热成像仪

热成像仪（也称为热像仪、热像仪或红外线摄像机，或在军事上称为热像仪，WBG）是一种类似于传统摄像机的设备，但它接收红外辐射，并且与高温计不同，IR辐射作为物体的图像。有时也使用术语 FLIR 表示前视红外线，但它也是一个品牌。

红外辐射的波长范围约为 0.7 µm 至 1000 µm。 然而，由于典型的发射波长接近环境温度，热成像仪使用的光谱范围约为 3.5 至 15 µm（中波和长波红外线）。该范围也适用于测量和成像环境温度发射率已知时的温度范围。然而，根据材料的不同，该值在 0.012 和 0.98 之间变化很大——温度分配可能相应地不精确。

由于该区域的正常大气大部分是透明的，只要距离只有几米，太阳和人造光源的侧向辐射几乎不会干扰。在更远的距离，空气的固有辐射会使结果失真。

热成像是一种非接触式成像过程，可以使人眼不可见的物体或身体的热辐射（中红外线）可见。在热成像中，表面和物体上的温度分布被记录和显示。除了被动测温外，还可以利用红外辐射器进行主动辐射。例如，材料测试方法就是基于此。

热成像仪仅评估接收功率的差异，这就是为什么具有不同发射率系数的物体会导致较大的测量误差（表观温度差异）。假定的排放因子可以在每个热成像仪中预先选择。因此，应谨慎看待辐射测量。

原则上，相机的结构类似于普通的可见光电子相机，但传感器的结构和功能因要检测的波长而异。传统的胶片不可能记录非常长波的辐射，因为感光乳剂即使在包装时也会被热辐射“曝光”。

红外相机生成的图像最初可用作强度信息。热成像仪通常以灰度显示它们，普通相机型号能够解析高达 256（8 位）灰度。

然而，人类观察者不可能分辨出如此精细的灰色阴影；因此，它对于生成假色图像非常有用，几乎所有热成像仪都可以做到这一点。眼睛的完整可见色彩空间比纯（灰色）亮度差异提供更多差异。

在如此着色的图像中，指示热异常的“亮度”由显示颜色的变化而不是不同的灰色阴影表示。 通常可以使用各种调色板来为灰度值图像着色。 通常图像中最亮（最暖）的部分是白色，中间温度将显示为黄色和红色，图像的黑暗（同样较冷）部分将显示为蓝色。

商用热像仪的几何分辨率明显低于可见光谱范围内的热像仪。它通常为 160 × 120、320 × 240 或 384 × 288 像素。最近，还使用了 640 × 480 像素的检测器。微扫描可以将相机分辨率提高到1280×960。分辨率与所使用的镜头或相机的视野相结合，决定了热成像系统的最小可定义测量点。第 一批热成像仪也可用于智能手机。

图像通过透镜制成的镜头投射到电子图像传感器上。

传统相机在 8 到 14 µm 的波长范围内被动工作（即没有自己的光源），并使用由锗制成的光学器件，这种材料对这些波长是透明的，但成本比玻璃镜头高出约 100 倍。

此外，单晶半导体材料如硅或硒化锌也是合适的。原则上可以使用氯化钠（普通盐）、银盐或硫族化物等盐类，但由于它们对水分敏感，因此不适用于实际应用。

红外图像传感器有多种工作方式。

• 硅传感器用于 800 nm 左右的极短波长。它们通过光电效应将光子直接转化为光电流。
• 铟镓砷传感器 (InGaAs) 或硫化铅传感器用于 1 至 2 µm (SWIR) 的波长。
• 在 3 到 5 µm (MWIR) 的波长范围内，主要使用铟锑检测器 (InSb) 和汞镉碲检测器 (MCT) 以及基于氘化三甘氨酸硫酸盐 (DTGS) 的非制冷检测器。冷滤镜限制以下波长。配备适当冷滤光片的铟锑检测器可提供 1 至 5 µm 的灵敏光谱范围。
• 对于 8 到 14 µm (LWIR) 的长波长范围，通常使用砷化镓量子阱检测器 (QWIP) 和 MCT 检测器。通过加热传感器元件来检测辐射的微测辐射热计阵列也非常适合该波长范围。微测辐射热计阵列的常用材料是氧化钒 (VOx) 或非晶硅 (a-Si)。

热像仪可分为两种类型：

冷却红外探测器根据内部光效应工作，这意味着它们由一系列光接收器组成。检测器通常安装在真空密封外壳中并进行低温冷却。探测器的工作温度通常在 4 K 和 110 K 之间，通常值为 80 K 左右（略高于氮气的沸点）。这意味着探测器通常比要观察的物体要冷得多，这意味着热成像系统的热灵敏度（温度分辨率）明显高于非制冷系统。这种方法的缺点是：如果探测器冷却失败，热成像系统就会失灵。

冷却系统的其他缺点是增加了购置和运营成本，以及有时在系统将探测器冷却到工作温度之前的启动时间很长。与非冷却系统相比，这被出色的图像质量所抵消。

冷却系统的红外探测器通常由特殊的半导体材料组成。

为了确保来自相机和探测器的辐射不影响测量，根据光电效应工作的探测器被冷却到 70 K 范围内的温度。过去，液氮或二氧化碳通常用于冷却，现代相机通常使用珀耳帖元件，而用于科学应用的非常精确的模型和军事领域的许多设备使用斯特林冷却器。

非制冷热像仪使用红外传感器，这些传感器通过热电冷却器、Peltier 元件保持恒温，以减少接收器元件的信号漂移。它们通常恒温至接近环境温度。当探测器被红外辐射加热时，所有现代非制冷系统的工作原理都是改变电阻、电压或电流。测量这些变化并与工作温度下的值进行比较。由此确定吸收的辐射量，并借助预设的排放因子计算温度。

非制冷探测器使用热释电或微测辐射热计阵列。它们可用作紧凑型模块（所谓的热成像传感器）。这些紧凑型模块的分辨率通常为 320 × 240 像素至 1,024 × 768 像素，测量距离范围约为 1 至 10 m。图像读出频率高达 50 Hz 左右。除了经典的模拟图像信号（PAL、NTSC），数字接口也被特别支持（USB、LAN、WLAN、蓝牙）。

微测辐射热计阵列的探测器单元由一个只有几微米厚的辐射敏感盘组成，它通过两个弯曲触点（所谓的微桥）固定在实际探测器上方。磁盘由具有强烈温度依赖性电阻的材料组成（例如氧化钒）。入射的红外辐射被吸收并导致圆盘温度升高，进而改变电阻。 测得的电压降作为测量信号输出。

另一方面，热释电传感器仅在温度变化时提供具有非常高源阻抗的电压。

微测辐射热计阵列和高温计传感器都需要机械快门或至少定期对图像传感器进行遮蔽。