紅外熱成像儀原理和分類

1、紅外熱成像儀分類和原理紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形 反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖， 這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。紅外輻射簡(jiǎn)介紅外輻射是指波長(zhǎng)在 0.75um至1000um,介于可見光波段與微波波段之間的電磁輻射。 紅外輻射的存在是由天文學(xué)家赫胥爾在 1800年進(jìn)行棱鏡試驗(yàn)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)。紅外輻射具有以 下特點(diǎn)及應(yīng)用：(1)所有溫度在熱力學(xué)絕對(duì)零度以上的物體都自身發(fā)射電磁輻射，而一般自然界物體 的溫度所對(duì)應(yīng)的輻射

2、峰值都在紅外波段。因此，利用紅外熱像觀察物體無需外界光源，相比可見光具有更好的穿透煙霧的能力。紅外熱像是對(duì)可見光圖像的重要補(bǔ)充手段，廣泛用于紅外制導(dǎo)、紅外夜視、安防監(jiān)控和視覺增強(qiáng)等領(lǐng)域。(2)根據(jù)普朗克定律，物體的紅外輻射強(qiáng)度與其熱力學(xué)溫度直接相關(guān)。通過檢測(cè)物體 的紅外輻射可以進(jìn)行非接觸測(cè)溫，具有響應(yīng)快、距離遠(yuǎn)、測(cè)溫范圍寬、對(duì)被測(cè)目標(biāo)無干擾等優(yōu)勢(shì)。因此，紅外測(cè)溫特別是紅外熱像測(cè)溫在預(yù)防性檢測(cè)、制程控制和品質(zhì)檢測(cè)等方面具有廣泛應(yīng)用。(3)熱是物體中分子、原子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，溫度是度量其運(yùn)動(dòng)劇烈程度的基本物理 量之一。各種物理、化學(xué)現(xiàn)象中，往往都伴隨熱交換及溫度變化。分子化學(xué)鍵的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng) 能級(jí)對(duì)

3、應(yīng)紅外輻射波段。因此，通過檢測(cè)物體對(duì)紅外輻射的發(fā)射與吸收，可用于分析物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和組分等。(4)紅外輻射具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，因此廣泛地用于紅外加熱等。綜上所述，紅外輻射在我們身邊無處不在。而對(duì)于紅外輻射的檢測(cè)及利用，更是滲透到現(xiàn)代軍事、工業(yè)、生活的各個(gè)方面。由于人眼對(duì)于紅外輻射沒有響應(yīng)，因此對(duì)于紅外輻射的感知和檢測(cè)必須利用專門的紅外探測(cè)器。紅外輻射波段對(duì)應(yīng)的能量在0.1eV-1.0eV之間，所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學(xué)效應(yīng)都可以用于紅外檢測(cè)。在發(fā)現(xiàn)紅外輻射后至今的幾百年內(nèi)，人們研制了各種各樣的紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程現(xiàn)代紅外技術(shù)的發(fā)展，是從1940年代光子型紅外探測(cè)器的出現(xiàn)

4、開始。第一個(gè)實(shí)用的現(xiàn)代紅外探測(cè)器是二戰(zhàn)中德國(guó)研制的PbS探測(cè)器，后續(xù)又出現(xiàn)了 PbSe PbTe等鉛鹽探測(cè)器。在1950年代后期研制出InSb探測(cè)器，這些本征型探測(cè)器的響應(yīng)波段局限于8um之內(nèi)。為擴(kuò)大波段范圍，發(fā)展了多種摻雜非本征型器件，如 Ge:Au、Ge:Hg等，響應(yīng)波長(zhǎng)拓展到 150um 以上。至ij 1960年代末，以HgCdTe ( MCT為代表的三元化合物單元探測(cè)器基本成熟，探測(cè)率已接近理論極限水平。1970年代發(fā)展了多元線列紅外探測(cè)器。1980年代英國(guó)又研制出一種新型的掃積型 MC璐件（SPRITE探測(cè)器），將探測(cè)功能與信號(hào)延時(shí)、疊加和電子處理功能結(jié)合為一體。之后，重點(diǎn)發(fā)展了所謂

5、的第三代紅外探測(cè)技術(shù)，主要包括大陣列凝視型焦平面、超長(zhǎng)線列掃描型焦平面、以及非制冷型焦平面探測(cè)器。最近 20年，3-5um波段的InSb 和MCT1平面探測(cè)器，8-12um波段的MCT1平面探測(cè)器，以及 8-14um波段的非制冷焦平面 探測(cè)器成為主流技術(shù)。同時(shí)，也先后出現(xiàn)了量子阱探測(cè)器（ QWIP ,第二型超晶格探測(cè)器（T2SL）,以及多色探測(cè)器、高工作溫度（ HOT MCTW測(cè)器等新技術(shù)并逐漸走向?qū)嵱没?。特別是非制冷焦平面探測(cè)器技術(shù)，在體積、成本方面大幅改善， 使得紅外熱像儀真正大規(guī)模走進(jìn)工業(yè)和民用領(lǐng)域。圖1總結(jié)了紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展歷史上各階段出現(xiàn)的不同紅外探測(cè)器 的類型。圖1紅外探測(cè)器的發(fā)

6、展歷史3g rX語T-t1940195019601970wl-Eds 4.8? * DOO-SB? 京nofa>OYl T yHtgxa f 巨宅口" if: 1.紅外探測(cè)器的技術(shù)分類紅外輻射波段對(duì)應(yīng)的能量在0.1eV-1.0eV之間，所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學(xué)效應(yīng)都可以用于紅外檢測(cè)，因此人們研制和發(fā)展了多種不同類型的探測(cè)器。從不同的角度出發(fā),紅外探測(cè)器有多種不同的分類方法。圖2總結(jié)了目前主要的紅外探測(cè)器種類。圖2紅外探測(cè)器分類方法及種類UncOoled Thetmal IR19力比Energy detectorsPhoton dEectcrsPhotoLJ.，U pin

7、tilpw 叫MemUnoooied Photon detKtorsFemHBlectnc iasnQWiPCGaAfrAJGaAirEe SdbrRw4a 電 rmsm (Pl & kFa BM1WIeg iwflwMr Itsi*taAtaoHjHnDriDJMt1(1)按紅外輻射與探測(cè)器的作用方式，主要分為光子型探測(cè)器和熱探測(cè)器。光子型探測(cè)器包括光導(dǎo)型、光伏型、量子阱、超晶格等不同光子效應(yīng)的探測(cè)器。熱探測(cè)器包括熱釋電、熱電堆、微測(cè)輻射熱計(jì)等探測(cè)器。(2)按照工作溫度，可以分為制冷型探測(cè)器和非制冷型探測(cè)器。一般的光子型探測(cè)器 都需要工作在低溫， 因此都是制冷型。即使如1-3um波段

8、的PbS探測(cè)器可以工作在室溫，但降低其工作溫度能夠顯著改善其性能。而熱探測(cè)器一般工作在室溫范圍，降低工作溫度對(duì)其性能改進(jìn)不明顯。(3)按照敏感元的數(shù)量，可以分為單元探測(cè)器、線列探測(cè)器、以及焦平面探測(cè)器。單 元探測(cè)器、線列探測(cè)器如果用于成像則必須配備光機(jī)掃描機(jī)制，而焦平面探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)凝視成像。(4)按照響應(yīng)波長(zhǎng)，可以分為短波紅外探測(cè)器 (1-2.5um)、中波紅外探測(cè)器(3-5um)、 以及長(zhǎng)波紅外探測(cè)器(8-14um),主要是針對(duì)三個(gè)大氣窗口而形成的體制。以上的分類都是根據(jù)具體需求和應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了探測(cè)器某一方面的特性，在實(shí)際中，一種探測(cè)器往往兼具上述的幾個(gè)特征。例如，美國(guó)RNO專利非制冷焦平面

9、微熱型探測(cè)器，可以同時(shí)歸類為非制冷型探測(cè)器、長(zhǎng)波探測(cè)器、焦平面陣列探測(cè)器和熱探測(cè)器。RN公司于1940年成立于美國(guó)芝加哥，是全球歷史最為悠久的熱像儀生產(chǎn)企業(yè)，在二戰(zhàn)中，RNOM象儀曾廣泛應(yīng)用美國(guó)軍方。經(jīng)過 70年的發(fā)展，RNB設(shè)了美國(guó)RNOT外線熱像儀公 司，美俄合資RNO視儀公司。RNOI全球最為專業(yè)的熱像儀公司，其下屬的 RNO視儀，在 3,4代高端夜視儀領(lǐng)域擁有極大的知名度。RNOThermal Infrared Imager70年來，RN8直專門致力于熱彳t技術(shù)的開發(fā)，RNOM象儀工廠分別設(shè)在美國(guó)、英國(guó)、 日本和中國(guó)。RNO視儀則將工廠設(shè)立在俄羅斯。目前RNO在全球擁有近5000名雇員

10、，其授權(quán)分銷商及服務(wù)分公司遍布全球100多個(gè)國(guó)家。美國(guó)RN8直是全球熱像儀技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。引領(lǐng)全球熱像技術(shù)的發(fā)展。RN生產(chǎn)中高端熱像儀為主，2011年，美國(guó)RN3高達(dá)50%勺市場(chǎng)份額位居全球紅外線熱像儀首位。IR160和IR384熱成像儀是美國(guó)2014年新款型號(hào)，其優(yōu)越的功能表現(xiàn)使其成為 RNO 新一代的旗艦產(chǎn)品。IR系列熱成像儀的測(cè)溫目標(biāo)增加到了四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)測(cè)溫區(qū)域，此外還可以添加水平線或者垂直線來測(cè)量顯示該線溫度特性。每個(gè)移動(dòng)區(qū)域的位置和尺寸均可以編輯改變，并且可以選擇顯示最高、 最低和平均溫度。IR系列自動(dòng)捕捉顯示最高最低溫度的變化。能實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)不間斷監(jiān)控。RNO圖3 RNO IR

11、系列IR160熱像儀熱像儀的另一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)是幀頻。幀頻是指每秒鐘放映或顯示的幀或圖像的數(shù)量。幀頻越大動(dòng)畫的速度就越快，過低的幀頻會(huì)導(dǎo)致播放時(shí)斷時(shí)續(xù)。IR系列熱成像儀的幀頻可達(dá)到60Hz。作為參考，電影用24幀每秒的幀頻就能觀眾感到播放順暢。 根據(jù)熱成像儀幀頻可分 為快掃描和慢掃描兩大類。電力系統(tǒng)所用的設(shè)備一般采用快掃描熱成像儀(幀頻在20Hz以上)，否則就會(huì)帶來一些工作不便。 RNO IR系列60Hz幀頻能保證勝任各種環(huán)境和要求。工作原理非制冷紅外焦平面探測(cè)器由許多MEMSt橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成，每個(gè)像元對(duì)特定入射角的熱輻射進(jìn)行測(cè)量，其基本原理如圖4所示，a):紅外輻射被

12、像元中的紅外吸收層吸收后引起溫度變化，進(jìn)而使非晶硅熱敏電阻的阻值變化；b):非晶硅熱敏電阻通過MEMS色熱微橋支撐在硅襯底上方，并通過支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的COM觸處電路相連；c):CMOS電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M(jìn)行積分放大，經(jīng)采樣后得到 紅外熱圖像中單個(gè)像元的灰度值。為了提高探測(cè)器的響應(yīng)率和靈敏度，要求探測(cè)器像元微橋具有良好的熱絕緣性，同時(shí)為保證紅外成像的幀頻，需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時(shí)間常數(shù)，因此MEM朦元紅外搞射真空封裝般設(shè)計(jì)成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。利用細(xì)長(zhǎng)的微懸臂梁支撐以提高絕熱性能，熱敏材料制作在橋面上，橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量。在襯底制作反射層，與橋面之間形成諧振腔，提高圖4非晶硅紅外探測(cè)器工作原理圖5非晶硅紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)熱像測(cè)溫領(lǐng)域熱像測(cè)溫用于預(yù)防性檢測(cè)，例如對(duì)電力輸電線路、 發(fā)電設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等通過紅外熱像儀檢測(cè)異常發(fā)熱區(qū)域，可以預(yù)防重大停機(jī)以及事故