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1、红外热成像仪原理和分类文章简介文章具体内容红外热像仪是采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。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不行见红 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。红外辐射简介红外辐射是指波长在O. 75um至IOOOum,介于可见光波段与微波波段之间的 电磁辐射。红外辐射的存在是由天文学家赫胥尔在1800年进行棱镜试验时首次 发觉。红外辐射具有以下特点及应用：(1)全部温度在热力学肯定零度以上的物体都自身放射电磁辐射，而一般 自然界物
2、体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。因此，采用红外热像观看物 体无需外界光源，相比可见光具有更好的穿透烟雾的力量。红外热像是对可见光 图像的重要补充手段，广泛用于红外制导、红外夜视、安防监控和视觉增加等领 域。(2)依据普朗克定律，物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关。通 过检测物体的红外辐射可以进行非接触测温,具有响应快、距离远、测温范围宽、 对被测目标无干扰等优势。因此，红外测温特殊是红外热像测温在预防性检测、 制程掌握和品质检测等方面具有广泛应用。(3)热是物体中分子、原子运动的宏观表现，温度是度量其运动猛烈程度 的基本物理量之一。各种物理、化学现象中，往往都伴随热交换及温度变化。
3、分 子化学键的振动、转动能级对应红外辐射波段。因此，通过检测物体对红外辐射 的放射与汲取，可用于分析物质的状态、结构、状态和组分等。(4)红外辐射具有较强的热效应，因此广泛地用于红外加热等。综上所述，红外辐射在我们身边无处不在。而对于红外辐射的检测及采用， 更是渗透到现代军事、工业、生活的各个方面。由于人眼对于红外辐射没有响应， 因此对于红外辐射的感知和检测必需采用特地的红外探测器。红外辐射波段对应 的能量在0. IeV-L OeV之间，全部在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用 于红外检测。在发觉红外辐射后至今的几百年内，人们研制了各种各样的红外探 测器。红外探测器的进展历程现代红外技术的
4、进展，是从1940年月光子型红外探测器的消失开头。第一 个有用的现代红外探测器是二战中德国研制的PbS探测器,后续又消失了 PbSe、 PbTe等铅盐探测器。在1950年月后期研制出InSb探测器，这些本征型探测器 的响应波段局限于8um之内。为扩大波段范围，进展了多种掺杂非本征型器件, 如Ge:Au、Ge:Hg等，响应波长拓展到150Um以上。到1960年月末,以HgCdTe (MCT)为代表的三元化合物单元探测器基本成熟,探测率己接近理论极限水平。1970年月进展了多元线列红外探测器。1980年月英国又研制出一种新型的扫积 型MCT器件(SPRITE探测器)，将探测功能与信号延时、叠加和电
5、子处理功能 结合为一体。之后，重点进展了所谓的第三代红外探测技术，主要包括大阵列注 视型焦平面、超长线列扫描型焦平面、以及非制冷型焦平面探测器。最近20年， 3-5um波段的InSb和MCT焦平面探测器，8-12um波段的MCT焦平面探测器，以 及8T4um波段的非制冷焦平面探测器成为主流技术。同时，也先后消失了量子 阱探测器(QWIP),其次型超晶格探测器(T2SL),以及多色探测器、高工作温 度(HoT) MCT探测器等新技术并渐渐走向有用化。特殊是非制冷焦平面探测器 技术，在体积、成本方面大幅改善，使得红外热像仪真正大规模走进工业和民用 领域。图1总结了红外探测器技术进展历史上各阶段消失
6、的不同红外探测器的类 型。图1红外探测器的进展历史红外探测器的技术分类红外辐射波段对应的能量在0. IeV-L OeV之间，全部在上述能量范围之内的 物理化学效应都可以用于红外检测，因此人们研制和进展了多种不同类型的探测 器。从不同的角度动身，红外探测器有多种不同的分类方法。图2总结了目前主 要的红外探测器种类。图2红外探测器分类方法及种类(1)按红外辐射与探测器的作用方式，主要分为光子型探测器和热探测器。 光子型探测器包括光导型、光伏型、量子阱、超晶格等不同光子效应的探测器。 热探测器包括热释电、热电堆、微测辐射热计等探测器。(2)依据工作温度，可以分为制冷型探测器和非制冷型探测器。一般的光
7、 子型探测器都需要工作在低温，因此都是制冷型。即使如1-3Um波段的PbS探测 器可以工作在室温，但降低其工作温度能够显著改善其性能。而热探测器一般工 作在室温范围，降低工作温度对其性能改进不明显。(3)依据敏感元的数量，可以分为单元探测器、线列探测器、以及焦平面 探测器。单元探测器、线列探测器假如用于成像则必需配备光机扫描机制，而焦 平面探测器可以实现注视成像。(4)依据响应波长，可以分为短波红外探测器(l-2.5um)、中波红外探测 器(3-5um)、以及长波红外探测器(8-14um),主要是针对三个大气窗口而形 成的体制。以上的分类都是依据具体需求和应用，强调了探测器某一方面的特性，在实
8、 际中，一种探测器往往兼具上述的几个特征。例如，美国RNO专利非制冷焦平 面微热型探测器，可以同时归类为非制冷型探测器、长波探测器、焦平面阵列探 测器和热探测器。RNO公司于1940年成立于美国芝加哥，是全球历史最为悠久的热像仪生产 企业，在二战中，RNO热像仪曾广泛应用美国军方。经过70年的进展，RNO下设 了美国RNo红外线热像仪公司，美俄合资RNO夜视仪公司。RNO是全球最为专业 的热像仪公司，其下属的RNO夜视仪，在3, 4代高端夜视仪领域拥有极大的知名度。RNOThermal Infrared Imager70年来，RNO始终特地致力于热像技术的开发，RNO热像仪工厂分别设在美国、
9、英国、日本和中国。RNO夜视仪则将工厂设立在俄罗斯。目前RNO在全球拥有近5000名雇员，其授权分销商及服务分公司遍布全球100 多个我国。美国RNO始终是全球热像仪技术的领导者。引领全球热像技术的进展。RNO以生产中高端热像仪为主，2022年，美国RNO以高达50%的市场份额位 居全球红外线热像仪首位。IR160和IR384热成像仪是美国2022年新款型号， 其优越的功能表现使其成为RNO新一代的旗舰产品。IR系列热成像仪的测温目标增加到了四个测温点和三个测温区域，此外还可 以添加水平线或者垂直线来测量显示该线温度特性。每个移动区域的位置和尺寸 均可以编辑转变，并且可以选择显示最高、最低和平
10、均温度。IR系列自动捕获 显示最高最低温度的变化。能实现24小时不间断监控。RNOThermal Infrared Imager图3 RNO IR系列IR160热像仪热像仪的另一个重要指标参数是帧频。帧频是指每秒钟放映或显示的帧或图 像的数量。帧频越大动画的速度就越快，过低的帧频会导致播放时断时续。IR 系列热成像仪的帧频可达到60Hz。作为参考，电影用24帧每秒的帧频就能观众 感到播放顺畅。依据热成像仪帧频可分为快扫描和慢扫描两大类。电力系统所用 的设施一般采纳快扫描热成像仪(帧频在20HZ以上)，否则就会带来一些工作 不便。RNO IR系列60HZ帧频能保证胜任各种环境和要求。工作原理非制
11、冷红外焦平面探测器由很多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复 排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理如图4所示, a):红外辐射被像元中的红外汲取层汲取后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电 阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通 过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻 阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元 的灰度值。为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘 性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间 常数，因
12、此MEMS像元一般设计成如图5所示的结构。采用瘦长的微悬臂梁支撑 以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬 底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外汲取效率。像元微桥通过悬臂 梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是 CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。图4非晶硅红外探测器工作原理图5非晶硅红外探测器结构红外辐射铝镜支撑底座CMoS读出电路热像测温领域热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设施、机械设施等通过红外热像 仪检测特别发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔 热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学 测温柔制程掌握等。
