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          什么是紅外熱成像?

          發(fā)布時(shí)間:2018-03-16點(diǎn)擊數:4359次

            紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù),其原理為:基于自然界中一切溫度高于絕對零度的物體,均會(huì )發(fā)出不同波長(cháng)紅外線(xiàn),同時(shí)這種紅外線(xiàn)輻射都載有物體的特征信息。通過(guò)探測物體發(fā)出的紅外輻射,熱成像儀產(chǎn)生一個(gè)實(shí)時(shí)的圖像,從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見(jiàn)的輻射圖像轉變?yōu)槿搜劭梢?jiàn)的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏,一般情況下能探測到小于0.1℃的溫差。

          技術(shù)原理

            物體表面溫度如果超過(guò)絕對零度即會(huì )輻射出電磁波,隨著(zhù)溫度變化,電磁波的輻射強度與波長(cháng)分布特性也隨之改變,波長(cháng)介于0.75μm到1000μm間的電磁波稱(chēng)為“紅外線(xiàn)”,而人類(lèi)視覺(jué)可見(jiàn)的“可見(jiàn)光”介于0.4μm到0.75μm。

            其中波長(cháng)為0.78~2.0微米的部分稱(chēng)為近紅外,波長(cháng)為2.0~1000微米的部分稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)在地表傳送時(shí),會(huì )受到大氣組成物質(zhì)( 特別是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收,強度明顯下降,僅在中3μ~5μm及長(cháng)波8~12μm的兩個(gè)波段有較好的穿透率(Transmission),通稱(chēng)大氣窗口(Atmospheric window),大部份的紅外熱像儀就是針對這兩個(gè)波段進(jìn)行檢測,計算并顯示物體的表面溫度分布。此外,由于紅外線(xiàn)對極大部份的固體及液體物質(zhì)的穿透能力極差,因此紅外熱成像檢測是以測量物體表面的紅外線(xiàn)輻射能量為主。

            照相機成像得到照片,電視攝像機成像得到電視圖像,都是可見(jiàn)光成像。自然界中,一切物體都可以輻射紅外線(xiàn),因此利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線(xiàn)差并可以得到不同的紅外圖像,熱紅外線(xiàn)形成的圖像稱(chēng)為熱圖。

            1672年,牛頓使用分光棱鏡把太陽(yáng)光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光,證實(shí)了太陽(yáng)光(白光)是由各種顏色的光復合而成。1800年,英國物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀(guān)點(diǎn)來(lái)研究各種色光時(shí),偶然發(fā)現放在光帶紅光外的一支溫度計,比其他色光溫度的指示數值高。經(jīng)過(guò)反復試驗,這個(gè)所謂熱量最多的高溫區,總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布:太陽(yáng)發(fā)出的輻射中除可見(jiàn)光線(xiàn)外,還有一種人眼看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”,這種看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”位于紅色光外側,叫做紅外線(xiàn)。這種紅外線(xiàn),又稱(chēng)紅外輻射,是指波長(cháng)為0.78~1000μm的電磁波。其中波長(cháng)為0.78~1.5μm的部分稱(chēng)為近紅外,波長(cháng)為1.5~10μm的部分稱(chēng)為中紅外,波長(cháng)為10~1000μm的部分稱(chēng)為遠紅外線(xiàn)。而波長(cháng)為2.0~1000μm的部分,也稱(chēng)為熱紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射,它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無(wú)線(xiàn)電波與可見(jiàn)光之間的區域。這種紅外線(xiàn)輻射是,基于任何物體在常規環(huán)境下都會(huì )產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規則的運動(dòng),并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動(dòng)愈劇烈,輻射的能量愈大;反之,輻射的能量愈小。
              
            在自然界中,一切物體都會(huì )輻射紅外線(xiàn),因此利用探測器測定目標本身和背景之間的紅外線(xiàn)差,可以得到不同的紅外圖像,稱(chēng)為熱圖像。同一目標的熱圖像和可見(jiàn)光圖像不同,它不是人眼所能看到的可見(jiàn)光圖像,而是目標表面溫度分布的圖像?;蛘呖梢哉f(shuō),它是人眼不能直接看到目標的表面溫度分布,而是變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法,便能實(shí)現對目標進(jìn)行遠距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫,并可進(jìn)行智能分析判斷。紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù),其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273℃)的物體,每時(shí)每刻都輻射出紅外線(xiàn),同時(shí)這種紅外線(xiàn)輻射都載有物體的特征信息,這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供了客觀(guān)的基礎。利用這一特性,通過(guò)光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后,成像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度的空間分布,最后經(jīng)系統處理,形成熱圖像視頻信號,傳至顯示屏幕上,就得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖,即紅外熱圖像。

            非致冷焦平面紅外熱成像系統由光學(xué)系統、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號形成、時(shí)序脈沖同步控制電路、監視器等組成。

            系統的工作原理是,由光學(xué)系統接受被測目標的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上,探測器將紅外輻射能轉換成電信號,由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號,并注入到讀出電路,以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執行稠密的線(xiàn)陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出,并進(jìn)行A/D轉換,以送入微機作視頻圖像處理。由于被測目標物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱,缺少可見(jiàn)光圖像那種層次和立體感,因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過(guò)處理的信號送入到視頻信號形成部分進(jìn)行D/A轉換并形成標準的視頻信號,最后通過(guò)電視屏或監視器顯示被測目標的紅外熱像圖。

            紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外,還與探測器探測信號的輸出性能有關(guān),如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線(xiàn)性度、噪聲譜、注入效率,讀出電路中的電荷轉移效率、電荷處理能力、串擾等。

            焦平面陣列結構有四種類(lèi)型:?jiǎn)纹?、準單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測器又含有信號處理電路的Si器件;準單片式焦平面陣列器件是將探測器和讀出線(xiàn)路分別制備,然后把它們裝在同一個(gè)襯底上,通過(guò)引線(xiàn)焊接將兩部分連在一起;平面混合式采用銦柱將探測器陣列正面的每個(gè)探測器與多路傳輸器一對一地對準配接起來(lái);Z型混合式則將許多集成電路芯片一個(gè)一個(gè)地層疊起來(lái)以形成一個(gè)三維的電路層疊結構。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點(diǎn)是由于將多路傳輸器與探測器直接混合,因而具有很高的封裝密度,較快的工作效率,并使總的設計得以簡(jiǎn)化。由于信號處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的,所以減少了器件的引線(xiàn)數目,光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。

            讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動(dòng)態(tài)范圍,它的電荷轉移效率影響焦平面的非均勻性、數據率、串擾和噪聲,這些都綜合影響焦平面的空間、時(shí)間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時(shí)間頻率傳遞特性。因此,讀出電路的設計要求為:高電荷容量、高轉移效率、低噪聲和低功率耗散;其次考慮抗光暈控制和降低交叉串擾。

            據報道,砷化鎵(GaAs)可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術(shù),其原因是:GaAs的熱膨脹系數與碲鎘汞探測器(HgCdTe)的匹配要比硅好得多,這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列;GaAs技術(shù)的輻射硬度比硅好得多;n型GaAs器件的施主能級比硅更接近導帶邊緣,這就使得GaAs器件在4K時(shí)更不受凍結效應的影響。

            目前達到實(shí)用水平的焦平面陣列探測器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測器4種。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀,屬新一代的熱成像裝置,在性能上大大優(yōu)于光機掃描式熱像儀,定將逐步取代光機掃描式熱像儀。其關(guān)鍵技術(shù)是探測器由單片集成電路組成,被測目標的整個(gè)視野都聚焦在上面,并且圖像更加清晰,使用更加方便,儀器非常小巧輕便,同時(shí)具有自動(dòng)調焦圖像凍結,連續放大,點(diǎn)溫、線(xiàn)溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能,儀器采用PC卡,存儲容量可高達500幅圖像。

            紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測紅外能量(熱量),并將其轉換為電信號,進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值,并可以對溫度值進(jìn)行計算的一種檢測設備。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量精確量化,或測量,不僅能夠觀(guān)察熱圖像,還能夠對發(fā)熱的故障區域進(jìn)行準確識別和嚴格分析。


          激埃特光電是國內最專(zhuān)業(yè)的光學(xué)器件生產(chǎn)廠(chǎng)家,從事光學(xué)元部件,光機電系統的研發(fā)和生產(chǎn),
          公司主要產(chǎn)品廣泛用于高精度精密光學(xué)設備,激光加工設備,各種精密光學(xué)濾光片等。
          以及醫療美容,攝影器材,機器視覺(jué),激光測距,條碼掃描等領(lǐng)域。

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