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红外热像仪简介:热成像背后的物理原理
2021-11-08

红外热像仪简介:热成像背后的物理原理

你有没有想过为什么用热像仪拍摄的图像是红色、蓝色和黄色的网格,或者为什么它们在夜视中是黑色和白色的?

本文将提供这些答案——以及更多。我们将研究前视红外技术(俗称热成像)背后的基础物理和技术;帮助您选择合适的红外热像仪。

今天,热量被用于许多不同的场景——公用事业和能源公司使用它来查看房屋可能通过裂缝失去热量的位置。警方用它从直升机上定位嫌疑人。热像仪用于先进车辆,以查看和分类难以用自动驾驶汽车上的典型摄像头仔细检查的物品。气象站用它来跟踪风暴和飓风。医用红外热像仪用于诊断不同的病症和疾病。红外热像仪安装在船上,以帮助船员发现冰山和落水乘客。这项技术还有许多其他令人兴奋的应用。

热像仪是如何工作的?

人眼可以看到被太阳或其他可见光谱中特定波长的光照射的物体。相比之下,热像仪"看到"红外光谱内物体发出的热量或电磁辐射。

红外光是称为光子的小粒子的电磁辐射。温度高于绝对零 (-273°C 或 -459.69°F) 的所有物体都会发出红外辐射;这就是红外热像仪传递和检测热量的方式,即使在完全黑暗的情况下也能工作。

虽然人眼不可见,但可以感觉到红外线辐射。如果您将手靠近热气腾腾的咖啡杯的一侧,您会感觉到咖啡杯散发出的热量。热像仪可以看到这种辐射并将其转换为我们可以用肉眼看到的图像。

热成像与传统相机有何不同?

热像仪产生的图像类似于可见光相机的图像。但与可见光相机不同的是,红外传感器检测波长与光波长不同的电磁波。这使热像仪能够"看到"热量,或者更专业地说,红外线辐射。物体越热,它产生的红外辐射就越多。

换句话说,红外成像使我们能够看到物体表面散发的热量;因此测量框架中各种物体的温度并为每个温度分配一种颜色的阴影。这也使相机能够用作热成像相机以进行精确的温度测量。

较冷的温度通常表示为某种蓝色、紫色或绿色,而较暖的温度表示为红色、橙色或黄色。

有些相机使用灰度代替。来自安全摄像头的夜间镜头总是黑白的。这背后有一个很好的理由;人眼能够更好地区分黑色和白色,而不是区分其他深浅的颜色,例如红色或蓝色。正因为如此,大多数夜视相机使用单色滤镜,让我们更容易理解图像上的内容。这也是警用直升机使用灰度来突出嫌疑人的原因。

非制冷热像仪和制冷热像仪有什么区别?

热像仪使用非冷却或冷却传感器来检测电磁辐射。

在更常见的非制冷热像仪中,红外检测元件包含在一个在室温下工作的单元中。相比之下,冷却相机使用低温冷却至约 77 华氏度、-321 华氏度(-196 摄氏度)的探测器。由于它们的元件被冷却,与非冷却系统相比,这些冷却系统提供了更好的灵敏度,因此能够区分较小的温度变化。

现在,让我们花点时间了解一下 IR 红外热成像相机的物理原理。

电磁频谱

电磁频谱

红外光谱仅构成整个电磁光谱的一部分(如图所示),根据波长的不同,红外光谱又具有三个有效范围:

  • 长波红外 (LWIR) (7.5-14µm) – 通常用于非制冷红外摄像机;

  • 中波红外 (MWIR) (3-5µm) – 通常用于冷却红外热像仪;

  • 短波红外 (SWIR) (1-3µm) – 通常用于主动照明夜视技术。

较长的波使光子能够穿过具有较大粒子(例如灰尘或雾)的环境。因此,为 7.5-14µ 波长设计的非制冷设备更适合多尘或多雾的环境。非制冷相机还提供比制冷相机更实惠的红外解决方案。

当波长较短时,光子具有更多能量。因此,支持 3-5µ 的冷却设备适用于更远距离的监视任务。