红外摄像机是对红外光敏感的摄像机。适用于不同光谱区域的相机可供选择,它们在性能(例如图像分辨率、响应度和帧速率)和应用领域方面存在很大差异。在以下部分中,我们将区分近红外摄像机和中波或长波红外摄像机。 t+tGN\q
大多数红外热像仪都具有二维图像传感器(有时称为焦平面阵列),它通过某些电子接口(例如 USB、Camera Link 或 LAN 类型)传送数字数据。然而,一些特殊相机具有线传感器,即只有一维图像传感器;这些通常用于对移动物体进行连续成像,例如在生产线和激光扫描仪中。 J^T66}r[f,
红外相机可能对可见光和紫外光敏感,也可能不敏感。通常,它们包括一个仅传输红外光的滤光器,从而避免对不需要的波长敏感。
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彩色图像不一定表示光谱信息! mdd~B2"el
通常,红外相机不提供光谱信息,而仅提供其像素的强度值。例如,这与照相机形成对比。当显示来自红外摄像机的彩色图像时,这些图像通常包含伪颜色,仅对强度值进行编码。然而,还有用于多光谱成像或高光谱成像的红外相机,它们通常需要更复杂的设置,例如色散光学器件和线扫描仪。 ([|M,P6e)U
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近红外相机 YL+W4ld
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用于可见光的常见 CCD 和 CMOS 图像传感器基于硅,它们对 1000 nm 至 1100 nm 之间的光学波长具有一定的灵敏度,但受到硅带隙能量的限制。虽然这已经是红外线,但真正的红外相机通常包含基于砷化铟镓 (InGaAs) 的传感器芯片,它大致在 900 nm 至 1700 nm 的波长范围内提供良好的响应度。与硅基传感器相比,它们的价格要高得多,并且通常提供较低的分辨率——通常在水平和垂直方向上只有几百个像素,即总体远低于一百万像素。 'n=D$j]X
由于InGaAs的带隙能量较小,只有在低温下才能实现暗电流和噪声方面的最佳性能;因此,诸如传感器芯片等通常配备有热电(Peltier)冷却器。不幸的是,这大大增加了电力消耗,并且外壳通常需要在散热方面进行优化,例如使用散热片。 ,&$Y2+
所需的成像光学器件与可见光相机的光学器件没有太大区别,因为不难找到在该波长范围内具有高透射率的光学玻璃。本质上,只需要合适的减反射涂层和消色差透镜。 !ibp/:x
近红外相机通常用于检查目的。例如,它们用于检查半导体晶圆、太阳能电池和各种其他工业产品,也用于小麦和水果等农产品的检查。激光束分析仪是另一个例子。 6{6tg>|L)
近红外摄像机还可以与一些红外照明结合提供夜视功能。仅使用不可见照明光进行监视对于监视目的可能是有益的,尽管这可能相对容易被检测到。只要足够长的曝光时间是可以接受的,此类相机就可以在相当低的红外光水平下工作。 5sH ee,
对于室温或低于室温的热成像,近红外光谱范围不适合;为此,需要中红外相机(见下文),它可以记录较低能量的光子。 7pNh|#Uv'
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中波和长波红外相机 #"|Ey6&
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中红外相机主要用于热成像(热成像)应用,它可以响应与热辐射相关的更长的光学波长(有时远超过 10 μm)。例如,这样就可以获取建筑物的温度图,以便识别热损失过多的位置;即使在热排放量相当低的冬季温度低于 0°C 的情况下,它也必须工作。除了被动红外监视和热追踪导弹等军事应用之外,还有一系列其他应用,例如涉及医疗诊断、无损检测、火灾探测、基于卫星的天气剖面监测、空气污染监测和森林砍伐测绘。 /[p4. FL
特别感兴趣的光谱区域是大约 3 至 5 μm(中波红外窗口,MWIR)和 8 至 12 μm(长波窗口,LWIR)的大气窗口。这里,大气透射率相对较高,而在其他波长区域则存在较强的红外吸收。 8I'?9rt2M
对于如此长的波长,需要特殊的红外光学器件。不幸的是,这大大增加了长波长红外相机的成本。这种光学器件的成像性能通常也不是很好,但这可能并不重要,因为所需的图像传感器的分辨率无论如何都是相当适中的。 a)e2WgVB/E
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冷却红外光电探测器 U"Y$7~
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如此长的波长(对应于非常低的光子能量)的半导体光电探测器必须具有非常小的带隙能量。合适的材料例如是碲化汞镉(HgCdTe,MCT)(甚至远超过10μm也适用)和锑化铟(InSb,高达约5.5μm)。同样,还有基于量子阱红外光电探测器(QWIP)的焦平面阵列。小带隙能量也使得它们对传感器本身内的热激发非常敏感。因此,此类红外探测器在运行过程中通常需要强烈冷却——通常冷却至 100 开尔文甚至远低于 100 开尔文。 !PgYn
使用斯特林冷却器可以相对容易地冷却到 100 K 左右,斯特林冷却器本质上是由电动机驱动的斯特林发动机。打开设备后可能需要几分钟才能达到所需的工作温度。冷却的探测器必须与环境良好隔离,也是为了防止冰沉积,并且通常放置在真空密封的盒子中。当然,与仅具有珀耳帖冷却器的相机相比,该装置体积更大且更昂贵。 p5*Y&aKj
它们的技术采用红外光学、特殊的长波长图像传感器和冷却装置,使得冷却红外摄像机相当昂贵,但它们的性能远远优于非冷却探测器,如下一节所述。沉重的重量、电力消耗和准备时间当然是实际的缺点。 '#fj)
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热探测器 Z7Kc`9.0|
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许多长波长红外热像仪不包含基于内部光效应的半导体探测器,而是一种热探测器,它对由于吸收入射红外光而引起的温度升高做出响应。此类热探测器可以基于不同的技术: q^s$4 q
人们经常使用非常小的测辐射热计阵列(微测辐射热计),可以在传感器芯片上实现一定数量的像素(例如 160 × 120、320 × 240、640 × 480 或 1024 × 768)。作为传感元件,每个像素都包含一个薄的红外吸收板,例如由非晶硅 (aSi) 或氧化钒制成,该板悬挂在带有两个电极的芯片上方(板和芯片之间有一个小气隙)。然后可以测量板的与温度相关的电阻,该电阻随着温度的升高而减小。请注意,如果没有传入的红外光,板的温度将趋向于基板温度,而外部辐射将升高温度。因此,如果基材温度不保持恒定,则必须根据基材温度来校正读数。板下方的金属镜可用于背反射未吸收的红外光,同时减少来自基板的热辐射。 B0:O]Ax6.^
有一些热释电材料,例如钽酸锂,可以响应温度梯度而产生小电压。该温度梯度是由入射辐射加热造成的;产生的热量传导到某个基底,温度梯度与入射强度成正比。这种探测器是交流耦合的,即它们只能用于监测变化,而不能用于恒定温度。 ;O CYx[|
此类检测器仍可在一定程度上被冷却以改善其噪声性能,但从根本上来说不需要这种冷却。通常,它们是温度稳定的,即操作温度保持恒定,通常使用小型珀耳帖冷却器,但温度不是特别低。 B?]^}r