第十章红外线成像与热断层成像二、光子探测器红外光子探测器利用入射光子流与探测材料中电子之间直接相互作用，从而改变电子能量状态，引起各种电学现象称为光子效应。根据引起光子效应的大小可以测量被吸收的光子数。并依据所产生的不同电学现象，可制成各种光子探测器。第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像10第十章红外线成像与热断层成像光子探测器几种类型：(1)光电子发射探测器(2)光电导探测器(3)光-伏探测器(4)光磁电探测器二、光子探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像11第十章红外线成像与热断层成像二、光子探测器hc/λhν与热探测器不同，光子探测器是探测光子数的吸收速率，探测器的响应正比于单位时间吸收的光子数。而且，欲使材料中的电子从体内逸出，或从束缚态激发到自由导电状态，吸收的光子能量必须超过某一确定值。hc/λhν第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像12第十章红外线成像与热断层成像对景物依次扫描时能形成图像,将单元探测器置于景物的像平面上,它将响应像上该点的平均辐照度三、成像探测器如果移动光学系统或探测器，使它在像平面上扫描,则可得到像平面上辐射分布的按时间顺序排列的“图像”,它正好对应于物面的辐射分布单元探测器第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像13第十章红外线成像与热断层成像成像探测器三、成像探测器由无数个单元探测器构成两类探测器的关键差别是成像探测器对整个像不间断地响应,而单元探测器则必须依次探测各个像素,由此可将多个单元探测器按线阵或面阵的结构组合成多元列阵成像探测器.观测时间不同第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像14第十章红外线成像与热断层成像按其工作原理可分成下列几种类型：1.热释电摄像管不同温度分布特殊热电材料靶面形成由图像产生电荷分布扫描电子束读出三、成像探测器产生不同表面电荷分布第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像15第十章红外线成像与热断层成像2.光电子发射型成像探测器:(1)变像管将红外图像变为可见光图像三、成像探测器根据光电子发射随温度的变化而制成的热敏成像器件(2)热像管（光热离子变像管）两种使用较广的成像探测器：利用光阴极的外光电效应制成的成像器件。第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像16第十章红外线成像与热断层成像三、成像探测器3.红外电荷藕合器件（CCD):以少数载流子作为信息代表存储于MOS电容器的反型层中，并通过电极下势阱进行传输。主要用于成像、存贮和模拟延迟等方面以金属-氧化物-半导体技术为基础第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像17第十章红外线成像与热断层成像第二节红外热像仪一、医用红外热像仪的原理二、医用红外热像仪的性能与参数三、红外热像仪的特点与临床应用第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像18第十章红外线成像与热断层成像目标的热像图与目标的可见光图像不同目标的本身和背景之间的红外线差一、医用红外热像仪的原理热红外线形成的图像称为热像图红外图像形成不是人眼所能看到的目标可见光图像而是目标表面温度分布图像表面温度分布热像图（不能直接看到）（可以看到）转变第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像19第十章红外线成像与热断层成像物体表面的辐射功率不仅决定于温度T还依赖于物体表面的发射率ε通过收集目标发出的整个光谱范围内的全部辐射能量来确定物体温度的方法一、医用红外热像仪的原理1.全辐射测温原理只在较宽波段范围内接受总辐射能的大部分辐射能量412510λσd1]-)/[exp(TελλTCλCεMT根据史蒂芬-玻尔兹曼定律不同物体发射率差异很大不能只通过单一测量辐射出射度来测量温度。第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像20第十章红外线成像与热断层成像4b4σσTMTεMTTb4bεTT所得到的温度称为物体的辐射温度因发射率ε1故辐射温度总低于真实温度发射率越小辐射温度与真实温度相差越大一、医用红外热像仪的原理若两者的接受辐射出射度相同，应有如下关系：1.全辐射测温原理4bσTMTb通过黑体定标设黑体的温度为所对应的辐射出射度为bT第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像21第十章红外线成像与热断层成像通过测量目标在某一辐射光谱波段内的辐射功率来确定目标温度，所得到的是物体的亮温度1λTλTλMMεd1]-)/[exp(1251λλTCλCεMΔλλλλλ1251)]/[exp(λTCλCεMλλ一、医用红外热像仪的原理2.单色测温原理λε即物体的亮度是在某一特征波长物体与温度为T的黑体光谱辐射出射度相等，如目标的光谱发射率已知λTλ可知测温仪接收到的辐射出射度只与温度有关取为单位波长在C2时亮温度定义λε从第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像22第十章红外线成像与热断层成像用黑体标定温度TBB的黑体辐射能量应等于温度T的目标辐射能量测试波长选的越短由发射率引起的误差就越小测量低温目标宜选用长波波长测量高温目标宜选用短波波长1251)]/[exp(λTCλCελ1b251)]/[exp(λTCλC=)/ln(/2bCελTTTλ于是得一、医用红外热像仪的原理2.单色测温原理第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像23第十章红外线成像与热断层成像3.比色测温原理影响因素：材料的性质表面状况温度范围辐射波长发射角度等一、医用红外热像仪的原理难以精确确定包含误差全辐射测温和单色测温都必须预知被测目标的发射率第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像24第十章红外线成像与热断层成像比色测温根据两个波段辐射能量的比值来测定物体的温度一、医用红外热像仪的原理假定在这两个波段范围内发射率相等或变化缓慢辐射能量的比值就主要决定于被测物体的表面温度而与被测目标的发射率无关3.比色测温原理第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像25第十章红外线成像与热断层成像λλT并假定选定为单位波长，且C2，利用黑体标定目标温度，则得出两个波长的辐射出射度比的表达式为：]）11（exp[]）11（exp[21b2515221251522121λλTCλλλλTCλελεMMRλλλλb212)11()/ln(21TλλCεεTTλλ一、医用红外热像仪的原理3.比色测温原理d1]-)/[exp(CC1251λλTλεMΔλλλλλ若从式出发mT所得到的温度是物体的色温度经整理得第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像26第十章红外线成像与热断层成像红外热像仪利用红外探测器、光学成像物镜和光-机扫描系统，采用特殊的测温方法把红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上一、医用红外热像仪的原理在光学系统和红外探测器之间，有一个光-机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描并聚焦在单元或分光探测器上由探测器将红外辐射能转换成电信号经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图这种热像图与物体表面的热分布场相对应第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像27第十章红外线成像与热断层成像热像仪原理框图聚光滤波信号预处理扫描电路伪彩色编码帧存编码A/D转换除噪校正背景存储监视器D/A转换微处理器读写控制红外辐射一、医用红外热像仪的原理第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像28第十章红外线成像与热断层成像人体红外辐射非常微弱二、医用红外热像仪的性能与参数容易受到其他外界因素的影响描述红外热像仪的性能是一个比较复杂而宽泛的问题指标主要有：视场空间分辨率温度分辨率帧时测温范围波长范围等第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像29第十章红外线成像与热断层成像红外热像仪将人体发出的不可见红外辐射能量通过光-机扫描系统，光-电转换探测器，信号处理系统转变为可见的图像信号在监视器上以热像图的形式显示出来三、红外热像仪的特点与临床应用图像的灰度表示温度的高低用“亮”表示温度高用“暗”表示温度低或用暖色和冷色表示温度高低第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像30第十章红外线成像与热断层成像热像图的识别及病灶的分辨，需要临床经验的积累和与其它诊断方法的比对等。三、红外热像仪的特点与临床应用人体脏腑器官或体内组织发生病变时如有温度的变化通过导热，在皮肤表面产生温度变化在其对应的体表或穴位出现热区或冷区然后通过辐射传热，被红外热像仪接收最终形成热像图第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像31第十章红外线成像与热断层成像如头部、颈部、胃肠、乳腺、肺部、肝、胆、心血管、前列腺、脊椎、四肢血管等特别是炎症、肿瘤、周围神经疾病、疼痛、腹腔不明出血等疑难病症诊断效果尤为突出，对判断是充血性炎症，还是缺血性炎症(含妇科)非常明显。三、红外热像仪的特点与临床应用红外热成像能精确给出人体温度分布用以研究人体健康情况是一种无创伤检查手段很多疾病会引起温度改变，对特定的器官，特殊的疾病有特殊的诊断效果第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像32第十章红外线成像与热断层成像医用热像仪不仅在临床阶段使用三、红外热像仪的特点与临床应用实践证明疾病在出现结构和形态变化之前病灶区即呈现温度的变化变化范围的大小、形状和温差的大小反映了疾病的性质和程度，所以医用红外热像仪可以提前阳性发现期为患者赢得了宝贵的确诊时间实现早期治疗热像图检测手段越来越受到人们的关注和欢迎而且可以提前到预防和保健阶段第一节红外探测器第二节红外热像仪第三节热断层成像33第十章红外线成像与热断层成像医用红外热像仪接受人体表面的不同部位上辐射出