第8章特殊成像電視

西安電子科技大學出版社應用電視技術趙堅勇第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的光線，在光譜中位于紅色光以外，其波長范圍大致為0.78～1000μm。任何一個物體，只要它的溫度高于絕對零度，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分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外四個波段。近紅外的波長為0.78～3μm，中紅外為3～6μm，遠紅外為6～15μm，極遠紅外為15～1000μm。

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

根據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，大氣對不同波長的紅外線吸收與衰減的程度有很大差別。對波長在2～2.6μm、3～5μm和8～14μm等三個波段內的紅外線吸收極少，常稱這三個波段為紅外線的“大氣窗口”，它們分別位于近紅外、中紅外和遠紅外三個波段內。紅外電視的工作波長應盡可能進入這三個波段。

(5)紅外光學材料：可以透過紅外輻射的介質稱為紅外光學材料。任何介質不可能對所有波長的紅外線都透明，紅外光學材料只是對某些波長范圍的紅外線具有較高的透過率。

許多介質對可見光是透明的，對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材料，可以作為紅外儀器與大氣隔離的窗口，也可以用來磨制各種透鏡和棱鏡。單晶鍺的最大透過率約為44%，在單晶鍺的表面鍍上一層“增透膜”后，可變得對一定波長的紅外線具有很高的透過率，最高透過率可達99%。對于波長在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材料。在波長為1～14μm的范圍內，其平均透過率大于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，用來增加各種紅外光學材料透鏡或窗口的透過率。

多晶氟化鎂是一種耐高溫的紅外光學材料，用于3～5μm波長范圍而且可透過可見光。對于波長為0.598μm的可見光，其透過率約為20%～30%；而對于波長為3～6.5μm的紅外輻射，透過率高達90%。

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

8.1.2

主動式紅外電視

主動式紅外電視由紅外照明光源、紅外攝像機和監(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，由攝像機的CCD傳感器將目標的可見光和不可見的紅外圖像轉換為電信號輸出，在監(jiān)視器上顯示可見光圖像。

主動式紅外電視系統與一般的可見光應用電視系統基本相同，但其照明光源、光學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，電源簡單，效率高等特點，其發(fā)射峰值波長約為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率分別為80%和40%左右。用鹵化物燈代替鎢絲燈，光譜響應曲線范圍在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至1200nm。利用黑白CCD圖像傳感器的這個特性，在夜間無可見光照明的情況下，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傳感器在強光照射下容易出現光暈和拖影現象。

圖8―1

黑白CCD圖像傳感器光譜特性

3.主動紅外攝像機

常見的主動紅外攝像機有分離式、內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買紅外照明光源和紅外敏感攝像機。配置時，要注意紅外照明光源光譜范圍和攝像機光譜特性的一致。安裝紅外照明光源時，要注意投射的角度和距離，最好是在無可見光的情況下看著攝取的圖像進行調整，這樣才能取得最佳效果。

2)內置式

內置式主動紅外攝像機常常是在防塵罩內攝像機四周安裝紅外發(fā)光二極管。這種紅外攝像機安裝方便，用于近距離室內監(jiān)視。

3)一體化式

一體化式主動紅外攝像機用于室外遠距離掃描監(jiān)視。一般是在室外型電動云臺兩側固定兩個遠距離室外紅外照明光源，調整云臺時攝像機和紅外照明光源一起旋轉和俯仰，保證被攝目標受到紅外照明。

4.主動紅外攝像機的鏡頭

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

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

5.主動紅外攝像機的應用

(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)膠卷生產的監(jiān)視。利用主動紅外電視攝像機可在暗室外檢查膠卷生產過程中的各種瑕疵，保證產品質量。

(3)利用半導體材料能透過紅外線的特點來觀察半導體器件內部結構和缺陷。由紅外電視攝像機與紅外顯微鏡組成的紅外電視顯微鏡能對半導體器件實現無損檢測，具有分辨率高，結構簡單，使用方便等優(yōu)點。

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

8.1.3

被動式紅外電視

被動式紅外電視不需要紅外照明光源，是對目標本身的紅外輻射成像。常用的紅外電視攝像機有光機掃描型熱攝像機、熱釋電型攝像機和凝視焦平面陣列紅外攝像機等三種。

1.光機掃描型熱攝像機

光機掃描型熱攝像機是利用精密機械裝置驅動光學掃描部件，完成對目標的掃描，攝取目標的紅外輻射而成像的，所以稱為光學機械掃描成像。圖8―2是光機掃描型熱攝像機的方框圖。

圖8―2

光機掃描型熱攝像機方框圖自然界中溫度高于絕對零度的物體總是在不斷地進行紅外輻射的，只要能收集這些輻射能，就能形成與景物溫度分布相對應的熱圖像。紅外光學系統將目標發(fā)射的輻射能收集起來，經過光譜濾波之后，將景物的輻射分布會聚并成像到紅外探測器所在的光學系統焦平面上。光學掃描器包括兩個掃描透鏡組，一個作垂直掃描，一個作水平掃描。掃描器位于聚焦光學系統和探測器之間。當掃描器轉動時，從景物到達探測器的光束隨之移動，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景物時，紅外探測器逐點接收景物的輻射并轉換成相應的電信號?；蛘哒f，光機掃描器構成的景物圖像依次掃過探測器，探測器依次把景物各部分的紅外輻射轉換成電信號，再經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溫度分布的可見光圖像，其明亮部分表示溫度高，較暗部分表示溫度低。紅外探測器是一種輻射能轉換器。它把紅外輻射能轉換成電信號，是利用某些半導體材料在入射光的照射下，產生光子效應的原理制成的，所以也叫光子探測器。一般需在低溫下工作，其特點是探測靈敏度高，響應速度快，但每一種光子探測器都有一個截止波長，超過此波長探測器將無響應。

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

視頻處理放大是熱攝像機的重要組成部分。它將紅外探測器輸出的反映景物空間溫度分布的微弱信號進行加工和變換，形成與景物溫度分布相對應的視頻信號，然后根據景物各單元對應的視頻信號標出景物各部分的溫度，并顯示出景物的熱圖像。在實際應用中，還要求對圖像信號作進一步處理，如圖像增強、圖像修復等。

光機掃描型熱攝像機有溫度分辨率高，靈敏度高等優(yōu)點；缺點是需要復雜的光機掃描裝置和液態(tài)氮致冷器，所以體積大，結構復雜，價格貴。

2.熱釋電電視攝像機

熱釋電電視攝像機是采用熱釋電攝像管作為攝像器件的被動式紅外電視攝像機。它能將目標的紅外線輻射能量分布轉換為視頻信號。與光機掃描型熱攝像機相比，熱釋電電視攝像機具有結構簡單，使用維修方便，不需要液氮致冷等優(yōu)點，所以得到廣泛的應用。

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換為視頻信號。熱釋電攝像管能寬譜成像，但由于光學系統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。在晶體薄片垂直極化軸的表面產生的電荷積累與溫度變化成正比，這就是熱釋電效應。

圖8―3

熱釋電視像管的結構示意圖熱釋電視像管的結構如圖8―3所示。其電極結構與普通光導攝像管相同，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，在靠近面板一側的表面有一層透明導電信號板，它通過靶環(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(49℃)；

DTGFB靶的靈敏度高，介電常數小，靶的居里點高(70℃)。

熱釋電攝像管的工作原理是：目標輻射的紅外線，經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，因而由熱釋電效應所釋放的表面電荷也不同，形成了空間和強度變化都和目標相同的電荷圖形，即在靶面上形成與目標熱像相對應的靶面電位像；當電子束在靶面上掃描時，就在信號電極電路內產生信號電流，它經信號電極電路的靶負載電阻形成視頻信號。熱釋電靶產生的熱釋電電流IS為

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

上式表明，當輻射到單元靶上的熱輻射強度發(fā)生變化時，才有信號電流輸出。也就是說，熱釋電攝像管是對溫度的變化率敏感而不是對溫度敏感。因此對靜物成像時，要對輸入信號加以調制；若不加調制，只能對運動的或輻射強度有變化的目標成像，由此可以區(qū)分靜止目標和運動目標。

(8―1)

2)熱釋電電視攝像機的工作原理

熱釋電視像管只對溫度的變化率敏感，為了對靜止目標成像，必須將輸入信號調制。常用的調制模式有平移調制模式和斬波調制模式。

平移調制模式是在使用中不斷移動攝像機，攝像機與目標間產生相對運動，熱釋電攝像管上所接收的目標紅外輻射隨時間而變化，形成視頻信號。平移調制模式攝像機靈敏度高，整機結構簡單，但目標呈移動狀態(tài)，影響觀察。

斬波調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制盤。當調制盤運動時，就對目標像產生了調制，使透過調制盤的像隨時間而變化。這樣，將入射的紅外輻射進行周期性斬波調制，輸出交變視頻信號。斬波調制模式攝像機靈敏度較低，但產生的圖像位置穩(wěn)定，視場不變，因有調制盤，整機結構復雜，熱釋電攝像管輸出的等幅度正負交變信號，需有專門的電路來處理。

3)熱釋電電視攝像機的主要技術性能

(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試卡圖形時，測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對溫度的靈敏度，與系統的調制傳遞函數、等效噪聲溫差、光學鏡頭性能、掃描速率和人眼視覺特性等因素有關。

可在空間分辨率為100線或200線時測量最小可分辨溫差，將攝像機對準100線或200線的條形測試卡，鏡頭的光圈調至1位置，增加測試卡與背景之間的溫差，在監(jiān)視器屏幕上剛能分辨出測試卡圖像時，測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)中分辨出大目標時，目標與背景之間的溫差即為最小可探測溫差。

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

(3)最大空間分辨率(MSR)。在測試卡與背景(黑體)之間有一適當的溫差時，可分辨的空間頻率的最大值，稱為最大空間分辨率。它表征了攝像機分辨目標細節(jié)的能力。當溫差增大時，熱釋電攝像管的空間分辨率將隨之增大，但當溫差增大到一定數值后，再繼續(xù)增大溫差，空間分辨率基本保持不變。

測試時，將空間分辨率條形測試卡和背景(黑體)之間的溫度差調整為一恰當值，更換不同空間頻率的測試卡，至恰能分辨出的最大空間頻率條形測試卡圖像時所對應的電視行數，即為最大空間分辨率。

4)熱釋電電視攝像機的鏡頭

熱釋電電視攝像機使用在中、遠紅外波段，普通可見光鏡頭已不適用，需要專門設計紅外電視鏡頭。

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，但透過率約為47%，需在表面鍍上增透膜，以提高透過率。國產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，透過率≥95%。

5)熱釋電電視攝像機的應用

熱釋電電視攝像機在常溫下工作，不需照明設備，透灰塵及煙霧的能力強，可以對3～5μm和8～14μm光譜范圍的熱目標進行成像顯示,分辨目標的溫度分布和形狀,測量目標和背景之間的溫差，具有準確、直觀、方便等優(yōu)點，適用于電力、冶金、化工、消防、醫(yī)療等部門應用。

在自動化生產過程中，利用熱釋電電視攝像機，可對一些重要部位和設備進行溫度監(jiān)測。例如,在鋼鐵企業(yè)對高爐進行監(jiān)測，可看到爐體的溫度分布和爐溫的變化，發(fā)現爐體的損壞。在發(fā)電廠對電氣設備進行監(jiān)測，可及時發(fā)現過熱故障和隱患。

發(fā)生火災時，消防人員用熱釋電電視攝像機可在濃煙和黑暗環(huán)境中，尋找救護目標，探測火源位置。

在醫(yī)療方面，用熱釋電電視攝像機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及植皮等情況。

3.凝視型焦平面陣列紅外攝像機

采用單個探測器的光機掃描熱攝像機，探測器探測每個點的時間為τ；采用沿垂直方向放置n個探測器列陣的并聯掃描，n個探測器恰好覆蓋垂直視場而只在水平方向掃描；當幀頻一定時，并聯掃描探測器探測每個點的時間將增加至單個探測器時的n倍，通頻帶壓縮至單個探測器時的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是用紅外探測器面陣充滿物鏡焦平面的方法來實現全視場范圍內目標成像的，取消了光機掃描，采用元數足夠多的探測器面陣，探測器單元與系統觀察范圍內的目標元一一對應。

假如探測器面陣在水平方向有m單元垂直方向上有n單元探測器，當幀頻一定時，探測器探測每個點的時間將增加至單個探測器時的mn倍，通頻帶壓縮至單個探測器時的1／mn，從而使通道信噪比提高到倍。探測每個點的時間變?yōu)閙nτ,探測時間長到好像與“凝視”一樣。

1)混成式紅外焦平面陣列

近年來，高性能的紅外探測器不斷出現，CCD工藝相對成熟，將紅外探測器和CCD耦合起來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是選擇探測器有很大的靈活性，絕大多數采用光電二極管作為敏感元?；斐墒郊t外焦平面的技術關鍵是解決光敏元和CCD器件間的互連問題，包括熱匹配和電接觸。近幾年發(fā)展起來的鋼柱連接技術已能達到很高的成品率，基本上解決了兩部分的互連問題。混成式紅外焦平面陣列的受光方式有前照射結構和背照射結構兩種結構形式。前照射結構探測器在前面受到照射，電信號就在同一面上取出。這種結構中，探測器的前面與多路傳輸器面向一個方向，電極引線從探測器出來，必須越過探測器的邊緣區(qū)域到達多路傳輸器。這種引線方式要求探測器陣列十分薄。由于互連占去了一部分面積，光敏面相應減小。背照射結構要求鑲嵌的探測器有薄的光敏層，在光敏層上吸收輻射，所產生的光生載流子從背面擴散到前面被PN結檢出。目前，焦平面陣列大多數采用背照射結構。

2)肖特基勢壘紅外焦平面陣列(SB―IRCCD)

肖特基勢壘是指金屬淀積在半導體表面形成的具有單向導電、整流作用的金屬―半導體接觸。SB―IRCCD是把可見光的行間轉移CCD的光敏部分換成肖特基勢壘光電探測器，工作原理類似于可見光CCD。

SB―IRCCD可利用成熟的硅集成電路工藝技術，實現高分辨率和獲得高的成品率。SB―IRCCD性能上突出優(yōu)點是響應均勻。在熱成像系統中，響應的均勻性在很大程度上決定了圖像的質量。SB―IRCCD的缺點是探測器靈敏度較低，為了提高光電探測器靈敏度，常采用薄膜金屬電極結構和光學共振腔結構；為了提高分辨率采用電荷掃描器件(CSD)。在CCD信號讀出時，從光敏單元到垂直電荷轉移單元，所有光敏單元信號讀出的轉移柵是同時打開的。在CSD方式中，在一個水平周期內，只有水平方向并排的一組轉移柵開啟；在一個垂直電荷轉移單元內，只讀出一個像元的信號；垂直電荷轉移單元尺寸可以做得很小，因此像元尺寸相對較大，增加了每個像元所占的探測器面積比，從而提高了分辨率。

3)SB―IRTV攝像機

圖8―4給出了SB―IRTV攝像機的原理框圖。與其他光子型紅外探測器一樣，為了減小噪聲和獲得較高的信噪比，必須進行制冷，器件要封裝在杜瓦瓶內。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驅動電路。

圖8―4

SB―IRTV攝像機的原理框圖圖8―5為便攜式SB―IRCCD攝像機的視頻處理電路。CCD器件輸出的視頻信號經相關雙取樣電路預處理，再經8位快速A／D轉換器數字化。一幅均勻背景的視頻信號進入幀存儲器，在攝像機正常工作的情況下，真實視頻信號和背景信號由同一個A／D轉換器數字化。兩個D／A轉換器分別將真實視頻信號和背景信號還原成模擬信號，送入一個模擬減法器中進行差分放大，差分放大器輸出的是修正了的視頻信號。然后加入水平、垂直消隱和同步脈沖，復合成標準視頻信號，送至顯示器。

圖8―5

SB―IRTV攝像機視頻處理電路方框圖

CCD驅動電路提供使IR―CCD攝像器件工作所需的全部時鐘脈沖。其中包括水平輸出和垂直列輸出的CCD時鐘、浮置擴散復位脈沖和從探測器到CCD的轉移脈沖。

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現大面積凝視陣列。在最新出現的凝視焦平面陣列紅外攝像機中，數字圖像運算與處理采用高速微處理器，實現了智能化。

凝視焦平面陣列紅外攝像機取消了掃描機構，縮小了體積，靈敏度提高至單元探測器時的倍，對景物輻射的響應時間只受探測器時間常數的限制，不再受光機掃描速度的影響?？梢詰迷诳臻g衛(wèi)星對地球表面研究和醫(yī)學上對皮膚表面、內部組織器官的溫度分布檢測，特別在軍事上可應用于夜視裝備、機載探測器和精確制導武器的偵察、跟蹤和測距，在現代軍事電子對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，不是可見光，是波長極短(1pm～10nm)的電磁波。Ｘ線能夠穿透物體，穿透力除與波長有關外,還與物質密度有關。X線通過高密度物質時,大部分射線被吸收；而對低密度物質，則大部分射線能通過。Ｘ線的這種特性可以幫助我們透過低密度的箱子看到箱內高密度的武器，透過低密度的皮膚和肌肉看到體內高密度的骨骼。

Ｘ線可使膠片感光，感光膠片沖洗成底片后可長期保存。經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程中的重要參考資料。

Ｘ線照射某些化合物結晶體時產生黃綠色熒光，利用這些物質制成熒光屏，Ｘ線穿透人體有關部位后在熒光屏上的圖像用來進行透視診斷。

Ｘ線照射人體組織時，細胞分子被電離分解受到破壞，有關工作人員長時間受少量Ｘ射線照射，因Ｘ射線有蓄積作用而在不知不覺中受了損害，必須注意防護。Ｘ線電視是使有關工作人員遠離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用。

2.X線的產生

Ｘ線由Ｘ線源產生，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，是產生Ｘ線的真空管。管中安裝有陽極和陰極(燈絲)。用6～12V的電壓給陰極燈絲加熱，在陰極產生大量的自由電子。陰極和陽極間的數十千伏的高壓加速這些電子使它們高速射向陽極轟擊陽極鎢靶。電子所帶能量的99.8%轉變成熱能，能量的0.2%產生Ｘ線，Ｘ線從Ｘ線管窗口射出。

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

控制器用來控制Ｘ線源的工作，實現高壓電壓、高壓電流和曝光時間三個參數的調節(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，電子轟擊陽極靶的速度越大，能量越高，產生的Ｘ線波長越短，穿透能力就越強，適用于密度大的物體；千伏值越低，產生的Ｘ線波長越長，穿透能力則越弱，適用于密度小的物體。

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

曝光時間，即產生Ｘ線的時間，以秒(s)為單位。

3.X線機及其缺點

上述Ｘ線源配上Ｘ線熒光屏就構成Ｘ線機。Ｘ線機曾經廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)和科研等方面。但Ｘ線機必須在暗室進行操作，只能在一個很小的Ｘ線熒光屏上觀察和診斷，操作人員距離Ｘ線機太近會受到傷害。Ｘ線電視系統的研制成功解決了以上問題，它迅速替代了Ｘ線機。

8.2.2

X線電視系統

Ｘ線電視系統由Ｘ線源、像增強器、光學系統、攝像機、控制器和監(jiān)視器等設備組成，其框圖示于圖8―7。系統中的關鍵器件是像增強器，也需要用較復雜的光學系統，攝像機、控制器和監(jiān)視器與通用型的攝像機控制器和監(jiān)視器工作原理一致，性能稍有不同。

圖8―7

X線電視系統方框圖

1.X線像增強器

Ｘ線像增強器是一種多電極靜電聚焦電子光學器件。Ｘ線圖像經它轉換成為可見光圖像，并將圖像亮度增強。

Ｘ線像增強器由Ｘ線像增強管、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、鉛保護層和金屬外殼組成。坡莫合金襯里的導磁率高，能有效地屏蔽地磁場和周圍雜散磁場對電子束的作用，防止圖像畸變。鉛層能防止像增強管內的Ｘ線透出來傷害工作人員。外殼有防潮和遮光作用，由鋁材和鐵皮制成。

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

圖8―8

X線像增強器示意圖

1)Ｘ線像增強管

Ｘ線像增強管是一個高真空管，管殼輸入窗用高透過率、低散射輕金屬(鋁或鈦)制成，管殼內依次排列著輸入屏、聚焦電極、陽極和輸出屏。圖8―9（b）是Ｘ線像增強管示意圖。輸入屏的構成如圖8―9(a)所示，由外至內各層依次是鋁膜、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

像增強管的構造(a)輸入屏；(b)像增強管;(c)輸出屏

2)Ｘ線像增強管工作原理

Ｘ線穿過物體后，其強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輸入窗投射到輸入屏，屏上的熒光物按Ｘ線強度分布激發(fā)出一幅熒光圖像。熒光經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線強度相對應的電子圖像，是被檢測物體的密度分布圖像。電子束經聚焦電極聚焦及陽極電壓加速后打到輸出屏上，形成一幅增強了的可見光圖像。

圖像亮度增強的原因是光電子通過加速電場時吸收了能量，而且輸入屏較大面積上產生的光電子被聚集到了較小面積的輸出屏上。

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

3)可變輸入視野像增強管

在給定的Ｘ線和電極電壓下，輸入屏上圖像可轉換部分的直徑大小稱為像增強管的輸入視野。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)等可變視野增強管。

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

通常先用大視野觀察，對其不詳的部位再用小視野觀察。

4)像增強管主要技術指標及測量方法

(1)分辨率:Ｘ線圖像增強管分解圖像細節(jié)的能力。測量用的分辨率測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線對，以單位寬度能區(qū)分多少線對來度量。測量時，把測試卡放在像增強器前，用放大鏡在像增強器輸出窗觀察，測得的線對數越多，分辨率越高。

圖8―10

可變視野像增強管示意圖通常把從輸入視野中心到20%視野半徑區(qū)內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)轉換系數:在一定Ｘ線劑量下的輸出屏亮度。轉換系數高，增強管的靈敏度就高。測量時用劑量計探頭測出Ｘ線劑量率R，再用亮度計讀出輸出亮度B，轉換系數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。

若為可變視野增強管，則應對各輸入視野進行轉換系數測量。由于輸入屏邊緣離開Ｘ線管的焦點遠，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換系數變化情況，應在視野上多取幾個點進行測量。

(3)對比度:

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

(4)對比靈敏度：表征Ｘ線像增強管發(fā)現病灶的能力，常使用JEDEC透度計進行測量。透度計是一個厚度為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%，盲孔的參數相對深度就用百分數表示。測試時把透度計置于像增強器的輸入面上，增強管能檢測到的最淺盲孔深度值稱作增強管的對比靈敏度。能見到的盲孔深度越淺，像增強管的對比靈敏度越高。

2.光學系統

像增強管輸出屏的可見光圖像還要攝像、拍片，故需配上由轉像系統、直角反射器和光分配器構成的光學系統。

1)選用大孔徑光學系統

像增強管輸出屏的圖像亮度不高，在光學系統中應盡量減少光能量損失。因為透鏡的像面照度與其相對孔徑D／f的平方成正比，故在Ｘ線電視設備中應選用大孔徑光學系統。

2)轉像系統

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

L1、L2距離應盡量短，以免產生光通量損失，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

有時需將電視攝像機和像增強器安裝成直角，這時應設計一個直角反射器，如圖8―12所示。直角反射器中裝有一個和水平面成45°的平面反射鏡，它將入射光成直角反射。為保證光學準直性，平面反射鏡與水平面所成的角度應能微調。

圖8―11

轉像系統示意圖圖8―12

直角反射器示意圖

4)光分配器

為了同時進行電視攝像和拍片，需要一個如圖8―13所示的雙通道光分配器。分配器中裝有一個半反射鏡，是一種特殊棱鏡，當光線射到半反射面時，絕大部分光線被反射，少部分透過棱鏡。當轉換開關置于拍片時，主輸出90%供給拍片機，次輸出10%供電視監(jiān)視。當轉換開關置于電視攝像時，則用電機控制半反射鏡面旋轉，使大部分能量到達電視攝像機。

圖8―13

雙通道光分配器示意圖

3.攝像機

Ｘ線電視攝像機與通用電視攝像機主要不同點有：

1)圓消隱

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

2)寬高比為1∶1

與圓消隱相適應，醫(yī)用Ｘ線電視攝像機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

為了能夠發(fā)現被檢測物體密度極小的差異，Ｘ線電視攝像機必須有較高的亮度鑒別等級和分辨率。水平中心分辨率應達到800線，故要求整個視頻通道的帶寬高于10MHz。

4.控制器

在Ｘ線電視系統中，Ｘ線是穿透密度不同的被檢測物體后到達圖像增強器輸入屏的，不同的被檢測物體對X線的吸收不一樣，所以到達圖像增強器輸入屏的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體的圖像亮度差別明顯。同一被檢測物體各部位密度也不同，所以被檢測體各部位圖像亮度差別也很明顯。自動亮度控制就是當被檢測體對Ｘ線吸收量發(fā)生變化時,變動Ｘ線機產生的Ｘ線劑量，以保證圖像增強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體圖像亮度保持恒定。

在攝像時，攝像機的自動增益控制與自動亮度控制起著不同的作用。攝像機的自動增益控制電路可在較大的輸入信號范圍內使輸出視頻信號幅度保持穩(wěn)定。但有時Ｘ線劑量已經超過標準，應該降低Ｘ線劑量；自動增益控制電路在輸入視頻信號較小時使輸出視頻信號幅度保持穩(wěn)定，但這時輸出視頻信號信噪比降低，圖像質量差，不能獲得滿意的效果，應該增加Ｘ線劑量。自動亮度控制系統的調整過程是慢速的，必須與調整速度快的自動增益控制電路配合工作。當被檢測體對Ｘ線吸收量突然增大，攝像機輸入視頻電壓幅度減小到額定值的50%，這時自動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；自動增益控制作用在60毫秒后消失，自動亮度控制系統開始起作用，加大Ｘ線機產生的Ｘ線的劑量，使攝像機輸入視頻電壓幅度又恢復到額定值。

Ｘ線的輻射強度IX為(8―6)式中，K為比例常數；Z為Ｘ線管陽極靶材料的原子序數；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線機產生的Ｘ線劑量與Ｘ線管的管電流及管電壓之間的關系。在實際應用時，還要考慮Ｘ線的硬度。Ｘ線硬度不夠時，劑量再大也無法穿透被檢測體。Ｘ線的硬度取決于管電壓和Ｘ線管陽極靶材料的原子序數，管電壓越高，靶材料的原子序數越大，Ｘ線的硬度越大，穿透能力就越強。

5.Ｘ線電視系統的應用

Ｘ線電視系統的應用主要是在醫(yī)療方面。根據使用特點，X線電視系統可分為診斷機、定位機和治療機。

1)診斷機

診斷用Ｘ線機配上圖像增強器、光學系統和電視設備組成Ｘ線電視系統，這種系統不必在暗室工作，Ｘ線劑量大約只有普通Ｘ線機的1/10。

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

2)定位機

對腫瘤患者進行放療前必須對病灶準確定位，為此專門生產出一種模擬定位機，這種設備也必須配上X線電視系統。

3)治療機

各種各樣的Ｘ線電視系統也出現在臨床科室，成為外科醫(yī)生們手術治療中的重要手段。例如骨科機，供在Ｘ線下進行骨科手術；導管機，供在Ｘ線下進行心血管導管，安裝起搏器；碎石機則是為粉碎膽結石、腎結石和輸尿管結石而設計的。所有這些設備都離不開Ｘ線電視。Ｘ線電視系統還是一種很好的無損檢測手段，可用于工業(yè)探傷。因為探傷用Ｘ線機產生的Ｘ線硬度大，對人體傷害極大，不宜用肉眼在熒光屏上觀察，以前采用拍片辦法來檢查工件，膠片的消耗費用很大，有的飛機制造廠每年要花上百萬元的膠片費。為了節(jié)省費用，可以采用探傷用Ｘ線電視系統。

8.3

微

光

電

視

當我們從電視上動物世界欄目中看到夜間叢林中各種動物生活秘密的時候，一定會驚嘆攝像師高超的本領，利用夜幕掩護來接近動物充滿了危險，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。

微光電視的關鍵設備是微光攝像機。微光電視系統中的其他設備與普通電視系統是完全一樣的。

8.3.1

微光電視的特點

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

微光電視提高了人在微光條件下的可見度，也提高了觀測目標的清晰程度，但也有一定的局限性。微光電視的主要特點有：

(1)微光電視增強了從目標反射的光線，在可見光范圍內，提高了人的可見度。不同于非可見光電視和其他夜視手段，它是一種被動的、通過自身的增強作用來實現夜視功能的手段，利于保密。

(2)雖然提高了靈敏度和分辨力，圖像效果達不到白天觀察時的效果，因為在微光條件下，景物本身的對比度和清晰度降低，色彩消失。而光的增強過程會引入新的噪波。

(3)微光電視分辨目標的能力會受到氣候條件的影響。例如,在煙、霧、雨、雪中，微光電視所產生的圖像并不比人直接觀察或使用光學設備觀察的效果好。若沒有上述影響，微光電視的圖像就會遠遠優(yōu)于人眼和光學設備。

(4)用微光電視系統攝取圖像，便于傳輸、記錄，可實現遠距離的觀察和遙控。

(5)微光攝像機的價格高，使用壽命也低，使用時需要注意的問題多，在應用上受到一定的限制。

8.3.2

微光像增強器

微光像增強器作為一種光增強器件，能夠把較弱的輸入光學圖像轉換為相似的、比較明亮的光學圖像。像增強器是一種電真空成像器件，主要由光陰極、電子光學系統和熒光屏組成。像增強器把入射光成像在光陰極上，再從光陰極上發(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。把它與CCD攝像器件耦合起來就可以提高攝像器件的光電靈敏度，實現微光攝像。微光像增強器本身也是一種直接觀察的夜視器件。

像增強器的種類很多。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器。按像管結構可分為：近貼式、倒像式、靜電聚焦式和電磁復合聚焦式增強器。按發(fā)展階段則分為：第一代級聯式像增強器，第二代光纖面板陰極窗帶微通道板的像增強器，第二代半玻璃陰極窗帶微通道板的像增強器和第三代負電子親和勢光陰極像增強器。目前像增強器又出現了用第三代近貼管與第一代倒像管級聯構成的超級倒像管(或稱雜交管)，

它工作在10-4～10-5lx極低照度下，增益達105倍。

目前像增