紅外熱像儀及其工作原理

本文深入探討紅外輻射的本質(zhì)，闡述其作為熱量或熱輻射存在于電磁光譜中的位置，以及任何高于絕對零度的物體均會發(fā)出紅外輻射的現(xiàn)象。同時，介紹紅外熱像儀的工作原理及其探測器技術(shù)，揭示其將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見熱圖像的能力。

什么是紅外輻射?

紅外輻射介于電磁光譜的可見光輻射和微波輻射之間。紅外輻射源主要為熱量或熱輻射。溫度高于絕對零度(-273.15攝氏度或0開爾文)的任何物體均會發(fā)出紅外輻射。即使我們認為非常冷的物體(例如冰塊)也存在紅外輻射。 我們每天都會接觸紅外輻射，這包括我們從太陽光、火或散熱器等處感覺到的熱量。盡管肉眼看不到，但皮膚中的神經(jīng)卻可以感受到熱量。物體越熱，其紅外輻射量越大。

紅外熱像儀及其工作原理

盡管肉眼無法觀測紅外輻射(IR)，但是紅外熱像儀可將其轉(zhuǎn)化為可見光圖像，描繪被測物體或場景的溫度變化。所有溫度高于絕對零度的物體均可發(fā)射紅外光，且物體溫度越高，紅外輻射量越大。

紅外熱像儀工作原理的簡化圖

某個物體發(fā)出的紅外能量通過光學鏡頭聚焦在紅外探測器上，探測器向傳感器電子元件發(fā)送信息，進行圖像處理，電子元件將探測器發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成可在取景器或標準視頻監(jiān)視器或LCD顯示屏上查看的圖像。 紅外熱成像是一種可將紅外圖像轉(zhuǎn)換為熱輻射圖像的技術(shù)，該技術(shù)可從圖像中讀取溫度值。因此，熱輻射圖像中的各個像素實際上都是一個溫度測量，可實現(xiàn)對物體表層溫度的非接觸式測量。 紅外熱像儀的構(gòu)造類似于一臺數(shù)碼攝像機。主要組件包括一個將紅外輻射對準探測器的鏡頭，以及用于處理并顯示熱信號和熱圖像的軟件和電子設(shè)備。

紅外熱像儀探測器

紅外熱像儀探測器并非攝像機和數(shù)碼相機常用的一種電荷耦合裝置，而是一個微米大小像素的焦平面陣列探測器(FPA)，由各種對紅外波長敏感的材料制成。FPA的分辨率從約160× 120像素到高達1024 × 1024像素不等。

FPA探測器技術(shù)可分為兩類：熱探測器和量子探測器。

熱探測器的一種常見類型就是非制冷微量熱型探測器，由金屬或半導體材料制成。這些探測器通常比量子探測器的成本低，且具有更廣的光譜響應。但是，微量熱型探測器會對入射輻射能作出反應，速度與敏感度均低于量子探測器。

量子探測器由銻化銦(InSb)、銦鎵砷(InGaAs)、硅化鉑(PtSi)、碲鎘汞(HgCdTe或MCT)和量子阱紅外探測器(QWIP)上分層的砷化鎵/砷化鋁鎵等材料制成。量子探測器的運行原理是基于可對入射光子作出反應的晶狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子的狀態(tài)變化。

一般而言，量子探測器的速度和敏感度均優(yōu)于熱探測器。然而，量子探測器需要冷卻，有時甚至需要使用液氮或小型斯特林循環(huán)制冷設(shè)備制冷。