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工业红外热成像测温仪基础知识!都泰短波热像仪红外线工业测温仪

菜鸟
2020-01-06 14:22:13    评分

热红外成像原理

热红外成像通常是指3-5um的中红外成像和8-12um的远红外成像。在这些波段中,关注的是热源,而不是可见光。热红外成像有许多不同应用,如非破坏性测试、红外照相机可以拍摄设备的过热点或者建筑物热量流失位置、在医学领域可测局部体表温度的差异、在快速查找核电厂冷却系统的热泄漏点,以及安全防护等。

人眼对约0.4~0.7uum的波段敏感,看不到较长波长的热能量。要记录这些能量需使用特殊的探测器或传感器,成像光学系统也必须有效地传输这些波长的光。0.85~1.6um的近红外波段有许多应用,如NdYAG激光器发出的1.06um波长的光,可以使用大多数普通光学材料。



从图18.92可以看到,3~5um的MWIR波段和8~12um的LWIR波段通过1.8km长空气路径后的光谱透射比。大气中,水和二氧化碳的吸收将波长应用限制在这两个波段。还看到温度在100~1000K的黑体辐出射度。作为参考,环境温度约为3000K,该温度下的辐出射度峰值发生在10um左右。因此,LWIR系统趋于具有最高灵敏度。然而,LWIR探测器比 MWIR探测器昂贵且难以制造。另外,利用现代的图像处理硬件和算法,可以得到优良的 成像。

大多数光学玻璃的透射波长不大于2.5um。某些特殊玻璃的透射波长达到4.5um,熔融石英的透射波长可达4um。因此,红外透射材料是很关键的,而其选择范围却十分有限,并且存在其他问题。

二、热红外成像光学系统的特点

1,杜瓦瓶器件、冷光阑和冷屏

热成像系统观察热源时,为获得最大的灵敏度,多数热成像系统使用低温制冷的探测器,探测器工作在77K的氮液或更低的温度。如果这些探测器或红外焦平面阵列可以探测到除所观察景物以外的热能量,则灵敏度会降低。另外,如果非景物能量的幅度随视场而变化,通常会看到景物图像变形。为实现最大灵敏度并避免图像变形,要对红外FPA进行低温冷却,并将其安装在绝热杜瓦瓶组件中。



图18.93所示为一个用于红外成像的探测器-杜瓦瓶组件。右图上角的局部图显示了一个完整的扫描成像红外系统。光(实际是红外辐射)从左面进入较大的透镜,称为聚光光学系统。在形成重睑像后,被第二个较小的透镜准直。第二个透镜的另一个目的是聚光光学元件(系统的孔径光阑) 成像在扫描反光镜上。光从扫描反射镜反射后,进入图18.93中圆圈所围的区域,即下图中展示的探测器-杜瓦瓶组件。

来自扫描反射镜的准直光束首先进入聚焦透镜。该透镜一般处于低温冷却的杜瓦瓶之外,使光束在通过杜瓦窗口后聚焦在FPA上。对于图18.93中的例子,探测器阵列是沿垂直于图面方向展开的线阵。杜瓦瓶是一个瓶壁为双层并抽真空的瓶子,入射窗必须透射红外辐射,冷指与FPA的末端相接触,以保持FPA处于低温状态。冷指自身是一根由铁或钢制造的高比热金属棒,它被线管缠绕包围,而液氮从线管中被泵过。如此循环,使FPA的末端得到冷却。如图18.93所示,挡板也称为冷屏或冷光阑,他们位于杜瓦瓶内部将在后面对他们进行定义。

在前例中,如果各个冷屏直径组成光锥形状,则探测器只能探测到景物能量,屏蔽掉被观测景物以外背景的能量。实际上,将冷屏的直径做得略微大于其所需的直径。

2,冷光阑效率

如果探测器只能探测或记录来源于景物的能量,则称该红外系统具有100%的冷光阑效率,即由于100%冷光阑效率,探测器同时记录来自代表景物能量的光锥能量和来自低温冷却热挡板的能量。该挡板称为冷光阑,没有自身能量辐射。对于FPA上的每一个像素来说,如果探测到的只是包括成像光的立体角和冷光阑的热挡板的一部分能量,则该系统确实具有100%的冷光阑效率。图18.94显示了许多处于冷光阑或冷屏范围内的杂散光挡板,其抑制了这些杂散辐射光路到达FPA。



在图18.94中,左侧的系统不具有100%的冷光阑效率,而右侧的系统具有100%的冷光阑效率。两个图是有些差异的。下面的图是上面图的虚线圈中区域的放大图。左图中孔径光阑既在系统的前部透镜上,又在二次成像透镜组的后表面上。此外,如果如图18.94中所示那样将眼睛放在FPA的下端来朝向景物观察,会看到代表景物的立体角,还有该区域以上而又在冷屏以下有阴影部分的立体角,该立体角不是来自景物,而是来自系统内部的某一部分。这部分非景物能量而类似于可见光光学系统中的杂光。如果这部分非景物能量是“热的”,则探测器的灵敏度会比其名义值有所下降;然而,如果这部分非景物能量在FPA范围内或扫描过程中存在幅度变化,则会得到图像变形,它类似于传统可见光系统中的鬼像。

3,扫描方式

使用完整的两维探测器阵列或红外焦平面阵列及时记录整个图像,这些FPA在热红外系统中被称为凝视探测器,镶嵌探测器或两维探测器。



红外探测器仍然十分昂贵,基于这个原因,经常使用尺寸小得多的探测器阵列,经过扫描,使成像范围覆盖整个期望的两维视场。使用小尺寸探测器阵列,则可以按照如图18.96所示的步骤来形成一个完整的两维视场。在整个视场宽度范围内,沿水平方向扫描视场,如图18.96上面一行所示,然后下移一行进行扫描,反复进行该过程,直到覆盖完整的两维视场。

这一过程称为串行扫描,光学术语称为双向扫描。它需要两个扫描运动,一个为水平扫描,另一个为俯仰或垂直扫描。串行扫描需要水平和垂直方向的扫描运动,可通过两块扫描反射镜来实现。



第二种扫描方式成为并行扫描。如图18.97所示。使用一个覆盖整个垂直视场的长条探测器阵列。扫描运动沿水平方向进行。这种扫描形式只需要一块扫描反射镜,它所用的FPA具有更多的单元。

凝视或镶嵌阵列是完全的两维焦平面阵列,它同时传感整个景物,不需要机械扫描。图18.98所示就是这样的FPA.便携式摄像机都使用不需扫描的凝视阵列。





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