红外热成像仪原和分类.doc

红外热成像仪分类和原理 红外热像仪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可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。 　　红外辐射是指波长在0.75um至1000um，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现。红外辐射具有以下特点及应用： （1）所有温度在热力学绝对零度以上的物体都自身发射电磁辐射，而一般自然界物体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。因此，利用红外热像观察物体无需外界光源，相比可见光具有更好的穿透烟雾的能力。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、安防监控和视觉增强等领域。 （2）根据普朗克定律，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，红外测温特别是红外热像测温在预防性检测、制程控制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，温度是度量其运动剧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。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发射与吸收，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利用，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须利用专门的红外探测器。红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有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。在发现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。 红外探测器的发展历程 现代红外技术的发展，是从1940年代光子型红外探测器的出现开始。第一个实用的现代红外探测器是二战中德国研制的PbS探测器，后续又出现了PbSe、PbTe等铅盐探测器。在1950年代后期研制出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，发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年代末，以HgCdTe（MCT）为代表的三元化合物单元探测器基本成熟，探测率已接近理论极限水平。1970年代发展了多元线列红外探测器。1980年代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、叠加和电子处理功能结合为一体。之后，重点发展了所谓的第三代红外探测技术，主要包括大阵列凝视型焦平面、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8-14um波段的非制冷焦平面探测器成为主流技术。同时，也先后出现了量子阱探测器（QWIP），第二型超晶格探测器（T2SL），以及多色探测器、高工作温度（HOT）MCT探测器等新技术并逐渐走向实用化。特别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发展历史上各阶段出现的不同红外探测器的类型。 图1红外探测器的发展历史 　　红外探测器的技术分类 红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有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，因此人们研制和发展了多种不同类型的探测器。从不同的角度出发，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）按照工作温度，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）按照敏感元的数量，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、线列探测器如果用于成像则必须配备光机扫描机制，而焦平面探测器可以实现凝视成像。 　　（4）按照响应波长，可以分为短波红外探测器（1-2.5um）、中波红外探测器（3-5um）、以及长波红外探