红外热成像原理

工作原理

    红外热像系统是利用红外探测器和光学成像物镜，接受被测目标的红外辐射能量分布图形，反映到红外探测器的光敏元件（探测器）上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。红外热像系统将物体发出的不可见的红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

    红外探测器是一种对红外辐射敏感的器件，它将红外辐射转换成电信号。但是探测器对某些波长红外辐射的响应较低，这主要是由于探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在差异。目前在热成像系统中使用的非制冷焦平面阵列（FPA）探测器一般工作在8μm~14μm波段，其探测器窗口材料及镀膜使这个波段的红外透射率变高，而光敏面设计也使用了对这个波段吸收良好的材料，因此大大降低了在3μm~5μm波段的灵敏度。

热像仪的光学成像物镜将工作波段内的辐射收集起来，并聚焦到探测器上。在可见光波段，玻璃是很好的投射材料，但是在中波、长波红外波段，这种材料是不透明的，因此常选用锗、硅等晶体材料，而且为了提高透射率，还需要镀上一层增透膜，这些材料和膜层如同滤光片一样，将镜头透过的波长限制在一定的范围内。

目标场景的红外辐射包括很宽的波段，当物体温度很高时，还包括可见光的辐射，受“大气窗口”、探测器响应波段和红外光学的限制，红外热像系统实际上大多敏感于3μm~5μm和8μm~14μm波长范围。

红外热像系统让我们能看到了人眼看不到的另外一个辐射世界，可获取许多对生产、科研非常重要的信息。

红外热像的特点

突破人眼视觉的限制

在人类活动过程中，人眼是获取信息占大部分的感觉器官，它可以直接观察并通过“自动变焦”、“自动光圈”得到所需景物的清晰图像。但是，人眼的视觉受到波长、地点、时间等限制。

    采用热成像技术，相当于将眼睛的响应波段扩大到了中、长红外波段。即将3μm~5μm或8μm~14μm波段的不可见红外辐射转换成可见光波段的图像，突破了波长对人眼观察的限制。红外热成像系统除了将目标的红外辐射空间分布转换成能用显示器显示的视频图像外，还融合了图像存储、网络传输等功能，可弥补人眼观察目标在时间和空间上的能力，利用图像处理还可以提高对目标的观察、分析能力。

    上海博锐特光电科技有限公司研发、生产的网络测温型红外热像系统，在红外热像领域率先采用了双视频流网络传输技术。红外热像摄像头直接安装在被观测目标（如高炉热风围管、支气管，热风炉）附近，实现对目标的全天候监测，同时将获取的红外热像通过以太网进行远距离传输，这样工人就可以在操作间实现对目标的检测。同时，借助钢铁企业现有的二级网络，目标的红外热像还可以传送至网络上的任何一台PC终端，这样就可以在办公室实现对目标的实时观测、数据分析和红外热像的回放等操作。

探测物体表面细微的温度分布

红外测温对目标温度的分辨的精细程度是由测温仪器的光学分辨率来确定的。红外点温仪的光学分辨率是由距离系数由D：S之比确定的，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径S之比。对于距离D之外的目标，点温仪测得的就是直径为S的圆形平面的平均温度。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。Raytek红外测温仪D：S的范围从2：1（低距离系数）到高于300：1（高距离系数）。

    红外热像系统的空间分辨率（IFOV）就是其光学分辨率，即单个像元的尺寸P与焦距F之比。对于采用25μm探测器的热像仪，只要其焦距F大于25μmx300 = 7.5mm，热像仪对目标温度的分辨能力就大于高距离系数的红外点温仪（300：1）。而在某些涉及温度分析的领域，采用温度分辨能力更高的红外热像仪则显得尤为重要，例如芯片热分析：

探测物体表面的热场分布

    红外目标特征主要表现为表面温度、表面发射率和热场分布。仅能捕获单点温度值的红外点温仪，在对目标进行检测时，一次探测的采样点只有一个，而红外热像系统的一次探测采样点则数以万计。上海博锐特光电科技有限公司研发、生产的红外热像系统采用像素为384×288的探测器，采样点为110592个。因此，热像仪可以将整个目标的温度特性形成一个平面图像，能探测物体表面的热场分布而非单个温度。