红外成像 |综述| 红外成像系统

         

红外技术是一门研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。

概述

        通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。实际上其波段是指其波长约在0.75μm到1000μm的电磁波。通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为0.75-3.0μm;中红外指波长为3.0-20μm;远红外则指波长为20-1000μm。由于大气对红外辐射的吸收,只留下三个重要的“窗口”区,即1-3μm、3-5μm和8-13μm可让红外辐射通过。

    自然界所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体都会向外辐射电磁波,室温目标电磁辐射的中心波长为10微米。红外图像传感器可将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了材料科学、传感器技术、集成电路技术、红外光学与图像处理算法等诸多技术,红外成像装置的核心为红外图像传感器,红外传感器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的。

    相对于可见光成像,红外成像具有独特优点。大气、烟尘等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的红外波段却是透明的,这两个波段被称为红外辐射的“大气窗口”。利用这两个窗口,在无光的夜晚或是烟尘密布的恶劣环境下,也能清晰地观察到远处的情况。由于以上特点,红外成像技术也被用于夜间辅助驾驶,安防监控、交通监控等领域。

与可见光图像不同,物体的红外辐射能量大小直接和物体表面的温度相关,因此红外图像是表面温度分布的图像。这一特点使其广泛应用于夜间成像与非接触测温应用,典型应用包括建筑节能评估、工业测温、电力检测、疾病防控、与医疗保健等诸多领域。

    随着非制冷红外焦平面探测器技术的发展,红外成像技术的应用越来越贴近人们的生活,目前红外成像仪正向小型化、多功能方向发展,不久的将来只要拿出手机就可以方便的感受红外技术带来的好处,比如夜间户外旅行、发现火灾隐患、人体检测等。红外成像技术延伸了人的视觉,拓展了人类的视野,将广泛应用到我们的生活中。

红外探测器的分类

红外探测器是红外技术的核心,它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的传感器,多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。红外探测器主要分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。其中,光子探测器按原理啊可分为光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和量子阱探测器。光子探测器的材料有PbS,PbSe,InSb,HgCdTe(MCT),GaAs/InGaAs等,其中HgCdTe和InSb斗需要在低温下才能工作。光子探测器按其工作温度又可分为制冷型(低温)红外探测器和非制冷(室温)型红外探测器,制冷光子探测器常使用于优质热成像等性能要求较高的场合。

探测器回应分类方案

可以依不同探测器可侦测的范围来分类:

近红外线: 波长范围为 0.7 至 1.0 µm(由人眼无法侦测的范围到硅可响应的范围)

短波红外线:波长范围为 1.0 至 3.0 µm(由硅的截止频率到大气红外线窗口的截止频率),InGaAs范围可以到 1.8 µm,一些较不灵敏的铅盐也可侦测到此范围。

中波红外线:波长范围为 3.0 至 5.0 µm(由大气红外线窗口定义,也是锑化铟及HgCdTe可覆盖的范围,有时是硒化铅可覆盖的范围)

长波红外线:波长范围为 8.0 至 12.0 或是 7.0 至 14 µm(是HgCdTe及微测辐射热计可覆盖的范围)

远红外线(VLWIR):波长范围为 12.0 至 30 µm,是掺杂硅可覆盖的范围

红外线辐射源可区分为四部分:

白炽发光区(Actinic range):或称“光化反应区”,由白炽物体产生的射线,自可见光域到红外域。如灯泡(钨丝灯,TUNGSTEN FILAMENT LAMP),太阳。

热体辐射区(Hot-object range):由非白炽物体产生的热射线,如电熨斗及其它的电热器等,平均温度约在400℃左右。

发热传导区(Calorific range):由滚沸的热水或热蒸汽管产生的热射线。平均温度低于200℃,此区域又称为“非光化反应区”(Non-actinic)。

温体辐射区(Warm range):由人体、动物或地热等所产生的热射线,平均温度约为40℃左右。

    站在照相与摄影技术的观点来看感光特性:光波的能量与感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。 波长愈长,能量愈弱,即红外线的能量要比可见光低,比紫外线更低。但是高能量波所必须面对的另一个难题就是:能量愈高穿透力愈强,无法形成反射波使感光材料撷取影像,例如X光,就必须在被照物体的背后取像。因此,摄影术就必须往长波长的方向——“近红外线”部分发展。 以造影为目标的近红外线摄影术,随着化学与电子科技的进展,演化出下列三个方向:

近红外线底片:以波长700nm~900nm的近红外线为主要感应范围,利用加入特殊染料的乳剂产生光化学反应,使此一波域的光变化转为化学变化形成影像。

近红外线电子感光材料:以波长 700nm~2,000nm 的近红外线为主要感应范围,它是利用以硅为主的化合物晶体产生光电反应,形成电子影像。

中、远红外线热像感应材料:以波长 3,000nm~14,000nm 的中红外线及远红外线为主要感应范围,利用特殊的感应器及冷却技术,形成电子影像。

红外探测器的发展

总的来说,红外技术的发展历史就是红外探测器的不断更新的历史。从1800年,F.W.赫歇尔发现红外辐射时使用的水银温度计,到19世纪30年代,首次出现红外光谱仪。从40年代初,以PbS红外探测器为代表的光电型红外探测器的问世;到50年代,半导体物理学的迅速发展对光电型红外探测器的新的推动;再到60年代初期,对于1-3μm、3-5μm和8-13μm三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器;直到60世纪中叶,8-12μm Hg1-x Cdx Te已发展到实用化水平,最后到二十世纪末,出现了非制冷热成像技术,红外技术的每一次攻坚,都是红外探测器的一次变革。

技术对比表

红外技术的应用

红外技术的应用很广,下面简单介绍一下红外技术在军事、冶金、铁路、煤矿和消防领域的应用。随着红外技术的日趋成熟,实用化的红外器件将会越来越多的应用到生活和生产的方方面面,像动物医疗、城市安全、食品封装等等,应用范围之广也不是一下子就能罗列出来的。

军事

红外技术的持续发展与其在军事领域的实际意义是紧密相连的。热成像系统在军事上的应用主要包括:火控观瞄、防空返到、精确制导和侦察监视。

冶金

在冶金行业内,红外技术也得到了广泛的应用。对于冶金工业,特别是钢铁行业,红外诊断检测的应用范围包括:窑炉装料面测定;各种窑炉、铁水包、钢水包内衬的缺陷诊断和厚度估算;冷却壁损坏诊断、炉瘤诊断、工艺参数的控制与检测、热损耗估算等。诊断的主要手段就是红外热像仪的使用。

铁路

在铁路方面,为了保障铁路列车的安全运行,实时检测运行车辆轴温、探测热轴,很多情况下需要引进红外热轴探测术已经更新到第三代,三代机还需要在实践中不断改进,而二代机已经成为目前最主要的红外轴温探测设备,其性能可靠稳定,完全适应我国车型复杂、使用环境恶劣的实际情况。

煤矿

煤矿业力,煤矿开采坏境的恶劣是众所周知的,煤矿事故时有发生。一次,对煤矿作业现场的检测就显得极其重要。红外测量仪能够根据松动岩石和岩石母体之间形成的空气隔离带产生的温差,通过逐点扫描,及时探测出温度的变化,从而将事故防范于未然。另一方面,很多中、下型矿井,主要依靠爆炸采煤,红外测温仪可根据爆点热能减少瞎炮的几率。红外测温仪还可以检测皮带机轴承温度,预防皮带机过负荷着火;检测煤壁温度,判断煤层的着火点;带电检测各类电气设备的热故障。总而言之,红外测温仪对煤矿安全生产有着极其重要的意义。

消防抢险

随着红外技术的发展,热成像技术在消防抢险中也逐步推广和应用。在大片森林中,机载热成像仪可以发现不明显的隐火,防止火灾的发生;同时,机载热成像仪还能探测出未息的营火和冒烟的余烬,以防止复燃。

【经典书刊】

红外热成像摄像机成像原理

红外热成像摄像机镜头材质为稀有金属锗,可以无损通过2-15μm波长的红外光线,但可见光和紫外线无法穿透。虽然地壳中锗的含量并不少,但其分布极为分散且含锗的矿石少,因此高浓度的锗提取难度较大,锗镜头的材料成本、生产成本也很高。

红外热成像摄像机探测器也与可见光监控的CCD、CMOS有着极大的区别。根据其工作特性可分为制冷型和非制冷型,而使用制冷型探测器的红外热成像装备不但体积大、成本高,而且消耗电力多,是妨碍红外热成像装备长期连续工作的关键因素。美国军方在80年代就开始支持热释电型非制冷焦平面探测器和氧化钒微型热敏电阻探测器的研制,时至今日,红外热成像市场已形成氧化钒和多晶硅两大技术主流,且市场占比以氧化钒居多。非制冷红外探测器/微测辐射热计作为属于第三代的基于微机电系统MEMS技术的红外探测器,由于其体积小、重量轻、功耗低、非制冷等优点,在安防领域具有非常广泛的应用前景。

红外热成像摄像机性能与探测器指标参数有直接关系,最主要的有像元间距和探测器像素。像元间距,顾名思义就是像元之间的距离,像元间距越小图像越细腻。试验室阶段已达到了12μm,但市场主流的探测器像元间距为25μm。另外,探测器像素越高,图像越清晰,试验室阶段已达到1024*768,市场主流的最大像素为640*512。