紅外熱成像原理

波長為2.0~1000μm的部分稱為熱紅外線。我們周圍的物體只有當它們的溫度高達1000℃以上時，才能夠發出可見光。相比之下，我們周圍所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。所以，熱紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在最為廣泛的輻射。熱輻射除存在的普遍性之外，還有另外兩個重要的特性。

　　1．大氣、煙雲等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的「大氣窗口」 。利用這兩個窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙雲密布的戰場，清晰地觀察到前方的情況。正是由於這個特點，熱紅外成像技術軍事上提供了先進的夜視裝備並為飛機、艦艇和坦克裝上了全天候前視系統。這些系統在海灣戰爭中發揮了非常重要的作用。

　　2．物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關。熱輻射的這個特點使人們可以利用它來對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態分析，從而為工業生產，節約能源，保護環境等等方面提供了一個重要的檢測手段和診斷工具。

　　現代的熱成像裝置工作在中紅外區域（波長3~5μm）或遠紅外區域（波長8~12μm）。通過探測物體發出的紅外輻射，熱成像儀產生一個實時的圖像，從而提供一種景物的熱圖像。並將不可見的輻射圖像轉變為人眼可見的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測到小於0.1℃的溫差。

　　工作時，熱成像儀利用光學器件將場景中的物體發出的紅外能量聚焦在紅外探測器上，然後來自與每個探測器元件的紅外數據轉換成標準的視頻格式，可以在標準的視頻監視器上顯示出來，或記錄在錄像帶上。由於熱成像系統探測的是熱而不是光，所以可全天候使用；又因為它完全是被動式的裝置，沒有光輻射或射頻能量，所以不會暴露使用者的位置。

　　紅外探測器分為兩類：光子探測器和熱探測器。光子探測器在吸收紅外能量後，直接產生電效應；熱探測器在吸收紅外能量後，產生溫度變化，從而產生電效應。溫度變化引起的電效應與材料特性有關。

　　光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴於本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測器冷卻至較低的溫度。通常採用的冷卻劑為斯太林（Stirling）或液氮。

　　熱探測器一般沒有光子探測器那麼高的靈敏度但在室溫下也有足夠好的性能，因此不需要低溫冷卻。

　　紅外與熱成像什麼關係

　　紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外熱量，並將其轉換生成熱圖像和溫度值，進而顯示在顯示器上，並可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量精確量化，能夠對發熱的故障區域進行準確識別和嚴格分析。 照相機成像得到照片，電視攝像機成像得到電視圖像，都是可見光成像。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線差並可以得到不同的紅外圖像，熱紅外線形成的圖像稱為熱圖。

　　目標的熱圖像和目標的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到的目標可見光圖像，而是目標表面溫度分布圖像，換一句話說，紅外熱成像使人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。

　　淺談紅外熱像儀

　　簡單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對紅外光輻射能產生某些物理量的變化的特性，然後把這種變量轉化成電信號，經過調製後再轉變成圖象並測溫。這些特殊的材料多為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化矽、氧化釩、矽摻雜（或多晶矽）等等。市場上所謂的「製冷」和「非製冷」之分，實際上是指有無製冷器而言。

　　紅外熱像儀本身並不發射紅外，它只是被動地吸收而已。這有兩重含義：第一，這種特徵加上自然界任何物體都對外輻射紅外信號的特點，使之成為軍事價值極高的設備；第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測器材料的要求是何等的高！尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的幹擾時。因此，從紅外熱像儀誕生那天開始，對它的技術保密級別及它的價格都非常的高。這裡，我們還姑且不談紅外探測器的生產工藝的難度和成品率。

我們知道：自然界一切溫度在絕對零度-273.15°C以上的物體，由於自身的分子熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其光譜範圍比較廣。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。而現階段的紅外熱像儀都只能對其中某一小段光譜範圍的紅外光產生反應。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所謂的「大氣窗口」——大氣、煙雲等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻受影響較小。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的「大氣窗口」。同時，物體向外發射的輻射強度取決於目標物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質在不同的狀況下（表面光潔度、環境溫度、氧化程度等等），向外輻射紅外能量的能力都不同，這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質在該溫度下的發射率。（黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。）應該指出，自然界中並不存在真正的黑體。

　　也就是說，紅外熱像儀能否觀察到物體，取決於該紅外熱像儀的溫度解析度和空間解析度以及被測物體表面的紅外輻射強度和面積，我們甚至可以大略地理解為：溫度解析度即是最小可辨溫差的能力，空間解析度是顯示這種溫差的能力。現階段溫度解析度是以NETD實驗條件下，環境溫度為30℃時探測器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機的溫度解析度。因為探測器本身的背景噪音如果為0.06℃時，後續處理所帶來的背景噪音疊加後肯定要高於0.06℃，至於能達到多少，那就要看各個廠家後續電子線路版塊的設計和處理能力了。這裡值得說明的是：溫度解析度和測溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力；後者是重複測量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會混淆這兩個概念。空間解析度不能等同於視場角，視場角是指鏡頭而言，空間解析度實際是指紅外熱像儀整機的分辨能力，它與探測器、電路、鏡頭有關，是個綜合指數，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。

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