紅外線及紅外成像儀原理介紹

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:06:16 767

1、紅外線及紅外成像的概念

光在本質(zhì)上屬于電磁波，根據(jù)波長(zhǎng)不同可以分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線、γ 射線等類型。受人眼自然構(gòu)造形成的視覺性能限制，人類只能對(duì)波長(zhǎng)在 0.76-0.38 微米波譜段的輻射進(jìn)行感知，無法通過直接觀察的方式獲取紅外線成像信息。

光電成像技術(shù)是通過光學(xué)系統(tǒng)和光電圖像傳感器，將自然界的模擬圖像信息轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行機(jī)器處理的數(shù)字圖像信息，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析的技術(shù)。以光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、光電子理論和半導(dǎo)體物理等為基礎(chǔ)，采用光電成像器件完成成像過程的改善人類視見能力的技術(shù)統(tǒng)稱為光電成像技術(shù)。紅外成像是光電成像的重要子類，紅外線是指波長(zhǎng) 0.76 微米至 1 毫米范圍的電磁波，是自然界中存在最為廣泛的輻射，所有溫度高于*零度（-273℃）的物質(zhì)都不斷地輻射紅外線，因此紅外成像具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2、紅外熱像儀的概念

紅外熱像儀是一種通過探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理及數(shù)字圖像處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的光電成像系統(tǒng)。

紅外熱像儀主要由鏡頭、紅外探測(cè)器、硬件電路及其內(nèi)置的圖像處理軟件及算法構(gòu)成，其中探測(cè)器、硬件電路和圖像處理軟件結(jié)合即為機(jī)芯。紅外熱像儀的基本工作原理為：首先，紅外鏡頭過濾可見光并允許通過紅外線，將工作波段內(nèi)的輻射收集起來并聚焦到探測(cè)器上，完成光信號(hào)的收集；然后，探測(cè)器將鏡頭組件采集的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?hào)，該信號(hào)的大小可以反映出紅外輻射的強(qiáng)弱，機(jī)芯中搭載的硬件電路會(huì)將探測(cè)器轉(zhuǎn)化輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、降噪，從而清晰地采集到目標(biāo)物體溫度分布情況；最后，由軟件對(duì)上述放大和降噪后的電信號(hào)進(jìn)行處理、優(yōu)化、增強(qiáng)，并得到電子視頻信號(hào)，輸出至顯示器中即可得到人眼可見圖像。

3、紅外熱像儀的類別

從不同角度出發(fā)，紅外熱像儀有多種分類標(biāo)準(zhǔn)。按照紅外熱像儀所用探測(cè)器工作溫度的不同，可以分為制冷型和非制冷型兩類，具體對(duì)比情況如下：

紅外熱像儀根據(jù)所用探測(cè)器的不同可以分為制冷型和非制冷型兩類，其中：制冷型具有響應(yīng)速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨溫差更細(xì)微的優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格較為昂貴，主要用于對(duì)性能要求較高的場(chǎng)景；非制冷型具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小且價(jià)格較低的特點(diǎn)，主要用于對(duì)性價(jià)比和便攜性要求較高的場(chǎng)景。

紅外熱像儀整機(jī)主要由機(jī)芯和鏡頭構(gòu)成，具有完整成像功能；機(jī)芯又名探測(cè)器組件，主要由探測(cè)器和成像電路構(gòu)成，探測(cè)器主要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，成像電路主要對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像處理、視頻編碼等處理并提高成像效果。探測(cè)器一般選用InSb型。

電路模塊產(chǎn)品以成像電路為主，主要由電路板和圖像處理軟件及算法構(gòu)成，能夠?qū)μ綔y(cè)器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像處理、視頻編碼等處理，并通過各類圖像算法提高紅外熱像儀對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力和視覺效果。

非制冷型紅外產(chǎn)品因性價(jià)比高、體積小、功耗低等特點(diǎn)，在民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)激烈。非制冷型探測(cè)器的生產(chǎn)主要包括晶圓制造和封裝兩個(gè)環(huán)節(jié)。

4、下游應(yīng)用

紅外熱像儀能在完全黑暗的環(huán)境下探測(cè)到物體，且不受煙霧、粉塵等因素影響，可以全天候使用。同時(shí)，紅外熱像儀是通過被動(dòng)的方式探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射，相較于其他帶光源的主動(dòng)成像系統(tǒng)更具有隱蔽性，因此紅外成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值，可以在偵查、監(jiān)視、制導(dǎo)等軍用領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

制冷型紅外產(chǎn)品具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，但由于價(jià)格相對(duì)昂貴，主要被用于高端軍用領(lǐng)域。非制冷型紅外產(chǎn)品的性能相對(duì)弱于制冷型紅外產(chǎn)品，但其具有體積小、功耗低且價(jià)格較低的特點(diǎn)，因此主要用于輕武器瞄具等對(duì)性價(jià)比和便攜性要求較高的領(lǐng)域。

近年來，隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外產(chǎn)品的成本整體呈下降趨勢(shì)，特別是價(jià)格相對(duì)較低的非制冷型紅外成像產(chǎn)品在眾多民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。紅外熱成像技術(shù)已成為自動(dòng)控制、在線監(jiān)測(cè)、非接觸測(cè)量、設(shè)備故障診斷、資源勘查、遙感測(cè)量、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)分析、人體醫(yī)學(xué)影像檢查等重要方法，主要民用領(lǐng)域如下：

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