紅外成像 |綜述| 紅外成像系統

         

紅外技術是一門研究紅外輻射的産生、傳播、轉化、測量及其應用的技術科學。任何物體的紅外輻射包括介于可見光與微波之間的電磁波段。

概述

        通常人們又把紅外輻射稱為紅外光、紅外線。實際上其波段是指其波長約在0.75μm到1000μm的電磁波。通常人們将其劃分為近、中、遠紅外三部分。近紅外指波長為0.75-3.0μm;中紅外指波長為3.0-20μm;遠紅外則指波長為20-1000μm。由于大氣對紅外輻射的吸收,隻留下三個重要的“窗口”區,即1-3μm、3-5μm和8-13μm可讓紅外輻射通過。

    自然界所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體都會向外輻射電磁波,室溫目标電磁輻射的中心波長為10微米。紅外圖像傳感器可将探測到的紅外輻射轉變為人眼可見的圖像信息。紅外成像技術涵蓋了材料科學、傳感器技術、集成電路技術、紅外光學與圖像處理算法等諸多技術,紅外成像裝置的核心為紅外圖像傳感器,紅外傳感器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應來探測紅外輻射的。

    相對于可見光成像,紅外成像具有獨特優點。大氣、煙塵等吸收可見光和近紅外線,但是對3~5微米和8~14微米的紅外波段卻是透明的,這兩個波段被稱為紅外輻射的“大氣窗口”。利用這兩個窗口,在無光的夜晚或是煙塵密布的惡劣環境下,也能清晰地觀察到遠處的情況。由于以上特點,紅外成像技術也被用于夜間輔助駕駛,安防監控、交通監控等領域。

與可見光圖像不同,物體的紅外輻射能量大小直接和物體表面的溫度相關,因此紅外圖像是表面溫度分布的圖像。這一特點使其廣泛應用于夜間成像與非接觸測溫應用,典型應用包括建築節能評估、工業測溫、電力檢測、疾病防控、與醫療保健等諸多領域。

    随着非制冷紅外焦平面探測器技術的發展,紅外成像技術的應用越來越貼近人們的生活,目前紅外成像儀正向小型化、多功能方向發展,不久的将來隻要拿出手機就可以方便的感受紅外技術帶來的好處,比如夜間戶外旅行、發現火災隐患、人體檢測等。紅外成像技術延伸了人的視覺,拓展了人類的視野,将廣泛應用到我們的生活中。

紅外探測器的分類

紅外探測器是紅外技術的核心,它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應來探測紅外輻射的傳感器,多數情況下是利用這種相互作用所呈現出的電學效應。紅外探測器主要分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。其中,光子探測器按原理啊可分為光電導探測器、光伏探測器、光電磁探測器和量子阱探測器。光子探測器的材料有PbS,PbSe,InSb,HgCdTe(MCT),GaAs/InGaAs等,其中HgCdTe和InSb鬥需要在低溫下才能工作。光子探測器按其工作溫度又可分為制冷型(低溫)紅外探測器和非制冷(室溫)型紅外探測器,制冷光子探測器常使用于優質熱成像等性能要求較高的場合。

探測器回應分類方案

可以依不同探測器可偵測的範圍來分類:

近紅外線: 波長範圍為 0.7 至 1.0 µm(由人眼無法偵測的範圍到矽可響應的範圍)

短波紅外線:波長範圍為 1.0 至 3.0 µm(由矽的截止頻率到大氣紅外線窗口的截止頻率),InGaAs範圍可以到 1.8 µm,一些較不靈敏的鉛鹽也可偵測到此範圍。

中波紅外線:波長範圍為 3.0 至 5.0 µm(由大氣紅外線窗口定義,也是銻化铟及HgCdTe可覆蓋的範圍,有時是硒化鉛可覆蓋的範圍)

長波紅外線:波長範圍為 8.0 至 12.0 或是 7.0 至 14 µm(是HgCdTe及微測輻射熱計可覆蓋的範圍)

遠紅外線(VLWIR):波長範圍為 12.0 至 30 µm,是摻雜矽可覆蓋的範圍

紅外線輻射源可區分為四部分:

白熾發光區(Actinic range):或稱“光化反應區”,由白熾物體産生的射線,自可見光域到紅外域。如燈泡(鎢絲燈,TUNGSTEN FILAMENT LAMP),太陽。

熱體輻射區(Hot-object range):由非白熾物體産生的熱射線,如電熨鬥及其它的電熱器等,平均溫度約在400℃左右。

發熱傳導區(Calorific range):由滾沸的熱水或熱蒸汽管産生的熱射線。平均溫度低于200℃,此區域又稱為“非光化反應區”(Non-actinic)。

溫體輻射區(Warm range):由人體、動物或地熱等所産生的熱射線,平均溫度約為40℃左右。

    站在照相與攝影技術的觀點來看感光特性:光波的能量與感光材料的敏感度是造成感光最主要的因素。 波長愈長,能量愈弱,即紅外線的能量要比可見光低,比紫外線更低。但是高能量波所必須面對的另一個難題就是:能量愈高穿透力愈強,無法形成反射波使感光材料撷取影像,例如X光,就必須在被照物體的背後取像。因此,攝影術就必須往長波長的方向——“近紅外線”部分發展。 以造影為目标的近紅外線攝影術,随着化學與電子科技的進展,演化出下列三個方向:

近紅外線底片:以波長700nm~900nm的近紅外線為主要感應範圍,利用加入特殊染料的乳劑産生光化學反應,使此一波域的光變化轉為化學變化形成影像。

近紅外線電子感光材料:以波長 700nm~2,000nm 的近紅外線為主要感應範圍,它是利用以矽為主的化合物晶體産生光電反應,形成電子影像。

中、遠紅外線熱像感應材料:以波長 3,000nm~14,000nm 的中紅外線及遠紅外線為主要感應範圍,利用特殊的感應器及冷卻技術,形成電子影像。

紅外探測器的發展

總的來說,紅外技術的發展曆史就是紅外探測器的不斷更新的曆史。從1800年,F.W.赫歇爾發現紅外輻射時使用的水銀溫度計,到19世紀30年代,首次出現紅外光譜儀。從40年代初,以PbS紅外探測器為代表的光電型紅外探測器的問世;到50年代,半導體物理學的迅速發展對光電型紅外探測器的新的推動;再到60年代初期,對于1-3μm、3-5μm和8-13μm三個重要的大氣窗口都有了性能優良的紅外探測器;直到60世紀中葉,8-12μm Hg1-x Cdx Te已發展到實用化水平,最後到二十世紀末,出現了非制冷熱成像技術,紅外技術的每一次攻堅,都是紅外探測器的一次變革。

技術對比表

紅外技術的應用

紅外技術的應用很廣,下面簡單介紹一下紅外技術在軍事、冶金、鐵路、煤礦和消防領域的應用。随着紅外技術的日趨成熟,實用化的紅外器件将會越來越多的應用到生活和生産的方方面面,像動物醫療、城市安全、食品封裝等等,應用範圍之廣也不是一下子就能羅列出來的。

軍事

紅外技術的持續發展與其在軍事領域的實際意義是緊密相連的。熱成像系統在軍事上的應用主要包括:火控觀瞄、防空返到、精确制導和偵察監視。

冶金

在冶金行業内,紅外技術也得到了廣泛的應用。對于冶金工業,特别是鋼鐵行業,紅外診斷檢測的應用範圍包括:窯爐裝料面測定;各種窯爐、鐵水包、鋼水包内襯的缺陷診斷和厚度估算;冷卻壁損壞診斷、爐瘤診斷、工藝參數的控制與檢測、熱損耗估算等。診斷的主要手段就是紅外熱像儀的使用。

鐵路

在鐵路方面,為了保障鐵路列車的安全運行,實時檢測運行車輛軸溫、探測熱軸,很多情況下需要引進紅外熱軸探測術已經更新到第三代,三代機還需要在實踐中不斷改進,而二代機已經成為目前最主要的紅外軸溫探測設備,其性能可靠穩定,完全适應我國車型複雜、使用環境惡劣的實際情況。

煤礦

煤礦業力,煤礦開采壞境的惡劣是衆所周知的,煤礦事故時有發生。一次,對煤礦作業現場的檢測就顯得極其重要。紅外測量儀能夠根據松動岩石和岩石母體之間形成的空氣隔離帶産生的溫差,通過逐點掃描,及時探測出溫度的變化,從而将事故防範于未然。另一方面,很多中、下型礦井,主要依靠爆炸采煤,紅外測溫儀可根據爆點熱能減少瞎炮的幾率。紅外測溫儀還可以檢測皮帶機軸承溫度,預防皮帶機過負荷着火;檢測煤壁溫度,判斷煤層的着火點;帶電檢測各類電氣設備的熱故障。總而言之,紅外測溫儀對煤礦安全生産有着極其重要的意義。

消防搶險

随着紅外技術的發展,熱成像技術在消防搶險中也逐步推廣和應用。在大片森林中,機載熱成像儀可以發現不明顯的隐火,防止火災的發生;同時,機載熱成像儀還能探測出未息的營火和冒煙的餘燼,以防止複燃。

【經典書刊】

紅外熱成像攝像機成像原理

紅外熱成像攝像機鏡頭材質為稀有金屬鍺,可以無損通過2-15μm波長的紅外光線,但可見光和紫外線無法穿透。雖然地殼中鍺的含量并不少,但其分布極為分散且含鍺的礦石少,因此高濃度的鍺提取難度較大,鍺鏡頭的材料成本、生産成本也很高。

紅外熱成像攝像機探測器也與可見光監控的CCD、CMOS有着極大的區别。根據其工作特性可分為制冷型和非制冷型,而使用制冷型探測器的紅外熱成像裝備不但體積大、成本高,而且消耗電力多,是妨礙紅外熱成像裝備長期連續工作的關鍵因素。美國軍方在80年代就開始支持熱釋電型非制冷焦平面探測器和氧化釩微型熱敏電阻探測器的研制,時至今日,紅外熱成像市場已形成氧化釩和多晶矽兩大技術主流,且市場占比以氧化釩居多。非制冷紅外探測器/微測輻射熱計作為屬于第三代的基于微機電系統MEMS技術的紅外探測器,由于其體積小、重量輕、功耗低、非制冷等優點,在安防領域具有非常廣泛的應用前景。

紅外熱成像攝像機性能與探測器指标參數有直接關系,最主要的有像元間距和探測器像素。像元間距,顧名思義就是像元之間的距離,像元間距越小圖像越細膩。試驗室階段已達到了12μm,但市場主流的探測器像元間距為25μm。另外,探測器像素越高,圖像越清晰,試驗室階段已達到1024*768,市場主流的最大像素為640*512。