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紅外線及紅外成像儀原理介紹

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:08:15 785

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，人類只能對波長在 0.76-0.38 微米波譜段的輻射進行感知，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)化為可進行機器處理的數(shù)字圖像信息，并對圖像進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 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用價值。

2、紅外熱像儀的概念

紅外熱像儀是一種通過探測目標物體的紅外輻射，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理及數(shù)字圖像處理等手段，將目標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，其中探測器、硬件電路和圖像處理軟件結(jié)合即為機芯。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器上，完成光信號的收集；然后，探測器將鏡頭組件采集的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?，該信號的大小可以反映出紅外輻射的強弱，機芯中搭載的硬件電路會將探測器轉(zhuǎn)化輸出的微弱電信號進行放大、降噪，從而清晰地采集到目標物體溫度分布情況；最后，由軟件對上述放大和降噪后的電信號進行處理、優(yōu)化、增強，并得到電子視頻信號，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準。按照紅外熱像儀所用探測器工作溫度的不同，可以分為制冷型和非制冷型兩類，具體對比情況如下：

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

紅外熱像儀整機主要由機芯和鏡頭構(gòu)成，具有完整成像功能；機芯又名探測器組件，主要由探測器和成像電路構(gòu)成，探測器主要將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，成像電路主要對探測器輸出的信號進行采集、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器輸出的微弱電信號進行采集、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目標的識別能力和視覺效果。

非制冷型紅外產(chǎn)品因性價比高、體積小、功耗低等特點，在民用領(lǐng)域具有廣泛應用，但國內(nèi)市場競爭相對激烈。非制冷型探測器的生產(chǎn)主要包括晶圓制造和封裝兩個環(huán)節(jié)。

4、下游應用

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

制冷型紅外產(chǎn)品具有靈敏度高、響應速度快、探測距離遠等優(yōu)勢，但由于價格相對昂貴，主要被用于高端軍用領(lǐng)域。非制冷型紅外產(chǎn)品的性能相對弱于制冷型紅外產(chǎn)品，但其具有體積小、功耗低且價格較低的特點，因此主要用于輕武器瞄具等對性價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，特別是價格相對較低的非制冷型紅外成像產(chǎn)品在眾多民用領(lǐng)域得到了廣泛應用。紅外熱成像技術(shù)已成為自動控制、在線監(jiān)測、非接觸測量、設備故障診斷、資源勘查、遙感測量、環(huán)境污染監(jiān)測分析、人體醫(yī)學影像檢查等重要方法，主要民用領(lǐng)域如下：

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