紅外線及紅外成像儀原理介紹

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:08:15 786

1、紅外線及紅外成像的概念

光在本質上屬于電磁波，根據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。

光電成像技術是通過光學系統和光電圖像傳感器，將自然界的模擬圖像信息轉化為可進行機器處理的數字圖像信息，并對圖像進行處理和分析的技術。以光電轉換技術、光電子理論和半導體物理等為基礎，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統稱為光電成像技術。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，然后經過光電轉換、電信號處理及數字圖像處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的光電成像系統。

紅外熱像儀主要由鏡頭、紅外探測器、硬件電路及其內置的圖像處理軟件及算法構成，其中探測器、硬件電路和圖像處理軟件結合即為機芯。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變為微弱電信號，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，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成，探測器主要將光信號轉化為電信號，成像電路主要對探測器輸出的信號進行采集、放大、模數轉換、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成，能夠對探測器輸出的微弱電信號進行采集、放大、模數轉換、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。

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

4、下游應用

紅外熱像儀能在完全黑暗的環境下探測到物體，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出的紅外輻射，相較于其他帶光源的主動成像系統更具有隱蔽性，因此紅外成像技術在軍事領域具有很高的應用價值，可以在偵查、監視、制導等軍用領域進行廣泛應用。

制冷型紅外產品具有靈敏度高、響應速度快、探測距離遠等優勢，但由于價格相對昂貴，主要被用于高端軍用領域。非制冷型紅外產品的性能相對弱于制冷型紅外產品，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域。

近年來，隨著紅外熱成像技術的不斷發展，紅外產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品在眾多民用領域得到了廣泛應用。紅外熱成像技術已成為自動控制、在線監測、非接觸測量、設備故障診斷、資源勘查、遙感測量、環境污染監測分析、人體醫學影像檢查等重要方法，主要民用領域如下：

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