紅外熱成像技術(shù)

1672年，牛頓使用分光棱鏡把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光，證實了太陽光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成。1800年，英國物理學(xué)家F.W.赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，偶然發(fā)現(xiàn)放在光帶紅光外的一支溫度計，比其他色光溫度的指示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布：太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78～1000μm的電磁波。其中波長為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外，波長為1.5～10μm的部分稱為中紅外，波長為10～1000μm的部分稱為遠(yuǎn)紅外線。而波長為2.0～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大;反之，輻射的能量愈小。

在自然界中，一切物體都會輻射紅外線，因此利用探測器測定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的可見光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布的圖像?；蛘呖梢哉f，它是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布，而是變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫，并可進(jìn)行智能分析判斷。紅外熱成像技術(shù)是一種被動紅外夜視技術(shù)，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273℃)的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標(biāo)的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號后，成像裝置就可以一一對應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經(jīng)系統(tǒng)處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖，即紅外熱圖像。

非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號形成、時序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。

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系統(tǒng)的工作原理是，由光學(xué)系統(tǒng)接受被測目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號，并注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱，缺少可見光圖像那種層次和立體感，因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過處理的信號送入到視頻信號形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，最后通過電視屏或監(jiān)視器顯示被測目標(biāo)的紅外熱像圖。

紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外，還與探測器探測信號的輸出性能有關(guān)，如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。

焦平面陣列結(jié)構(gòu)有四種類型：單片式、準(zhǔn)單片式、平面混合式和Z型混合式。單片式焦平面陣列是指在同一芯片上即含有探測器又含有信號處理電路的Si器件;準(zhǔn)單片式焦平面陣列器件是將探測器和讀出線路分別制備，然后把它們裝在同一個襯底上，通過引線焊接將兩部分連在一起;平面混合式采用銦柱將探測器陣列正面的每個探測器與多路傳輸器一對一地對準(zhǔn)配接起來;Z型混合式則將許多集成電路芯片一個一個地層疊起來以形成一個三維的電路層疊結(jié)構(gòu)。平面混合和Z型混合方法的優(yōu)點是由于將多路傳輸器與探測器直接混合，因而具有很高的封裝密度，較快的工作效率，并使總的設(shè)計得以簡化。由于信號處理是在焦平面陣列中進(jìn)行的，所以減少了器件的引線數(shù)目，光學(xué)孔徑和頻譜帶寬也得以減小。

讀出電路的電荷處理能力直接控制焦平面的動態(tài)范圍，它的電荷轉(zhuǎn)移效率影響焦平面的非均勻性、數(shù)據(jù)率、串?dāng)_和噪聲，這些都綜合影響焦平面的空間、時間和輻射能量的極限分辨能力以及空間和時間頻率傳遞特性。因此，讀出電路的設(shè)計要求為：高電荷容量、高轉(zhuǎn)移效率、低噪聲和低功率耗散;其次考慮抗光暈控制和降低交叉串?dāng)_。

據(jù)報道，砷化鎵(GaAs)可作為一種潛在的焦平面陣列讀出技術(shù)，其原因是：GaAs的熱膨脹系數(shù)與碲鎘汞探測器(HgCdTe)的匹配要比硅好得多，這樣便有可能可靠地制備大型混合焦平面陣列;GaAs技術(shù)的輻射硬度比硅好得多;n型GaAs器件的施主能級比硅更接近導(dǎo)帶邊緣，這就使得GaAs器件在4K時更不受凍結(jié)效應(yīng)的影響。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

目前達(dá)到實用水平的焦平面陣列探測器主要有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和非制冷探測器4種。陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，定將逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀。其關(guān)鍵技術(shù)是探測器由單片集成電路組成，被測目標(biāo)的整個視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時具有自動調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大，點溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲容量可高達(dá)500幅圖像。

紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進(jìn)行計算的一種檢測設(shè)備。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y到的熱量精確量化，或測量，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識別和嚴(yán)格分析。