红外相机 Infrared cameras

2022-11-16 15:47:43 浏览:334

定义

使用红外光的相机。

红外摄像机是对红外光敏感的摄像机。 提供适用于不同光谱区域的相机,这些区域在性能(例如图像分辨率、响应度和帧速率)和应用领域方面存在很大差异。 在以下部分中,我们将区分近红外相机和中波或长波红外相机。

大多数红外摄像机都有一个二维图像传感器(有时称为焦平面阵列),它通过一些电子接口提供数字数据,例如USB,Camera Link或LAN类型。 但是,一些特殊的相机具有线传感器,即只有一维图像传感器;它们通常用于移动物品的连续成像,例如在生产线和激光扫描仪中。

红外热像仪可能对可见光和紫外线敏感,也可能不敏感。 通常,它们包括仅传输红外光的滤光片,从而避免对不需要的波长敏感。

彩色图像不一定表示光谱信息!

通常,红外热像仪不提供光谱信息,而仅提供其像素的强度值。 例如,这与照相机形成鲜明对比。 当显示来自红外热像仪的彩色图像时,这些图像通常包含假色,仅对强度值进行编码。 然而,也有用于多光谱成像或高光谱成像的红外相机,这通常需要更复杂的设置,例如使用色散光学器件和线扫描仪。

近红外相机

用于可见光的CCD和CMOS图像传感器的常用类型基于硅,它们在1000 nm和1100 nm之间的光学波长下具有一定的灵敏度 - 受到硅带隙能量的限制。 虽然这已经在红外线中,但真正的红外相机通常包含一个基于砷化铟镓(InGaAs)的传感器芯片,该芯片在900nm至1700nm的波长区域内大致提供了良好的响应度。 与硅基传感器相比,这些传感器要贵得多,并且通常提供较低的分辨率 - 在水平和垂直方向上通常只有几百像素,即远低于整体一百万像素。

由于InGaAs的带隙能量较小,因此只有在低温下才能实现暗电流和噪声方面的最佳性能;因此,诸如传感器芯片通常配备有热电(Peltier)冷却器。 不幸的是,这大大增加了电力消耗,并且外壳通常需要在散热方面进行优化,例如使用散热片。

所需的成像光学元件与可见光相机没有实质性区别,因为在该波长区域不难找到具有高透射率的光学玻璃。 从本质上讲,只需要适应增透膜和消色差透镜。

近红外热像仪通常用于检查目的。 例如,它们用于检测半导体晶片、太阳能电池和各种其他工业产品,也用于小麦和水果等农产品。 激光光束轮廓仪是另一个例子。

近红外摄像机还可以结合一些红外照明提供夜视。 对于监视目的而言,仅使用不可见的照明灯可能是有益的,尽管这可能相对容易被检测到。 只要长时间曝光是可以接受的,这种相机就可以在相当低的红外光水平下工作。

对于室温左右或以下的热成像,近红外光谱范围不合适;为此,需要中红外相机(见下文),它可以记录低能量光子。

中波和长波红外热像仪

主要用于热成像(热成像)应用,使用中红外相机,它可以响应更长的光学波长 - 有时远远超过10μm - 与热辐射相关。 例如,然后可以获得建筑物的温度图,以确定热损失过多的位置;即使在低于0°C的冬季温度下也必须工作,那里的热辐射相当低。 除了被动红外监视和热寻的导弹等军事应用外,还有一系列其他应用,例如涉及医疗诊断、无损检测、火灾探测、卫星天气剖面监测、空气污染监测和森林砍伐测绘。

特别感兴趣的光谱区域是大约3至5微米(中波红外窗口,中波红外窗口,中波红外窗口)和8至12微米(长波窗口,LWIR)的大气窗口。 在这里,大气透射率相对较高,而其他波长区域有很强的红外吸收。

对于如此长的波长,需要特殊的红外光学器件。 不幸的是,这大大增加了长波长红外相机的成本。 这种光学器件的成像性能通常也不是很好,但这可能无关紧要,因为所需图像传感器的分辨率无论如何都是相当适中的。

冷却红外光电探测器

对于如此长的波长,对应于非常低的光子能量的半导体光电探测器必须具有非常小的带隙能量。 合适的材料是例如碲化镉汞(HgCdTe,MCT)(甚至远远超过10μm)和锑化铟(InSb,高达≈5.5μm)。 同样,也有基于量子阱红外光电探测器(QWIP)的焦平面阵列。 小带隙能量也使它们对传感器本身的热激发非常敏感。 因此,这种红外探测器在运行过程中通常需要强烈冷却 - 通常到100开尔文甚至大大低于。

使用斯特林冷却器可以相对容易地冷却到 100 K 左右,斯特林冷却器本质上是由电动机驱动的斯特林发动机。 打开设备后可能需要几分钟才能达到所需的工作温度。 冷却的探测器必须与环境保持良好的绝缘,也是为了防止冰的沉积,并且通常放置在真空密封的外壳中。 当然,与只有帕尔贴冷却器的相机相比,该设置要笨重得多,价格昂贵得多。

他们的红外光学技术、特殊的长波长图像传感器和冷却装置使制冷红外热像仪相当昂贵,但它们的性能远远优于下一节所述的非制冷探测器。 重量、耗电量和准备时间当然是实际的缺点。

有关更多详细信息,请参阅有关光电导探测器的文章。

热探测器

许多长波长红外相机不包含基于内部光效应的半导体探测器,而是一种热探测器,它响应由吸收入射红外光引起的温度升高。 这种热探测器可以基于不同的技术:

  • 通常,人们使用非常小的辐射热计(微测辐射热计)阵列,通过这些阵列,可以在传感器芯片上实现一定数量的像素(例如160×120,320×240,640×480或1024×768)。 作为传感元件,每个像素都包含一个薄的红外吸收板,例如由非晶硅(aSi)或氧化钒制成,该板悬挂在芯片上方(板和芯片之间有小气隙),有两个电极。 然后可以测量板的温度相关电阻,该电阻随着温度的升高而减小。 请注意,如果没有入射红外光,板的温度将向基板温度松弛,而外部辐射将增加温度。 因此,如果基板温度不恒定,则必须根据基板温度进行校正。 板下方的金属镜可用于背反射未吸收的红外光,同时减少来自基板的热辐射。
  • 有钽酸锂等热释电材料,响应温度梯度产生小电压。 该温度梯度是由入射辐射加热引起的;产生的热量被传导到一些基板,温度梯度与入射强度成正比。 这种探测器是交流耦合的,即它们只能用于监测变化,而不能用于监测恒定温度。

这种探测器仍然可以在一定程度上冷却以提高其噪声性能,但基本上不需要这种冷却。 通常,它们是温度稳定的,即操作温度保持恒定,通常使用小型帕尔贴冷却器,但温度不是特别低。

有关更多详细信息,请参阅有关热探测器和热释电探测器的文章。

光学器件

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