第8章特殊成像電視

西安電子科技大學(xué)出版社應(yīng)用電視技術(shù)趙堅(jiān)勇第8章特殊成像電視8.1紅外電視8.2

X線電視8.3

微光電視

8.1

紅外電視

8.1.1

紅外線的基本概念

紅外線是一種人眼看不見(jiàn)的光線，在光譜中位于紅色光以外，其波長(zhǎng)范圍大致為0.78～1000μm。任何一個(gè)物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射。

(1)紅外線的波段：紅外線通常按其波長(zhǎng)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。近紅外的波長(zhǎng)為0.78～3μm，中紅外為3～6μm，遠(yuǎn)紅外為6～15μm，極遠(yuǎn)紅外為15～1000μm。

(2)熱輻射的定律：當(dāng)幾個(gè)物體溫度相同時(shí)，各物體發(fā)射紅外線的能力正比于吸收紅外線的能力；當(dāng)物體處于紅外輻射平衡狀態(tài)時(shí)，它吸收的紅外能量總恒等于它所發(fā)射的紅外能量。

根據(jù)這一定律還可推斷出，性能好的紅外反射體或透明體，必然是性能差的紅外輻射體。

(3)玻耳茲曼定律：物體輻射的紅外輻射能量密度W與其自身的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，并與它表面的輻射率ε成正比。由這一定律可以看出，物體的溫度愈高，紅外輻射的能量愈多。

(4)紅外線的“大氣窗口”：紅外線在大氣中傳輸時(shí)，大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線吸收與衰減的程度有很大差別。對(duì)波長(zhǎng)在2～2.6μm、3～5μm和8～14μm等三個(gè)波段內(nèi)的紅外線吸收極少，常稱這三個(gè)波段為紅外線的“大氣窗口”，它們分別位于近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三個(gè)波段內(nèi)。紅外電視的工作波長(zhǎng)應(yīng)盡可能進(jìn)入這三個(gè)波段。

(5)紅外光學(xué)材料：可以透過(guò)紅外輻射的介質(zhì)稱為紅外光學(xué)材料。任何介質(zhì)不可能對(duì)所有波長(zhǎng)的紅外線都透明，紅外光學(xué)材料只是對(duì)某些波長(zhǎng)范圍的紅外線具有較高的透過(guò)率。

許多介質(zhì)對(duì)可見(jiàn)光是透明的，對(duì)紅外輻射卻是不透明的。

單晶的鍺材料是一種最常用的紅外光學(xué)材料，可以作為紅外儀器與大氣隔離的窗口，也可以用來(lái)磨制各種透鏡和棱鏡。單晶鍺的最大透過(guò)率約為44%，在單晶鍺的表面鍍上一層“增透膜”后，可變得對(duì)一定波長(zhǎng)的紅外線具有很高的透過(guò)率，最高透過(guò)率可達(dá)99%。對(duì)于波長(zhǎng)在1.8～16μm的紅外輻射，單晶鍺的折射率在4.143到4.0012之間變化。

多晶硫化鋅是一種熱壓成型的紅外光學(xué)材料。在波長(zhǎng)為1～14μm的范圍內(nèi)，其平均透過(guò)率大于70%。多晶硫化鋅不但可以熱壓成紅外透鏡或窗口，而且可用作鍍膜材料，用來(lái)增加各種紅外光學(xué)材料透鏡或窗口的透過(guò)率。

多晶氟化鎂是一種耐高溫的紅外光學(xué)材料，用于3～5μm波長(zhǎng)范圍而且可透過(guò)可見(jiàn)光。對(duì)于波長(zhǎng)為0.598μm的可見(jiàn)光，其透過(guò)率約為20%～30%；而對(duì)于波長(zhǎng)為3～6.5μm的紅外輻射，透過(guò)率高達(dá)90%。

(6)主動(dòng)和被動(dòng)紅外電視：紅外電視可分為主動(dòng)式紅外電視和被動(dòng)式紅外電視兩大類。主動(dòng)式紅外電視需紅外光源照明，攝像機(jī)攝取目標(biāo)反射回來(lái)的紅外光。被動(dòng)式紅外電視不用紅外光源照明，是利用被攝目標(biāo)本身輻射的紅外線成像，攝取的是物體的熱分布像。

8.1.2

主動(dòng)式紅外電視

主動(dòng)式紅外電視由紅外照明光源、紅外攝像機(jī)和監(jiān)視器等部分組成。其工作原理是用紅外光源照射被攝目標(biāo)，由攝像機(jī)的CCD傳感器將目標(biāo)的可見(jiàn)光和不可見(jiàn)的紅外圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，在監(jiān)視器上顯示可見(jiàn)光圖像。

主動(dòng)式紅外電視系統(tǒng)與一般的可見(jiàn)光應(yīng)用電視系統(tǒng)基本相同，但其照明光源、光學(xué)鏡頭和攝像器件都是工作在近紅外波段的。

1.紅外照明光源

常用的近紅外光源有紅外燈泡、紅外發(fā)光二極管、濾光片式光源和紅外激光器。

常用的紅外發(fā)光二極管為砷化鎵紅外二極管。它具有體積小，重量輕，發(fā)射紅外光均勻，電源簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)，其發(fā)射峰值波長(zhǎng)約為0.93μm。

濾光片式光源由鎢絲燈、反光罩和透紅外的濾光片組成。鎢絲燈的光譜響應(yīng)曲線的峰值在0.8～1.2μm的近紅外區(qū)。濾光片分為膠粘合型和熔煉型兩種類型，兩種類型濾光片的峰值透過(guò)率分別為80%和40%左右。用鹵化物燈代替鎢絲燈，光譜響應(yīng)曲線范圍在0.88～2.6μm間。

2.紅外攝像器件

黑白CCD圖像傳感器具有很寬的感光光譜范圍，通常其感光光譜可延長(zhǎng)至1200nm。利用黑白CCD圖像傳感器的這個(gè)特性，在夜間無(wú)可見(jiàn)光照明的情況下，用輔助紅外光源照明，傳感器能清晰地成像。圖8―1示出了夏普公司行間轉(zhuǎn)移CCD圖像傳感器的光譜特性。圖中，黑白CCD圖像傳感器的光敏單元采用了浮置p―n結(jié)的光敏二極管。這種光敏管用離子注入工藝制成，靈敏度高且比較均勻，但這種CCD傳感器在強(qiáng)光照射下容易出現(xiàn)光暈和拖影現(xiàn)象。

圖8―1

黑白CCD圖像傳感器光譜特性

3.主動(dòng)紅外攝像機(jī)

常見(jiàn)的主動(dòng)紅外攝像機(jī)有分離式、內(nèi)置式和一體化式等三種形式。

1)分離式

分離式一般是分別購(gòu)買紅外照明光源和紅外敏感攝像機(jī)。配置時(shí)，要注意紅外照明光源光譜范圍和攝像機(jī)光譜特性的一致。安裝紅外照明光源時(shí)，要注意投射的角度和距離，最好是在無(wú)可見(jiàn)光的情況下看著攝取的圖像進(jìn)行調(diào)整，這樣才能取得最佳效果。

2)內(nèi)置式

內(nèi)置式主動(dòng)紅外攝像機(jī)常常是在防塵罩內(nèi)攝像機(jī)四周安裝紅外發(fā)光二極管。這種紅外攝像機(jī)安裝方便，用于近距離室內(nèi)監(jiān)視。

3)一體化式

一體化式主動(dòng)紅外攝像機(jī)用于室外遠(yuǎn)距離掃描監(jiān)視。一般是在室外型電動(dòng)云臺(tái)兩側(cè)固定兩個(gè)遠(yuǎn)距離室外紅外照明光源，調(diào)整云臺(tái)時(shí)攝像機(jī)和紅外照明光源一起旋轉(zhuǎn)和俯仰，保證被攝目標(biāo)受到紅外照明。

4.主動(dòng)紅外攝像機(jī)的鏡頭

鏡頭的作用是把目標(biāo)的紅外輻射分布聚焦在光電傳感器上。紅外電視的目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，輻射能量弱，要盡可能使用大尺寸鏡頭。

主動(dòng)式紅外電視工作在0.75～3μm的近紅外區(qū)，普通可見(jiàn)光鏡頭在此波段內(nèi)仍有較高的透過(guò)率，因此主動(dòng)式紅外電視可采用普通可見(jiàn)光鏡頭。如采用經(jīng)過(guò)鍍膜處理的硅、鍺鏡頭，則透過(guò)率更高。在使用普通可見(jiàn)光鏡頭觀看紅外波段圖像時(shí)，需要重新校正焦距，由于色散得不到校正，清晰度會(huì)下降；若使用通頻帶較窄的紅外帶通濾色片后，圖像清晰度會(huì)有所提高。

5.主動(dòng)紅外攝像機(jī)的應(yīng)用

(1)重要部門、保密部門、軍事要地的夜間監(jiān)視和夜間公安偵察。

(2)膠卷生產(chǎn)的監(jiān)視。利用主動(dòng)紅外電視攝像機(jī)可在暗室外檢查膠卷生產(chǎn)過(guò)程中的各種瑕疵，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)利用半導(dǎo)體材料能透過(guò)紅外線的特點(diǎn)來(lái)觀察半導(dǎo)體器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷。由紅外電視攝像機(jī)與紅外顯微鏡組成的紅外電視顯微鏡能對(duì)半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，具有分辨率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

(4)利用人的皮膚和皮下組織對(duì)紅外光的反射，散射、透射特性，用紅外電視對(duì)眼病、腫瘤和潰瘍等疾病進(jìn)行觀察和診斷。

8.1.3

被動(dòng)式紅外電視

被動(dòng)式紅外電視不需要紅外照明光源，是對(duì)目標(biāo)本身的紅外輻射成像。常用的紅外電視攝像機(jī)有光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)、熱釋電型攝像機(jī)和凝視焦平面陣列紅外攝像機(jī)等三種。

1.光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)

光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)是利用精密機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描部件，完成對(duì)目標(biāo)的掃描，攝取目標(biāo)的紅外輻射而成像的，所以稱為光學(xué)機(jī)械掃描成像。圖8―2是光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)的方框圖。

圖8―2

光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)方框圖自然界中溫度高于絕對(duì)零度的物體總是在不斷地進(jìn)行紅外輻射的，只要能收集這些輻射能，就能形成與景物溫度分布相對(duì)應(yīng)的熱圖像。紅外光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)發(fā)射的輻射能收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)光譜濾波之后，將景物的輻射分布會(huì)聚并成像到紅外探測(cè)器所在的光學(xué)系統(tǒng)焦平面上。光學(xué)掃描器包括兩個(gè)掃描透鏡組，一個(gè)作垂直掃描，一個(gè)作水平掃描。掃描器位于聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器之間。當(dāng)掃描器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從景物到達(dá)探測(cè)器的光束隨之移動(dòng)，在物方空間掃出像電視一樣的光柵。

在掃描器以電視光柵形式掃過(guò)景物時(shí)，紅外探測(cè)器逐點(diǎn)接收景物的輻射并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)?；蛘哒f(shuō)，光機(jī)掃描器構(gòu)成的景物圖像依次掃過(guò)探測(cè)器，探測(cè)器依次把景物各部分的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)視頻處理放大器處理后輸出，送到電視監(jiān)視器。在監(jiān)視器上可顯示表征目標(biāo)溫度分布的可見(jiàn)光圖像，其明亮部分表示溫度高，較暗部分表示溫度低。紅外探測(cè)器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器。它把紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)的原理制成的，所以也叫光子探測(cè)器。一般需在低溫下工作，其特點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高，響應(yīng)速度快，但每一種光子探測(cè)器都有一個(gè)截止波長(zhǎng)，超過(guò)此波長(zhǎng)探測(cè)器將無(wú)響應(yīng)。

光子探測(cè)器的主要類型有紅外光電探測(cè)器(PE器件)、光電導(dǎo)探測(cè)器(PC器件)、光生伏特探測(cè)器(PV器件)和光電磁探測(cè)器(PEM器件)等四種。

視頻處理放大是熱攝像機(jī)的重要組成部分。它將紅外探測(cè)器輸出的反映景物空間溫度分布的微弱信號(hào)進(jìn)行加工和變換，形成與景物溫度分布相對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)，然后根據(jù)景物各單元對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)標(biāo)出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖像。在實(shí)際應(yīng)用中，還要求對(duì)圖像信號(hào)作進(jìn)一步處理，如圖像增強(qiáng)、圖像修復(fù)等。

光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)有溫度分辨率高，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的光機(jī)掃描裝置和液態(tài)氮致冷器，所以體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格貴。

2.熱釋電電視攝像機(jī)

熱釋電電視攝像機(jī)是采用熱釋電攝像管作為攝像器件的被動(dòng)式紅外電視攝像機(jī)。它能將目標(biāo)的紅外線輻射能量分布轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。與光機(jī)掃描型熱攝像機(jī)相比，熱釋電電視攝像機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，不需要液氮致冷等優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。

1)熱釋電攝像管(PyroelectricVidicon)

熱釋電攝像管是一種熱成像攝像器件。它在常溫下工作，將攝像管靶面上的紅外線輻射能量分布轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。熱釋電攝像管能寬譜成像，但由于光學(xué)系統(tǒng)和靶面吸收層的限制，在8～14μm波段用得較多，具有中等靈敏度和分辨率。它的體積小，可靠性高，成本低。

有些晶體（鐵電體）具有自發(fā)極化特性，極化程度與溫度有關(guān)。在晶體薄片垂直極化軸的表面產(chǎn)生的電荷積累與溫度變化成正比，這就是熱釋電效應(yīng)。

圖8―3

熱釋電視像管的結(jié)構(gòu)示意圖熱釋電視像管的結(jié)構(gòu)如圖8―3所示。其電極結(jié)構(gòu)與普通光導(dǎo)攝像管相同，鍺面板是用單晶鍺制成的透紅外窗口，涂有透8～14μm波段的抗反射涂層；TGS靶是直徑為2cm、厚15～20μm的薄圓片，用熱釋電材料制成，在靠近面板一側(cè)的表面有一層透明導(dǎo)電信號(hào)板，它通過(guò)靶環(huán)與外電路相連接。常用的熱釋電靶材料有單晶硫酸三甘肽(TGS)、氘化硫酸三甘肽(DTGS)和重氫化氟鈹酸三甘肽(DTGFB)等三種。TGS靶靈敏度較高，但每次使用都必須極化，而且靶面溫度不能高于材料的居里點(diǎn)(49℃)；

DTGFB靶的靈敏度高，介電常數(shù)小，靶的居里點(diǎn)高(70℃)。

熱釋電攝像管的工作原理是：目標(biāo)輻射的紅外線，經(jīng)鏡頭投射到攝像管的熱釋電靶面上，引起靶單元溫度的改變，靶上各點(diǎn)不同的溫度使晶體的自發(fā)極化各不相同，因而由熱釋電效應(yīng)所釋放的表面電荷也不同，形成了空間和強(qiáng)度變化都和目標(biāo)相同的電荷圖形，即在靶面上形成與目標(biāo)熱像相對(duì)應(yīng)的靶面電位像；當(dāng)電子束在靶面上掃描時(shí)，就在信號(hào)電極電路內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)電流，它經(jīng)信號(hào)電極電路的靶負(fù)載電阻形成視頻信號(hào)。熱釋電靶產(chǎn)生的熱釋電電流IS為

式中，A是靶單元面積，P是靶材料熱釋電系數(shù)，dT/dt是靶面單元的溫度變化率。

上式表明，當(dāng)輻射到單元靶上的熱輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，才有信號(hào)電流輸出。也就是說(shuō)，熱釋電攝像管是對(duì)溫度的變化率敏感而不是對(duì)溫度敏感。因此對(duì)靜物成像時(shí)，要對(duì)輸入信號(hào)加以調(diào)制；若不加調(diào)制，只能對(duì)運(yùn)動(dòng)的或輻射強(qiáng)度有變化的目標(biāo)成像，由此可以區(qū)分靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

(8―1)

2)熱釋電電視攝像機(jī)的工作原理

熱釋電視像管只對(duì)溫度的變化率敏感，為了對(duì)靜止目標(biāo)成像，必須將輸入信號(hào)調(diào)制。常用的調(diào)制模式有平移調(diào)制模式和斬波調(diào)制模式。

平移調(diào)制模式是在使用中不斷移動(dòng)攝像機(jī)，攝像機(jī)與目標(biāo)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱釋電攝像管上所接收的目標(biāo)紅外輻射隨時(shí)間而變化，形成視頻信號(hào)。平移調(diào)制模式攝像機(jī)靈敏度高，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但目標(biāo)呈移動(dòng)狀態(tài)，影響觀察。

斬波調(diào)制模式是在熱釋電攝像管前裝有由透明的和不透明的柵格組成的調(diào)制盤。當(dāng)調(diào)制盤運(yùn)動(dòng)時(shí)，就對(duì)目標(biāo)像產(chǎn)生了調(diào)制，使透過(guò)調(diào)制盤的像隨時(shí)間而變化。這樣，將入射的紅外輻射進(jìn)行周期性斬波調(diào)制，輸出交變視頻信號(hào)。斬波調(diào)制模式攝像機(jī)靈敏度較低，但產(chǎn)生的圖像位置穩(wěn)定，視場(chǎng)不變，因有調(diào)制盤，整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱釋電攝像管輸出的等幅度正負(fù)交變信號(hào)，需有專門的電路來(lái)處理。

3)熱釋電電視攝像機(jī)的主要技術(shù)性能

(1)最小可分辨溫差(MRTD)。觀察者從監(jiān)視器屏幕上剛能從背景(黑體)中分辨出某一空間頻率的測(cè)試卡圖形時(shí)，測(cè)試卡與背景之間的溫差即為最小可分辨溫差。

最小可分辨溫差反映了攝像機(jī)對(duì)溫度的靈敏度，與系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)、等效噪聲溫差、光學(xué)鏡頭性能、掃描速率和人眼視覺(jué)特性等因素有關(guān)。

可在空間分辨率為100線或200線時(shí)測(cè)量最小可分辨溫差，將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)100線或200線的條形測(cè)試卡，鏡頭的光圈調(diào)至1位置，增加測(cè)試卡與背景之間的溫差，在監(jiān)視器屏幕上剛能分辨出測(cè)試卡圖像時(shí)，測(cè)試卡和背景間的溫度差就是最小可分辨溫差。

(2)最小可探測(cè)溫差(MDTD)。觀察者從監(jiān)視器屏幕上剛能從背景(黑體)中分辨出大目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)與背景之間的溫差即為最小可探測(cè)溫差。

最小可探測(cè)溫差表征了攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)探測(cè)靈敏度的高低。測(cè)試時(shí)，可將目標(biāo)和背景的溫度差ΔT調(diào)整為2℃，逐步減小攝像機(jī)鏡頭的光圈，至剛能分辨出目標(biāo)圖像時(shí)，讀出此時(shí)的光圈數(shù)F，按下式算出最小可探測(cè)溫差：(8―2)最小可分辨溫差和最小可探測(cè)溫差，是說(shuō)明攝像機(jī)對(duì)客觀實(shí)物溫差的靈敏性。兩者的差別僅僅在定義目標(biāo)的形狀上。最小可分辨溫差的目標(biāo)是某一空間頻率的測(cè)試卡圖形，而最小可探測(cè)溫差的目標(biāo)是較大面積的正方形或圓形。

(3)最大空間分辨率(MSR)。在測(cè)試卡與背景(黑體)之間有一適當(dāng)?shù)臏夭顣r(shí)，可分辨的空間頻率的最大值，稱為最大空間分辨率。它表征了攝像機(jī)分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力。當(dāng)溫差增大時(shí)，熱釋電攝像管的空間分辨率將隨之增大，但當(dāng)溫差增大到一定數(shù)值后，再繼續(xù)增大溫差，空間分辨率基本保持不變。

測(cè)試時(shí)，將空間分辨率條形測(cè)試卡和背景(黑體)之間的溫度差調(diào)整為一恰當(dāng)值，更換不同空間頻率的測(cè)試卡，至恰能分辨出的最大空間頻率條形測(cè)試卡圖像時(shí)所對(duì)應(yīng)的電視行數(shù)，即為最大空間分辨率。

4)熱釋電電視攝像機(jī)的鏡頭

熱釋電電視攝像機(jī)使用在中、遠(yuǎn)紅外波段，普通可見(jiàn)光鏡頭已不適用，需要專門設(shè)計(jì)紅外電視鏡頭。

3～5μm波段的透鏡，用硅、鍺和三硫化二砷等材料制成;8～12μm波段的透鏡用鍺、硒化鋅、硫化鋅等材料制成。

單晶鍺折射率高、像差小，但透過(guò)率約為47%，需在表面鍍上增透膜，以提高透過(guò)率。國(guó)產(chǎn)HJ-1型紅外鍺鏡頭工作波段為3～14μm，采用多層離子濺射鍍膜，膜層牢固度好，透過(guò)率≥95%。

5)熱釋電電視攝像機(jī)的應(yīng)用

熱釋電電視攝像機(jī)在常溫下工作，不需照明設(shè)備，透灰塵及煙霧的能力強(qiáng)，可以對(duì)3～5μm和8～14μm光譜范圍的熱目標(biāo)進(jìn)行成像顯示,分辨目標(biāo)的溫度分布和形狀,測(cè)量目標(biāo)和背景之間的溫差，具有準(zhǔn)確、直觀、方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于電力、冶金、化工、消防、醫(yī)療等部門應(yīng)用。

在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，利用熱釋電電視攝像機(jī)，可對(duì)一些重要部位和設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。例如,在鋼鐵企業(yè)對(duì)高爐進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可看到爐體的溫度分布和爐溫的變化，發(fā)現(xiàn)爐體的損壞。在發(fā)電廠對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱故障和隱患。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員用熱釋電電視攝像機(jī)可在濃煙和黑暗環(huán)境中，尋找救護(hù)目標(biāo)，探測(cè)火源位置。

在醫(yī)療方面，用熱釋電電視攝像機(jī)可以檢查早期乳腺癌，檢查人體一些器官的病變，檢查人體燒傷的度數(shù)及植皮等情況。

3.凝視型焦平面陣列紅外攝像機(jī)

采用單個(gè)探測(cè)器的光機(jī)掃描熱攝像機(jī)，探測(cè)器探測(cè)每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為τ；采用沿垂直方向放置n個(gè)探測(cè)器列陣的并聯(lián)掃描，n個(gè)探測(cè)器恰好覆蓋垂直視場(chǎng)而只在水平方向掃描；當(dāng)幀頻一定時(shí)，并聯(lián)掃描探測(cè)器探測(cè)每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間將增加至單個(gè)探測(cè)器時(shí)的n倍，通頻帶壓縮至單個(gè)探測(cè)器時(shí)的1／n，從而使通道信噪比提高到倍。

凝視型焦平面陣列紅外攝像機(jī)是用紅外探測(cè)器面陣充滿物鏡焦平面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)范圍內(nèi)目標(biāo)成像的，取消了光機(jī)掃描，采用元數(shù)足夠多的探測(cè)器面陣，探測(cè)器單元與系統(tǒng)觀察范圍內(nèi)的目標(biāo)元一一對(duì)應(yīng)。

假如探測(cè)器面陣在水平方向有m單元垂直方向上有n單元探測(cè)器，當(dāng)幀頻一定時(shí)，探測(cè)器探測(cè)每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間將增加至單個(gè)探測(cè)器時(shí)的mn倍，通頻帶壓縮至單個(gè)探測(cè)器時(shí)的1／mn，從而使通道信噪比提高到倍。探測(cè)每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間變?yōu)閙nτ,探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)到好像與“凝視”一樣。

1)混成式紅外焦平面陣列

近年來(lái)，高性能的紅外探測(cè)器不斷出現(xiàn)，CCD工藝相對(duì)成熟，將紅外探測(cè)器和CCD耦合起來(lái)就能制成高性能的紅外焦平面陣列，稱為混成式紅外焦平面陣列?；斐墒郊t外焦平面陣列的最大特點(diǎn)是選擇探測(cè)器有很大的靈活性，絕大多數(shù)采用光電二極管作為敏感元?；斐墒郊t外焦平面的技術(shù)關(guān)鍵是解決光敏元和CCD器件間的互連問(wèn)題，包括熱匹配和電接觸。近幾年發(fā)展起來(lái)的鋼柱連接技術(shù)已能達(dá)到很高的成品率，基本上解決了兩部分的互連問(wèn)題。混成式紅外焦平面陣列的受光方式有前照射結(jié)構(gòu)和背照射結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式。前照射結(jié)構(gòu)探測(cè)器在前面受到照射，電信號(hào)就在同一面上取出。這種結(jié)構(gòu)中，探測(cè)器的前面與多路傳輸器面向一個(gè)方向，電極引線從探測(cè)器出來(lái)，必須越過(guò)探測(cè)器的邊緣區(qū)域到達(dá)多路傳輸器。這種引線方式要求探測(cè)器陣列十分薄。由于互連占去了一部分面積，光敏面相應(yīng)減小。背照射結(jié)構(gòu)要求鑲嵌的探測(cè)器有薄的光敏層，在光敏層上吸收輻射，所產(chǎn)生的光生載流子從背面擴(kuò)散到前面被PN結(jié)檢出。目前，焦平面陣列大多數(shù)采用背照射結(jié)構(gòu)。

2)肖特基勢(shì)壘紅外焦平面陣列(SB―IRCCD)

肖特基勢(shì)壘是指金屬淀積在半導(dǎo)體表面形成的具有單向?qū)щ?、整流作用的金屬―半導(dǎo)體接觸。SB―IRCCD是把可見(jiàn)光的行間轉(zhuǎn)移CCD的光敏部分換成肖特基勢(shì)壘光電探測(cè)器，工作原理類似于可見(jiàn)光CCD。

SB―IRCCD可利用成熟的硅集成電路工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率和獲得高的成品率。SB―IRCCD性能上突出優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)均勻。在熱成像系統(tǒng)中，響應(yīng)的均勻性在很大程度上決定了圖像的質(zhì)量。SB―IRCCD的缺點(diǎn)是探測(cè)器靈敏度較低，為了提高光電探測(cè)器靈敏度，常采用薄膜金屬電極結(jié)構(gòu)和光學(xué)共振腔結(jié)構(gòu)；為了提高分辨率采用電荷掃描器件(CSD)。在CCD信號(hào)讀出時(shí)，從光敏單元到垂直電荷轉(zhuǎn)移單元，所有光敏單元信號(hào)讀出的轉(zhuǎn)移柵是同時(shí)打開(kāi)的。在CSD方式中，在一個(gè)水平周期內(nèi)，只有水平方向并排的一組轉(zhuǎn)移柵開(kāi)啟；在一個(gè)垂直電荷轉(zhuǎn)移單元內(nèi)，只讀出一個(gè)像元的信號(hào)；垂直電荷轉(zhuǎn)移單元尺寸可以做得很小，因此像元尺寸相對(duì)較大，增加了每個(gè)像元所占的探測(cè)器面積比，從而提高了分辨率。

3)SB―IRTV攝像機(jī)

圖8―4給出了SB―IRTV攝像機(jī)的原理框圖。與其他光子型紅外探測(cè)器一樣，為了減小噪聲和獲得較高的信噪比，必須進(jìn)行制冷，器件要封裝在杜瓦瓶?jī)?nèi)。由于采用SB―IRCCD作為攝像器件，電路部分除了視頻處理電路外，還必須包括CCD驅(qū)動(dòng)電路。

圖8―4

SB―IRTV攝像機(jī)的原理框圖圖8―5為便攜式SB―IRCCD攝像機(jī)的視頻處理電路。CCD器件輸出的視頻信號(hào)經(jīng)相關(guān)雙取樣電路預(yù)處理，再經(jīng)8位快速A／D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。一幅均勻背景的視頻信號(hào)進(jìn)入幀存儲(chǔ)器，在攝像機(jī)正常工作的情況下，真實(shí)視頻信號(hào)和背景信號(hào)由同一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器分別將真實(shí)視頻信號(hào)和背景信號(hào)還原成模擬信號(hào)，送入一個(gè)模擬減法器中進(jìn)行差分放大，差分放大器輸出的是修正了的視頻信號(hào)。然后加入水平、垂直消隱和同步脈沖，復(fù)合成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，送至顯示器。

圖8―5

SB―IRTV攝像機(jī)視頻處理電路方框圖

CCD驅(qū)動(dòng)電路提供使IR―CCD攝像器件工作所需的全部時(shí)鐘脈沖。其中包括水平輸出和垂直列輸出的CCD時(shí)鐘、浮置擴(kuò)散復(fù)位脈沖和從探測(cè)器到CCD的轉(zhuǎn)移脈沖。

紅外焦平面陣列，特別是SB―IRCCD焦平面陣列可以低成本得到高分辨力器件，器件的高均勻性又可以實(shí)現(xiàn)大面積凝視陣列。在最新出現(xiàn)的凝視焦平面陣列紅外攝像機(jī)中，數(shù)字圖像運(yùn)算與處理采用高速微處理器，實(shí)現(xiàn)了智能化。

凝視焦平面陣列紅外攝像機(jī)取消了掃描機(jī)構(gòu)，縮小了體積，靈敏度提高至單元探測(cè)器時(shí)的倍，對(duì)景物輻射的響應(yīng)時(shí)間只受探測(cè)器時(shí)間常數(shù)的限制，不再受光機(jī)掃描速度的影響?？梢詰?yīng)用在空間衛(wèi)星對(duì)地球表面研究和醫(yī)學(xué)上對(duì)皮膚表面、內(nèi)部組織器官的溫度分布檢測(cè)，特別在軍事上可應(yīng)用于夜視裝備、機(jī)載探測(cè)器和精確制導(dǎo)武器的偵察、跟蹤和測(cè)距，在現(xiàn)代軍事電子對(duì)抗中起著非常重要的作用。

8.2

X線電視

8.2.1

X線

1.Ｘ線的特性

Ｘ線即X射線，不是可見(jiàn)光，是波長(zhǎng)極短(1pm～10nm)的電磁波。Ｘ線能夠穿透物體，穿透力除與波長(zhǎng)有關(guān)外,還與物質(zhì)密度有關(guān)。X線通過(guò)高密度物質(zhì)時(shí),大部分射線被吸收；而對(duì)低密度物質(zhì)，則大部分射線能通過(guò)。Ｘ線的這種特性可以幫助我們透過(guò)低密度的箱子看到箱內(nèi)高密度的武器，透過(guò)低密度的皮膚和肌肉看到體內(nèi)高密度的骨骼。

Ｘ線可使膠片感光，感光膠片沖洗成底片后可長(zhǎng)期保存。經(jīng)Ｘ線攝影（拍片）后的骨骼傷害和肺部病灶底片可作為治療過(guò)程中的重要參考資料。

Ｘ線照射某些化合物結(jié)晶體時(shí)產(chǎn)生黃綠色熒光，利用這些物質(zhì)制成熒光屏，Ｘ線穿透人體有關(guān)部位后在熒光屏上的圖像用來(lái)進(jìn)行透視診斷。

Ｘ線照射人體組織時(shí)，細(xì)胞分子被電離分解受到破壞，有關(guān)工作人員長(zhǎng)時(shí)間受少量Ｘ射線照射，因Ｘ射線有蓄積作用而在不知不覺(jué)中受了損害，必須注意防護(hù)。Ｘ線電視是使有關(guān)工作人員遠(yuǎn)離Ｘ射線而又不妨礙工作的惟一手段，因而在醫(yī)療、工業(yè)、公共安全和科研等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2.X線的產(chǎn)生

Ｘ線由Ｘ線源產(chǎn)生，Ｘ線源由Ｘ線管、變壓器和控制器三部分組成，圖8―6是Ｘ線源示意圖。

圖8―6

X線源示意圖

1)X線管

Ｘ線管又稱球管，是產(chǎn)生Ｘ線的真空管。管中安裝有陽(yáng)極和陰極(燈絲)。用6～12V的電壓給陰極燈絲加熱，在陰極產(chǎn)生大量的自由電子。陰極和陽(yáng)極間的數(shù)十千伏的高壓加速這些電子使它們高速射向陽(yáng)極轟擊陽(yáng)極鎢靶。電子所帶能量的99.8%轉(zhuǎn)變成熱能，能量的0.2%產(chǎn)生Ｘ線，Ｘ線從Ｘ線管窗口射出。

Ｘ線管陽(yáng)極斜面上放射出Ｘ線的地方叫焦點(diǎn)，實(shí)際上它不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)小面。焦點(diǎn)面積的大小直接影響Ｘ線影像清晰度，焦點(diǎn)面積越小，影像越清晰。Ｘ線電視系統(tǒng)要求Ｘ射線源必須是小焦點(diǎn)Ｘ線管，最好用焦點(diǎn)面積只有0.1～0.3mm2的微焦點(diǎn)Ｘ線管。

2)變壓器

Ｘ線源中有兩種變壓器：一種是供球管燈絲用的降壓變壓器；一種是供Ｘ線管兩極間高電壓的高壓變壓器，高壓變壓器將市電升至40～150kV。

3)控制器

控制器用來(lái)控制Ｘ線源的工作，實(shí)現(xiàn)高壓電壓、高壓電流和曝光時(shí)間三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

高壓電壓是Ｘ線管兩極間的高壓電壓值，以千伏(kV)為單位。千伏值越高，電子轟擊陽(yáng)極靶的速度越大，能量越高，產(chǎn)生的Ｘ線波長(zhǎng)越短，穿透能力就越強(qiáng)，適用于密度大的物體；千伏值越低，產(chǎn)生的Ｘ線波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力則越弱，適用于密度小的物體。

高壓電流是通過(guò)Ｘ線管兩極間的管電流值，以毫安(mA)為單位。毫安值與產(chǎn)生Ｘ線的量成正比。

曝光時(shí)間，即產(chǎn)生Ｘ線的時(shí)間，以秒(s)為單位。

3.X線機(jī)及其缺點(diǎn)

上述Ｘ線源配上Ｘ線熒光屏就構(gòu)成Ｘ線機(jī)。Ｘ線機(jī)曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)和科研等方面。但Ｘ線機(jī)必須在暗室進(jìn)行操作，只能在一個(gè)很小的Ｘ線熒光屏上觀察和診斷，操作人員距離Ｘ線機(jī)太近會(huì)受到傷害。Ｘ線電視系統(tǒng)的研制成功解決了以上問(wèn)題，它迅速替代了Ｘ線機(jī)。

8.2.2

X線電視系統(tǒng)

Ｘ線電視系統(tǒng)由Ｘ線源、像增強(qiáng)器、光學(xué)系統(tǒng)、攝像機(jī)、控制器和監(jiān)視器等設(shè)備組成，其框圖示于圖8―7。系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件是像增強(qiáng)器，也需要用較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，攝像機(jī)、控制器和監(jiān)視器與通用型的攝像機(jī)控制器和監(jiān)視器工作原理一致，性能稍有不同。

圖8―7

X線電視系統(tǒng)方框圖

1.X線像增強(qiáng)器

Ｘ線像增強(qiáng)器是一種多電極靜電聚焦電子光學(xué)器件。Ｘ線圖像經(jīng)它轉(zhuǎn)換成為可見(jiàn)光圖像，并將圖像亮度增強(qiáng)。

Ｘ線像增強(qiáng)器由Ｘ線像增強(qiáng)管、殼體和電源三部分組成，如圖8―8所示。

殼體由坡莫合金襯里、鉛保護(hù)層和金屬外殼組成。坡莫合金襯里的導(dǎo)磁率高，能有效地屏蔽地磁場(chǎng)和周圍雜散磁場(chǎng)對(duì)電子束的作用，防止圖像畸變。鉛層能防止像增強(qiáng)管內(nèi)的Ｘ線透出來(lái)傷害工作人員。外殼有防潮和遮光作用，由鋁材和鐵皮制成。

Ｘ線像增強(qiáng)管的電源固定在殼體上，供給像增強(qiáng)管各工作電極高壓，保證其正常的工作狀態(tài)和增強(qiáng)作用。

圖8―8

X線像增強(qiáng)器示意圖

1)Ｘ線像增強(qiáng)管

Ｘ線像增強(qiáng)管是一個(gè)高真空管，管殼輸入窗用高透過(guò)率、低散射輕金屬(鋁或鈦)制成，管殼內(nèi)依次排列著輸入屏、聚焦電極、陽(yáng)極和輸出屏。圖8―9（b）是Ｘ線像增強(qiáng)管示意圖。輸入屏的構(gòu)成如圖8―9(a)所示，由外至內(nèi)各層依次是鋁膜、熒光屏、透明層、光電陰極，鋁膜作熒光反射體，熒光屏的熒光物是碘化銫或硫化鋅鎘，光電陰極為銻銫涂層。輸出屏的組成如圖8―9（c）所示，由內(nèi)至外各層依次是鋁膜、熒光屏、輸出窗。輸出屏是將P20熒光粉(Zn、Cd、S、Ag)沉積在一片緊靠輸出窗的薄玻璃片上后，再蒸涂一層鋁膜形成的。

圖8―9

像增強(qiáng)管的構(gòu)造(a)輸入屏；(b)像增強(qiáng)管;(c)輸出屏

2)Ｘ線像增強(qiáng)管工作原理

Ｘ線穿過(guò)物體后，其強(qiáng)度隨物體密度分布變化，該攜帶物體密度分布信息的射線經(jīng)輸入窗投射到輸入屏，屏上的熒光物按Ｘ線強(qiáng)度分布激發(fā)出一幅熒光圖像。熒光經(jīng)透明層后射入光電陰極，在光電陰極的另一面形成一幅完全與入射Ｘ線強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電子圖像，是被檢測(cè)物體的密度分布圖像。電子束經(jīng)聚焦電極聚焦及陽(yáng)極電壓加速后打到輸出屏上，形成一幅增強(qiáng)了的可見(jiàn)光圖像。

圖像亮度增強(qiáng)的原因是光電子通過(guò)加速電場(chǎng)時(shí)吸收了能量，而且輸入屏較大面積上產(chǎn)生的光電子被聚集到了較小面積的輸出屏上。

由于光纖技術(shù)的發(fā)展，圖像增強(qiáng)管使用了光纖輸出面板，它能與帶光纖面板的CCD攝像機(jī)直接耦合，可以提高靈敏度，降低Ｘ線劑量。

3)可變輸入視野像增強(qiáng)管

在給定的Ｘ線和電極電壓下，輸入屏上圖像可轉(zhuǎn)換部分的直徑大小稱為像增強(qiáng)管的輸入視野。若輸入視野可變，則稱為可變輸入視野圖像增強(qiáng)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)等固定視野管；還有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)等可變視野增強(qiáng)管。

可變視野圖像增強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)與固定視野像增強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)相似，只不過(guò)前者多了兩個(gè)輔助電極。圖8―10為可變視野像增強(qiáng)管示意圖。工作時(shí)，只要改變加在聚焦電極和輔助陽(yáng)極上的電壓，便可以沿像增強(qiáng)管的對(duì)稱軸改變電子束焦點(diǎn)的位置，從而改變輸入視野。通常用G1電壓調(diào)節(jié)圖像的勻稱性，用G2電壓調(diào)節(jié)焦點(diǎn)，用輔助陽(yáng)極電壓控制輸出圖像的大小。

通常先用大視野觀察，對(duì)其不詳?shù)牟课辉儆眯∫曇坝^察。

4)像增強(qiáng)管主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)量方法

(1)分辨率:Ｘ線圖像增強(qiáng)管分解圖像細(xì)節(jié)的能力。測(cè)量用的分辨率測(cè)試卡是一塊布有不同間距鉛條的板，一條鉛條與鉛條間的間隙組成一個(gè)線對(duì)，以單位寬度能區(qū)分多少線對(duì)來(lái)度量。測(cè)量時(shí)，把測(cè)試卡放在像增強(qiáng)器前，用放大鏡在像增強(qiáng)器輸出窗觀察，測(cè)得的線對(duì)數(shù)越多，分辨率越高。

圖8―10

可變視野像增強(qiáng)管示意圖通常把從輸入視野中心到20%視野半徑區(qū)內(nèi)的分辨率叫中心分辨率，把從輸入視野中心到視野半徑70%區(qū)內(nèi)的分辨率叫中間分辨率，把視野半徑70%到90%之間的分辨率叫邊緣分辨率。

(2)轉(zhuǎn)換系數(shù):在一定Ｘ線劑量下的輸出屏亮度。轉(zhuǎn)換系數(shù)高，增強(qiáng)管的靈敏度就高。測(cè)量時(shí)用劑量計(jì)探頭測(cè)出Ｘ線劑量率R，再用亮度計(jì)讀出輸出亮度B，轉(zhuǎn)換系數(shù)GX為(8―3)式中，亮度B的單位是坎德拉/米2(cd/m2)，Ｘ線劑量率R的單位是毫倫/秒。

若為可變視野增強(qiáng)管，則應(yīng)對(duì)各輸入視野進(jìn)行轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)量。由于輸入屏邊緣離開(kāi)Ｘ線管的焦點(diǎn)遠(yuǎn)，輸入屏表面是凸面，輸入屏邊緣Ｘ線入射劑量小，為了確定視野上的轉(zhuǎn)換系數(shù)變化情況，應(yīng)在視野上多取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

(3)對(duì)比度:

像增強(qiáng)管輸出圖像最大亮度與最小亮度之比。增強(qiáng)管的對(duì)比度高，整機(jī)的對(duì)比度通常也高。測(cè)量時(shí)，在緊靠圖像增強(qiáng)器輸入面的中心放一個(gè)能遮住10%輸入視野的鉛盤，盤的厚度為6mm。用亮度計(jì)測(cè)出鉛盤圖像的中心亮度B1，記住測(cè)B1的位置后取出鉛盤。再把亮度計(jì)對(duì)著測(cè)B1的位置測(cè)出亮度B2，對(duì)比度C為（8―4）

(4)對(duì)比靈敏度：表征Ｘ線像增強(qiáng)管發(fā)現(xiàn)病灶的能力，常使用JEDEC透度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。透度計(jì)是一個(gè)厚度為20mm的鋁盤，盤上鉆有一些直徑為6.5mm的盲孔（未鉆透的孔），盲孔深度為盤厚的1.5%～7%，盲孔的參數(shù)相對(duì)深度就用百分?jǐn)?shù)表示。測(cè)試時(shí)把透度計(jì)置于像增強(qiáng)器的輸入面上，增強(qiáng)管能檢測(cè)到的最淺盲孔深度值稱作增強(qiáng)管的對(duì)比靈敏度。能見(jiàn)到的盲孔深度越淺，像增強(qiáng)管的對(duì)比靈敏度越高。

2.光學(xué)系統(tǒng)

像增強(qiáng)管輸出屏的可見(jiàn)光圖像還要攝像、拍片，故需配上由轉(zhuǎn)像系統(tǒng)、直角反射器和光分配器構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。

1)選用大孔徑光學(xué)系統(tǒng)

像增強(qiáng)管輸出屏的圖像亮度不高，在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)盡量減少光能量損失。因?yàn)橥哥R的像面照度與其相對(duì)孔徑D／f的平方成正比，故在Ｘ線電視設(shè)備中應(yīng)選用大孔徑光學(xué)系統(tǒng)。

2)轉(zhuǎn)像系統(tǒng)

圖8―11是轉(zhuǎn)像系統(tǒng)示意圖。像增強(qiáng)管輸出屏圖像經(jīng)L1后變?yōu)槠叫泄?，而L2則將平行光成像于攝像機(jī)光電傳感器。在L1和L2間可以插入光分配器，為充分利用像增強(qiáng)管有效視野及攝像機(jī)CCD傳感器的光敏區(qū)，應(yīng)滿足的匹配條件為（8―5)式中，d1是像增強(qiáng)管輸出圖像直徑，d2是攝像機(jī)CCD傳感器的光敏區(qū)有效利用直徑，f1為L(zhǎng)1焦距，f2為L(zhǎng)2焦距。

L1、L2距離應(yīng)盡量短，以免產(chǎn)生光通量損失，造成圖像亮度不均勻，中間部分亮邊沿逐漸變暗。

3)直角反射器

有時(shí)需將電視攝像機(jī)和像增強(qiáng)器安裝成直角，這時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)直角反射器，如圖8―12所示。直角反射器中裝有一個(gè)和水平面成45°的平面反射鏡，它將入射光成直角反射。為保證光學(xué)準(zhǔn)直性，平面反射鏡與水平面所成的角度應(yīng)能微調(diào)。

圖8―11

轉(zhuǎn)像系統(tǒng)示意圖圖8―12

直角反射器示意圖

4)光分配器

為了同時(shí)進(jìn)行電視攝像和拍片，需要一個(gè)如圖8―13所示的雙通道光分配器。分配器中裝有一個(gè)半反射鏡，是一種特殊棱鏡，當(dāng)光線射到半反射面時(shí)，絕大部分光線被反射，少部分透過(guò)棱鏡。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于拍片時(shí)，主輸出90%供給拍片機(jī)，次輸出10%供電視監(jiān)視。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于電視攝像時(shí)，則用電機(jī)控制半反射鏡面旋轉(zhuǎn)，使大部分能量到達(dá)電視攝像機(jī)。

圖8―13

雙通道光分配器示意圖

3.攝像機(jī)

Ｘ線電視攝像機(jī)與通用電視攝像機(jī)主要不同點(diǎn)有：

1)圓消隱

為充分利用圖像增強(qiáng)管有效視野和攝像機(jī)CCD傳感器的光敏區(qū)，為符合醫(yī)療單位的觀察習(xí)慣，醫(yī)用Ｘ射線電視攝像機(jī)均采用圓消隱，即在監(jiān)視器熒光屏中央的一個(gè)圓的范圍內(nèi)觀看圖像。

2)寬高比為1∶1

與圓消隱相適應(yīng)，醫(yī)用Ｘ線電視攝像機(jī)掃描光柵的寬高比不是4∶3，而是1∶1，這樣還可以充分利用視頻通道的信息傳輸能力。在視頻通道帶寬相同、電子束聚焦正常的情況下，采用1∶1的寬高比后水平分辨率得到提高。

3)較高的分辨率和亮度鑒別等級(jí)

為了能夠發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)物體密度極小的差異，Ｘ線電視攝像機(jī)必須有較高的亮度鑒別等級(jí)和分辨率。水平中心分辨率應(yīng)達(dá)到800線，故要求整個(gè)視頻通道的帶寬高于10MHz。

4.控制器

在Ｘ線電視系統(tǒng)中，Ｘ線是穿透密度不同的被檢測(cè)物體后到達(dá)圖像增強(qiáng)器輸入屏的，不同的被檢測(cè)物體對(duì)X線的吸收不一樣，所以到達(dá)圖像增強(qiáng)器輸入屏的Ｘ線劑量不同，引起輸出屏圖像亮度差別很大，以致監(jiān)視器熒光屏上不同被檢測(cè)體的圖像亮度差別明顯。同一被檢測(cè)物體各部位密度也不同，所以被檢測(cè)體各部位圖像亮度差別也很明顯。自動(dòng)亮度控制就是當(dāng)被檢測(cè)體對(duì)Ｘ線吸收量發(fā)生變化時(shí),變動(dòng)Ｘ線機(jī)產(chǎn)生的Ｘ線劑量，以保證圖像增強(qiáng)器輸出屏亮度保持恒定，最終使得監(jiān)視器熒光屏上的被檢測(cè)體圖像亮度保持恒定。

在攝像時(shí)，攝像機(jī)的自動(dòng)增益控制與自動(dòng)亮度控制起著不同的作用。攝像機(jī)的自動(dòng)增益控制電路可在較大的輸入信號(hào)范圍內(nèi)使輸出視頻信號(hào)幅度保持穩(wěn)定。但有時(shí)Ｘ線劑量已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該降低Ｘ線劑量；自動(dòng)增益控制電路在輸入視頻信號(hào)較小時(shí)使輸出視頻信號(hào)幅度保持穩(wěn)定，但這時(shí)輸出視頻信號(hào)信噪比降低，圖像質(zhì)量差，不能獲得滿意的效果，應(yīng)該增加Ｘ線劑量。自動(dòng)亮度控制系統(tǒng)的調(diào)整過(guò)程是慢速的，必須與調(diào)整速度快的自動(dòng)增益控制電路配合工作。當(dāng)被檢測(cè)體對(duì)Ｘ線吸收量突然增大，攝像機(jī)輸入視頻電壓幅度減小到額定值的50%，這時(shí)自動(dòng)增益控制電路立即起作用，增大可控增益放大器的放大量，使圖像亮度趨于恒定；自動(dòng)增益控制作用在60毫秒后消失，自動(dòng)亮度控制系統(tǒng)開(kāi)始起作用，加大Ｘ線機(jī)產(chǎn)生的Ｘ線的劑量，使攝像機(jī)輸入視頻電壓幅度又恢復(fù)到額定值。

Ｘ線的輻射強(qiáng)度IX為(8―6)式中，K為比例常數(shù)；Z為Ｘ線管陽(yáng)極靶材料的原子序數(shù)；I為Ｘ線管管電流，單位為mA；U為Ｘ線管管電壓，單位為kV。

式(8―6)示出Ｘ線機(jī)產(chǎn)生的Ｘ線劑量與Ｘ線管的管電流及管電壓之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還要考慮Ｘ線的硬度。Ｘ線硬度不夠時(shí)，劑量再大也無(wú)法穿透被檢測(cè)體。Ｘ線的硬度取決于管電壓和Ｘ線管陽(yáng)極靶材料的原子序數(shù)，管電壓越高，靶材料的原子序數(shù)越大，Ｘ線的硬度越大，穿透能力就越強(qiáng)。

5.Ｘ線電視系統(tǒng)的應(yīng)用

Ｘ線電視系統(tǒng)的應(yīng)用主要是在醫(yī)療方面。根據(jù)使用特點(diǎn)，X線電視系統(tǒng)可分為診斷機(jī)、定位機(jī)和治療機(jī)。

1)診斷機(jī)

診斷用Ｘ線機(jī)配上圖像增強(qiáng)器、光學(xué)系統(tǒng)和電視設(shè)備組成Ｘ線電視系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不必在暗室工作，Ｘ線劑量大約只有普通Ｘ線機(jī)的1/10。

供透視用的隔室透視機(jī)和供特種檢查用的遙控Ｘ線機(jī)使醫(yī)生完全脫離Ｘ線，這兩種設(shè)備都配上Ｘ線電視系統(tǒng)。前者將圖像增強(qiáng)器和X線機(jī)球管固定，而控制人體上、下、左、右移動(dòng)；后者設(shè)有可在三維空間運(yùn)動(dòng)的搖欄床并帶有機(jī)械手。

2)定位機(jī)

對(duì)腫瘤患者進(jìn)行放療前必須對(duì)病灶準(zhǔn)確定位，為此專門生產(chǎn)出一種模擬定位機(jī)，這種設(shè)備也必須配上X線電視系統(tǒng)。

3)治療機(jī)

各種各樣的Ｘ線電視系統(tǒng)也出現(xiàn)在臨床科室，成為外科醫(yī)生們手術(shù)治療中的重要手段。例如骨科機(jī)，供在Ｘ線下進(jìn)行骨科手術(shù)；導(dǎo)管機(jī)，供在Ｘ線下進(jìn)行心血管導(dǎo)管，安裝起搏器；碎石機(jī)則是為粉碎膽結(jié)石、腎結(jié)石和輸尿管結(jié)石而設(shè)計(jì)的。所有這些設(shè)備都離不開(kāi)Ｘ線電視。Ｘ線電視系統(tǒng)還是一種很好的無(wú)損檢測(cè)手段，可用于工業(yè)探傷。因?yàn)樘絺茫鼐€機(jī)產(chǎn)生的Ｘ線硬度大，對(duì)人體傷害極大，不宜用肉眼在熒光屏上觀察，以前采用拍片辦法來(lái)檢查工件，膠片的消耗費(fèi)用很大，有的飛機(jī)制造廠每年要花上百萬(wàn)元的膠片費(fèi)。為了節(jié)省費(fèi)用，可以采用探傷用Ｘ線電視系統(tǒng)。

8.3

微

光

電

視

當(dāng)我們從電視上動(dòng)物世界欄目中看到夜間叢林中各種動(dòng)物生活秘密的時(shí)候，一定會(huì)驚嘆攝像師高超的本領(lǐng)，利用夜幕掩護(hù)來(lái)接近動(dòng)物充滿了危險(xiǎn)，怎樣在漆黑的夜晚攝取清晰的圖像呢？這就要靠微光攝像機(jī)。

微光電視的關(guān)鍵設(shè)備是微光攝像機(jī)。微光電視系統(tǒng)中的其他設(shè)備與普通電視系統(tǒng)是完全一樣的。

8.3.1

微光電視的特點(diǎn)

微光電視就是能夠在人不能看清景物的條件下，產(chǎn)生清晰圖像的電視系統(tǒng)。如能在星光條件下(10-4lx)工作的攝像機(jī)。在這樣的光照下，人眼已無(wú)法看清楚景物，而微光電視系統(tǒng)能夠在這樣的條件下攝取高質(zhì)量圖像。由于攝像器件的迅速發(fā)展，攝像機(jī)的靈敏度提高很快，可以在黃昏環(huán)境下(10-2lx)工作的攝像機(jī)品種很多，價(jià)格也很低廉，一般稱之為低照度攝像機(jī)，已把它列入通用攝像機(jī)的范疇。

微光電視提高了人在微光條件下的可見(jiàn)度，也提高了觀測(cè)目標(biāo)的清晰程度，但也有一定的局限性。微光電視的主要特點(diǎn)有：

(1)微光電視增強(qiáng)了從目標(biāo)反射的光線，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，提高了人的可見(jiàn)度。不同于非可見(jiàn)光電視和其他夜視手段，它是一種被動(dòng)的、通過(guò)自身的增強(qiáng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)夜視功能的手段，利于保密。

(2)雖然提高了靈敏度和分辨力，圖像效果達(dá)不到白天觀察時(shí)的效果，因?yàn)樵谖⒐鈼l件下，景物本身的對(duì)比度和清晰度降低，色彩消失。而光的增強(qiáng)過(guò)程會(huì)引入新的噪波。

(3)微光電視分辨目標(biāo)的能力會(huì)受到氣候條件的影響。例如,在煙、霧、雨、雪中，微光電視所產(chǎn)生的圖像并不比人直接觀察或使用光學(xué)設(shè)備觀察的效果好。若沒(méi)有上述影響，微光電視的圖像就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人眼和光學(xué)設(shè)備。

(4)用微光電視系統(tǒng)攝取圖像，便于傳輸、記錄，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的觀察和遙控。

(5)微光攝像機(jī)的價(jià)格高，使用壽命也低，使用時(shí)需要注意的問(wèn)題多，在應(yīng)用上受到一定的限制。

8.3.2

微光像增強(qiáng)器

微光像增強(qiáng)器作為一種光增強(qiáng)器件，能夠把較弱的輸入光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為相似的、比較明亮的光學(xué)圖像。像增強(qiáng)器是一種電真空成像器件，主要由光陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏組成。像增強(qiáng)器把入射光成像在光陰極上，再?gòu)墓怅帢O上發(fā)射光電子，并用幾千伏的電壓加速光電子，使在輸出屏聚焦的圖像得到增強(qiáng)。把它與CCD攝像器件耦合起來(lái)就可以提高攝像器件的光電靈敏度，實(shí)現(xiàn)微光攝像。微光像增強(qiáng)器本身也是一種直接觀察的夜視器件。

像增強(qiáng)器的種類很多。按工作方式可分為：連續(xù)工作、選通工作和變倍工作像增強(qiáng)器。按像管結(jié)構(gòu)可分為：近貼式、倒像式、靜電聚焦式和電磁復(fù)合聚焦式增強(qiáng)器。按發(fā)展階段則分為：第一代級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器，第二代光纖面板陰極窗帶微通道板的像增強(qiáng)器，第二代半玻璃陰極窗帶微通道板的像增強(qiáng)器和第三代負(fù)電子親和勢(shì)光陰極像增強(qiáng)器。目前像增強(qiáng)器又出現(xiàn)了用第三代近貼管與第一代倒像管級(jí)聯(lián)構(gòu)成的超級(jí)倒像管(或稱雜交管)，

它工作在10-4～10-5lx極低照度下，增益達(dá)105倍。

目前像增