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器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形 反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖， 這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。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變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。紅外輻射簡介紅外輻射是指波長在 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家赫胥爾在 1800年進行棱鏡試驗時首次發(fā)現(xiàn)。紅外輻射具有以 下特點及應用：(1)所有溫度在熱力學絕對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 的溫度所對應的輻射

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。紅外熱像是對可見光圖像的重要補充手段，廣泛用于紅外制導、紅外夜視、安防監(jiān)控和視覺增強等領域。(2)根據(jù)普朗克定律，物體的紅外輻射強度與其熱力學溫度直接相關。通過檢測物體 的紅外輻射可以進行非接觸測溫，具有響應快、距離遠、測溫范圍寬、對被測目標無干擾等優(yōu)勢。因此，紅外測溫特別是紅外熱像測溫在預防性檢測、制程控制和品質(zhì)檢測等方面具有廣泛應用。(3)熱是物體中分子、原子運動的宏觀表現(xiàn)，溫度是度量其運動劇烈程度的基本物理 量之一。各種物理、化學現(xiàn)象中，往往都伴隨熱交換及溫度變化。分子化學鍵的振動、轉動 能級對

3、應紅外輻射波段。因此，通過檢測物體對紅外輻射的發(fā)射與吸收，可用于分析物質(zhì)的狀態(tài)、結構、狀態(tài)和組分等。(4)紅外輻射具有較強的熱效應，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。而對于紅外輻射的檢測及利用，更是滲透到現(xiàn)代軍事、工業(yè)、生活的各個方面。由于人眼對于紅外輻射沒有響應，因此對于紅外輻射的感知和檢測必須利用專門的紅外探測器。紅外輻射波段對應的能量在0.1eV-1.0eV之間，所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學效應都可以用于紅外檢測。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器。紅外探測器的發(fā)展歷程現(xiàn)代紅外技術的發(fā)展，是從1940年代光子型紅外探測器的出現(xiàn)

4、開始。第一個實用的現(xiàn)代紅外探測器是二戰(zhàn)中德國研制的PbS探測器，后續(xù)又出現(xiàn)了 PbSe PbTe等鉛鹽探測器。在1950年代后期研制出InSb探測器，這些本征型探測器的響應波段局限于8um之內(nèi)。為擴大波段范圍，發(fā)展了多種摻雜非本征型器件，如 Ge:Au、Ge:Hg等，響應波長拓展到 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器基本成熟，探測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器。1980年代英國又研制出一種新型的掃積型 MC璐件（SPRITE探測器），將探測功能與信號延時、疊加和電子處理功能結合為一體。之后，重點發(fā)展了所謂

5、的第三代紅外探測技術，主要包括大陣列凝視型焦平面、超長線列掃描型焦平面、以及非制冷型焦平面探測器。最近 20年，3-5um波段的InSb 和MCT1平面探測器，8-12um波段的MCT1平面探測器，以及 8-14um波段的非制冷焦平面 探測器成為主流技術。同時，也先后出現(xiàn)了量子阱探測器（ QWIP ,第二型超晶格探測器（T2SL）,以及多色探測器、高工作溫度（ HOT MCTW測器等新技術并逐漸走向實用化。特別是非制冷焦平面探測器技術，在體積、成本方面大幅改善， 使得紅外熱像儀真正大規(guī)模走進工業(yè)和民用領域。圖1總結了紅外探測器技術發(fā)展歷史上各階段出現(xiàn)的不同紅外探測器 的類型。圖1紅外探測器的發(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.紅外探測器的技術分類紅外輻射波段對應的能量在0.1eV-1.0eV之間，所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學效應都可以用于紅外檢測，因此人們研制和發(fā)展了多種不同類型的探測器。從不同的角度出發(fā),紅外探測器有多種不同的分類方法。圖2總結了目前主要的紅外探測器種類。圖2紅外探測器分類方法及種類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)按紅外輻射與探測器的作用方式，主要分為光子型探測器和熱探測器。光子型探測器包括光導型、光伏型、量子阱、超晶格等不同光子效應的探測器。熱探測器包括熱釋電、熱電堆、微測輻射熱計等探測器。(2)按照工作溫度，可以分為制冷型探測器和非制冷型探測器。一般的光子型探測器 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。而熱探測器一般工作在室溫范圍，降低工作溫度對其性能改進不明顯。(3)按照敏感元的數(shù)量，可以分為單元探測器、線列探測器、以及焦平面探測器。單 元探測器、線列探測器如果用于成像則必須配備光機掃描機制，而焦平面探測器可以實現(xiàn)凝視成像。(4)按照響應波長，可以分為短波紅外探測器 (1-2.5um)、中波紅外探測器(3-5um)、 以及長波紅外探測器(8-14um),主要是針對三個大氣窗口而形成的體制。以上的分類都是根據(jù)具體需求和應用，強調(diào)了探測器某一方面的特性，在實際中，一種探測器往往兼具上述的幾個特征。例如，美國RNO專利非制冷焦平面

9、微熱型探測器，可以同時歸類為非制冷型探測器、長波探測器、焦平面陣列探測器和熱探測器。RN公司于1940年成立于美國芝加哥，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象儀曾廣泛應用美國軍方。經(jīng)過 70年的發(fā)展，RNB設了美國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技術的開發(fā)，RNOM象儀工廠分別設在美國、英國、 日本和中國。RNO視儀則將工廠設立在俄羅斯。目前RNO在全球擁有近5000名雇員

10、，其授權分銷商及服務分公司遍布全球100多個國家。美國RN8直是全球熱像儀技術的領導者。引領全球熱像技術的發(fā)展。RN生產(chǎn)中高端熱像儀為主，2011年，美國RN3高達50%勺市場份額位居全球紅外線熱像儀首位。IR160和IR384熱成像儀是美國2014年新款型號，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系列熱成像儀的測溫目標增加到了四個測溫點和三個測溫區(qū)域，此外還可以添加水平線或者垂直線來測量顯示該線溫度特性。每個移動區(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系列自動捕捉顯示最高最低溫度的變化。能實現(xiàn)24 小時不間斷監(jiān)控。RNO圖3 RNO IR

11、系列IR160熱像儀熱像儀的另一個重要指標參數(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。幀頻越大動畫的速度就越快，過低的幀頻會導致播放時斷時續(xù)。IR系列熱成像儀的幀頻可達到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)所用的設備一般采用快掃描熱成像儀(幀頻在20Hz以上)，否則就會帶來一些工作不便。 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器由許多MEMSt橋結構的像元在焦平面上二維重復排列構成，每個像元對特定入射角的熱輻射進行測量，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，并通過支撐結構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變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M行積分放大，經(jīng)采樣后得到 紅外熱圖像中單個像元的灰度值。為了提高探測器的響應率和靈敏度，要求探測器像元微橋具有良好的熱絕緣性，同時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間常數(shù)，因此MEM朦元紅外搞射真空封裝般設計成如圖5所示的結構。利用細長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非晶硅紅外探測器工作原理圖5非晶硅紅外探測器結構熱像測溫領域熱像測溫用于預防性檢測，例如對電力輸電線路、 發(fā)電設備、機械設備等通過紅外熱像儀檢測異常發(fā)熱區(qū)域，可以預防重大停機以及事故