红外线及红外成像仪原理介绍

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:08:15 808

1、红外线及红外成像的概念

光在本质上属于电磁波，根据波长不同可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线等类型。受人眼自然构造形成的视觉性能限制，人类只能对波长在 0.76-0.38 微米波谱段的辐射进行感知，无法通过直接观察的方式获取红外线成像信息。

光电成像技术是通过光学系统和光电图像传感器，将自然界的模拟图像信息转化为可进行机器处理的数字图像信息，并对图像进行处理和分析的技术。以光电转换技术、光电子理论和半导体物理等为基础，采用光电成像器件完成成像过程的改善人类视见能力的技术统称为光电成像技术。红外成像是光电成像的重要子类，红外线是指波长 0.76 微米至 1 毫米范围的电磁波，是自然界中存在最为广泛的辐射，所有温度高于零度（-273℃）的物质都不断地辐射红外线，因此红外成像具有广泛的应用价值。

2、红外热像仪的概念

红外热像仪是一种通过探测目标物体的红外辐射，然后经过光电转换、电信号处理及数字图像处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的光电成像系统。

红外热像仪主要由镜头、红外探测器、硬件电路及其内置的图像处理软件及算法构成，其中探测器、硬件电路和图像处理软件结合即为机芯。红外热像仪的基本工作原理为：首先，红外镜头过滤可见光并允许通过红外线，将工作波段内的辐射收集起来并聚焦到探测器上，完成光信号的收集；然后，探测器将镜头组件采集的红外辐射转变为微弱电信号，该信号的大小可以反映出红外辐射的强弱，机芯中搭载的硬件电路会将探测器转化输出的微弱电信号进行放大、降噪，从而清晰地采集到目标物体温度分布情况；最后，由软件对上述放大和降噪后的电信号进行处理、优化、增强，并得到电子视频信号，输出至显示器中即可得到人眼可见图像。

3、红外热像仪的类别

从不同角度出发，红外热像仪有多种分类标准。按照红外热像仪所用探测器工作温度的不同，可以分为制冷型和非制冷型两类，具体对比情况如下：

红外热像仪根据所用探测器的不同可以分为制冷型和非制冷型两类，其中：制冷型具有响应速度快、探测距离远、分辨温差更细微的优势，但价格较为昂贵，主要用于对性能要求较高的场景；非制冷型具有体积小、质量轻、功耗小且价格较低的特点，主要用于对性价比和便携性要求较高的场景。

红外热像仪整机主要由机芯和镜头构成，具有完整成像功能；机芯又名探测器组件，主要由探测器和成像电路构成，探测器主要将光信号转化为电信号，成像电路主要对探测器输出的信号进行采集、放大、模数转换、图像处理、视频编码等处理并提高成像效果。探测器一般选用InSb型。

电路模块产品以成像电路为主，主要由电路板和图像处理软件及算法构成，能够对探测器输出的微弱电信号进行采集、放大、模数转换、图像处理、视频编码等处理，并通过各类图像算法提高红外热像仪对目标的识别能力和视觉效果。

非制冷型红外产品因性价比高、体积小、功耗低等特点，在民用领域具有广泛应用，但国内市场竞争相对激烈。非制冷型探测器的生产主要包括晶圆制造和封装两个环节。

4、下游应用

红外热像仪能在完全黑暗的环境下探测到物体，且不受烟雾、粉尘等因素影响，可以全天候使用。同时，红外热像仪是通过被动的方式探测物体发出的红外辐射，相较于其他带光源的主动成像系统更具有隐蔽性，因此红外成像技术在军事领域具有很高的应用价值，可以在侦查、监视、制导等军用领域进行广泛应用。

制冷型红外产品具有灵敏度高、响应速度快、探测距离远等优势，但由于价格相对昂贵，主要被用于高端军用领域。非制冷型红外产品的性能相对弱于制冷型红外产品，但其具有体积小、功耗低且价格较低的特点，因此主要用于轻武器瞄具等对性价比和便携性要求较高的领域。

近年来，随着红外热成像技术的不断发展，红外产品的成本整体呈下降趋势，特别是价格相对较低的非制冷型红外成像产品在众多民用领域得到了广泛应用。红外热成像技术已成为自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影像检查等重要方法，主要民用领域如下：

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