原创 红外热像仪及其工作原理

 1800年，英国天文学家弗里德里希?威廉?赫歇尔第一次发现了红外辐射的存在。为了解不同颜色的光所产生的热量有何不同，他将太阳光用三棱镜分解成一个彩虹样的光谱，然后测量了每种颜色的温度。他发现，从光谱的紫罗兰色部分到红色部分，温度呈现逐渐升高的趋势。
    在注意到这一现象之后，赫歇尔决定再在没有可见太阳光线的区域测量光谱中红色光之外的部分的温度。令他惊讶的是，这一区域的温度最高。
    什么是红外辐射？

    红外辐射介于电磁光谱的可见光辐射和微波辐射之间。红外辐射源主要为热量或热辐射。温度高于绝对零度(-273.15摄氏度或0开尔文)的任何物体均会发出红外辐射。即使我们认为非常冷的物体(例如冰块)也存在红外辐射。
    我们每天都会接触红外辐射，这包括我们从太阳光、火或散热器等处感觉到的热量。尽管肉眼看不到，但皮肤中的神经却可以感受到热量。物体越热，其红外辐射量越大。
    红外热像仪及其工作原理
    尽管肉眼无法观测红外辐射（IR），但是红外热像仪可将其转化为可见光图像，描绘被测物体或场景的温度变化。所有温度高于绝对零度的物体均可发射红外光，且物体温度越高，红外辐射量越大。

    红外热像仪工作原理的简化图

    某个物体发出的红外能量通过光学镜头聚焦在红外探测器上，探测器向传感器电子元件发送信息，进行图像处理，电子元件将探测器发来的数据转译成可在取景器或标准视频监视器或LCD显示屏上查看的图像。
    红外热成像是一种可将红外图像转换为热辐射图像的技术，该技术可从图像中读取温度值。因此，热辐射图像中的各个像素实际上都是一个温度测量，可实现对物体表面温度的非接触式测量。
    红外热像仪的构造类似于一台数码摄像机。主要组件包括一个将红外辐射对准探测器的镜头，以及用于处理并显示热信号和热图像的软件和电子设备。
    红外热像仪探测器
    红外热像仪探测器并非摄像机和数码相机常用的一种电荷耦合装置，而是一个微米大小像素的焦平面阵列探测器(FPA)，由各种对红外波长敏感的材料制成。FPA的分辨率从约160× 120像素到高达1024 × 1024像素不等。
    FPA探测器技术可分为两类：热探测器和量子探测器。
    热探测器的一种常见类型就是非制冷微量热型探测器，由金属或半导体材料制成。这些探测器通常比量子探测器的成本低，且具有更广的光谱响应。但是，微量热型探测器会对入射辐射能作出反应，速度与敏感度均低于量子探测器。
    量子探测器由锑化铟(InSb)、铟镓砷(InGaAs)、硅化铂(PtSi)、碲镉汞(HgCdTe或MCT)和量子阱红外探测器(QWIP)上分层的砷化镓/砷化铝镓等材料制成。量子探测器的运行原理是基于可对入射光子作出反应的晶状结构内的电子的状态变化。
    一般而言，量子探测器的速度和敏感度均优于热探测器。然而，量子探测器需要冷却，有时甚至需要使用液氮或小型斯特林循环制冷设备制冷。