红外测温的原理讨论
发布时间：2010-9-28 14:02
发布者：robotliu
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I、简介 近年来热(红外)成象系统13趋重 要。这主要是由于： · 红外系统的应用范围蓬勃扩展．重 要性日显突出。 · 红外探测器技术已整体成熟，批量 生产的许多探测器质优价廉。 红外系统的这种与日俱增的重要性 以及性能不断提高的探测器问市．使得 对光学系统及其设计的需求空前增长。 尽管在可见光系统中用来进行公式推导、 准则判定、平衡取舍以及其他考虑的经 典光学设计和工艺技术可以直接运用于 红外系统．但对红外系统的许多考虑还 是明显区别于可见光系统，其中一些考 虑还是相当复杂的。实际上，如果完全 采用从可见光系统技术原理推导出来的 准则来设计红外扫描装置的光学系统。 则该扫描装置不可能具有良好的性能。 本文将探讨有关红外光学系统设计 的许多事宜。尽管我们打算重点描述对 红外系统来说具有特色的方面，但人们 不难发现这必然会使我们涉及到光学设 计技术的方方面面。 Ⅱ、光谱问题 温暖或热的物体发射出远至l2 光 谱带的大量红外能量．这可由图l的黑 体曲线表现出来。尤其应注意的是在接 近于环境温度(约300QK)下．绝大多数 F sc ，RE 趋 红外辐射发生在高于3胛的光谱区域。 要 ： 驿 娄 波长 m 图1 黑体的光谱辐射率 L～— ～疆一L。。 [．!． … 翁錾： 一隧 ”鳗 图2 海平面0．3KM空气通道上 0．6—14~um虹外辐射大气透过率 ?＼ (云光技术)2oo0 坩．32 ^b6 ·7 · 除以下情况外，红外辐射在大气中的透 过率都很低： (n)近红外(低于2．4mn 的若干波段)． (b)中波红外(约3— 5pm)，(c)长波红外(约8—12vm)。图 2所示为簿平面位置0．3KM空气通道上 的大气透过率…1。 由于绝大多数热能都包含在3—5mn 和8—12．urn光谱带．因而我们把目前的 讨论集中在这两个波段上。绝大多数光 学玻璃只能透过远至约2．5mn的红外辐 射。因此在近红外光谱区域(低于 2．5 )。光学系统设计所考虑的问题与 可见光系统并无实质上的差异。还有两 个较长光谱带则需要红外透过材料， 和 采用显著不同的设计原则。 Ⅲ、探测器／杜瓦瓶有关问题 为了探测报小的温差． 红外探测器 必须在深冷的条件下工作，一般为77。K 或更低。为了使探测器传感元件保持这 种深冷温度，探测嚣都集成于 杜瓦瓶 组件中。这种牲瓦瓶尺寸虽小．但由于 制造困难，所以价格特别昂贵；杜瓦瓶 实际上就是绝热的容器，类似于“保温 瓶 。图3所示为通用探测器／杜瓦瓶组 件的剖视图。“冷指 贴向探测器，并使 址瓦 捕光芊系统 图3 通用探洲嚣／杜瓦瓶组件 注：与探测嚣阵列匹配的冷指由气 罐或深冷泵冷却 之冷却；这种冷指是一种用气罐或深冷 泵冷却至深冷的元件。透过红外线的杜 瓦窗起到真空密封的作用。 图中所示还有“冷屏” (或 冷 阑 )．它是杜瓦组件不可分割的一部分。 冷屏后表面上的低温呈不均匀分布(尽 管只比探测器阵歹唾的温度略高)，因此会 发射少许热能，或不发射。冷屏的作用 是限制探测器观察的立体角。 if,at很有必要强调可见光光学系统 与红外热成象仪中的光学系统之间的区 别。在可见光系统中．探测器(如：照 相底片、眼睛等)敏感于可见光．仪器 内壁的涂黑以及适当的挡光措施避免或 减少来自形成光锥的图象之外的光线射 到探测器上。红外系统则敏感于热能， 任何来自成象辐射锥之外并到达探测器 的辐射都会降低系统的灵敏度．在某些 情况下甚至造成图象异常。在一定程度 上我们可以把可见光系统类比为红外系 统，比如一只机壳内壁照亮的照相机； 这自然会使底片灰雾．并由于相机内壁 杂散光的反射而产生不需要的图象异常。 这种情况下我们实施一种方案。即底片 只能观察物方空间并且“看不见 照亮 的相机内壁。 · 冷阑。如果以上讨论的杜瓦组件内 的孔径就是“冷阑 ，那么它肯定就是系 统的孔径光阑；探测器剐只 看见 来 自物空间的辐射。探测器杜瓦瓶内的冷 阑通过下述两个方法之一而变成系统的 孔径光阑： 。．我们可将传统的孔径光阑(即系 统前方的物镜或主反射镜)再次成象于 冷阑平面上。通过少许减少冷阑孔径的 · 8 · ‘云光技术)∞∞ ~o1．32 №6 直径(或相反地，将系统前方的孔径光 阑加大)，冷阑便有效地成为系统的限制 孔径光阑， 探测器则只看到物空问。 (注：冷阑的这种尺寸减少必须计人公差 积累、光瞳象差，及其他效应中)。如果 冷阑是系统的孔径光阑，那么可以说系 统具有“180％ 的冷阑效率”。 6．我们能直接使用非再次成象系统 结构以冷阑作为孔径光阑。由于此光阑 — -孛目 锌 1册 一 距象差校正所要求的位置较远．所以这 种结构通常不可行。此外，这种远离的 光阑还会在系统的前方元件上造成明显 的光瞳移动。为了避免图象异常，必须 消除渐晕， 因而多数情况下会导致光学 系统的尺寸明显加大。但对小视场应用 场合，这种方寨还是可行的。 图4所示为上述达到l00％冷阉教事 的方法举例 |
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