红外热成像仪原理和分类

1、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。红外辐射简介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

2、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

3、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

4、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。至ij 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 MC璐件（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

5、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MCT1平面探测器，8-12um波段的MCT1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 MCTW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

6、展历史3g rX语T-t1940195019601970wl-Eds 4.8? * DOO-SB? 京nofa>OYl T yHtgxa f 巨宅口" if: 1.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UncOoled Thetmal IR19力比Energy detectorsPhoton dEectcrsPhotoLJ.，U pin

7、tilpw 叫MemUnoooied Photon detKtorsFemHBlectnc iasnQWiPCGaAfrAJGaAirEe SdbrRw4a 电 rmsm (Pl & kFa BM1WIeg iwflwMr Itsi*taAtaoHjHnDriDJMt1(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

8、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。以上的分类都是根据具体需求和应用，强调了探测器某一方面的特性，在实际中，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

9、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。RN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，RNOM象仪曾广泛应用美国军方。经过 70年的发展，RNB设了美国RNOT外线热像仪公 司，美俄合资RNO视仪公司。RNOI全球最为专业的热像仪公司，其下属的 RNO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，RN8直专门致力于热彳t技术的开发，RNOM象仪工厂分别设在美国、英国、 日本和中国。RNO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

10、，其授权分销商及服务分公司遍布全球100多个国家。美国RN8直是全球热像仪技术的领导者。引领全球热像技术的发展。RN生产中高端热像仪为主，2011年，美国RN3高达50%勺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2014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改变，并且可以选择显示最高、 最低和平均温度。IR系列自动捕捉显示最高最低温度的变化。能实现24 小时不间断监控。RNO图3 RNO IR

11、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。 根据热成像仪帧频可分 为快扫描和慢扫描两大类。电力系统所用的设备一般采用快扫描热成像仪(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。工作原理非制冷红外焦平面探测器由许多MEMSt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

12、像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，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色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COM触处电路相连；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，因此MEM朦元红外搞射真空封装般设计成如图5所示的结构。利用细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、 发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故