红外摄像机 | RP 系列激光分析设计软件

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。

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。

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。

彩色图像不一定表示光谱信息!

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。

近红外相机

 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。

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。

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。

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。

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。

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。

中波和长波红外相机

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。

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。

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。

冷却红外光电探测器

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。

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。

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。

热探测器

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：

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。

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。

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。