文解析热成像仪作原理以及发展历程

发展历程

　　"红外线"词源于"past red"，是出红色之外的意思，表示该波长在电磁辐射频谱中所处的位

　　置。"thermography"词是采用同根词生成的，意思是"温度图像"。热成像的起源归于德天文学家 Sir William Herschel，他在 1800 年使用太阳光做了些实验。Herschel 让太阳光穿过个棱镜并在各种颜色处放置温度计，利用灵敏的水银温度计测量每种颜色的温度，结果发现了红外辐射。Herschel 发现，当越过红色光线入他称为"暗红热"区域时，温度便会升。"暗红热"即是现在人们所说的红外热能，处于被称为电磁辐射的电磁波频谱区域。

　　二十年后，德物理学家 Thomas Seebeck 发现了温差电效应。在该发现的基础上，意大利物理学家Leopoldo Nobili 于 1829 年发明了热量倍增器(即早期版本的热电偶)。这种简单的接触式设备的作原理是两个异种金属之间的电压差会随着温度的变化而变化。过了不久，Nobili 的合作伙伴 Macedonio Melloni 把热量倍增器改为热电堆(以串联方式安装热量倍增器)并将热辐射集于热电堆上，这样，他可以检测到 9.1 米(33 英尺)远处的人类体热。

　　1880 年，美天文学家 Samuel Langley 使用辐射热检测仪探测到 304 米(1000 英尺)以外的牛的体热。辐射热检测仪测量的不是电压差异，而是与温度变化有关的电阻变化。Sir William Herschel 的儿子 Sir John Herschel 于 1840 年使用名为"蒸发成像仪"的设备制作出幅红外图像。热图像是薄油膜的蒸发量差异形成的，可以借助油膜上反射出的光线行查看。

　　热像仪是种无需与设备直接接触便可检测出红外波长频谱中的热图案的设备。早期型号的热像仪称为"光导探测器"。从 1916 年至 1918 年，美发明家 Theodore Case 利用光导探测器做实验，通过与光子(而不是热能)直接交互作用产生信号，终发明了速度更快、更灵敏的光导探测器。20 纪四十年代和五十年代期间，为了满足日益增长的*事应用域的需求，热成像术不断演变，取得了长足的发展。德科学家发现，通过冷却光导探测器可以提整体性能。

　　直到 20 纪六十年代，热成像术才被用于非*事应用域。虽然早期的热成像系统很笨重、数据采集速度缓慢而且分辨率不佳，但它们还是被用于业应用域，例如检查大型输配电系统。

　　20 纪七十年代，*事应用域的持续发展就了个便携式系统。该系统可用于建筑诊断和材料无损测试等应用域。20 纪七十年代的热成像系统结实耐用而且非常可靠，但与现代热像仪相比，它们的图像质量不佳。到 20 纪八十年代初期，热成像术已广泛应用于疗、主流行业以及建筑检查域。经过校准后，热成像系统可以制作的辐射图像，这样便可测量该图像中意位置的辐射温度。辐射图像是包含图像内各点处的温度测量计算值的热图像。

　　安可靠的热像仪冷却器经过改，取代了沿用已久的用于冷却热像仪的压缩气或液化气。

　　此外，人们还开发并大量生产了成本较低、基于管道的热电光导摄像管 (PEV) 热成像系统。

　　虽然不能行辐射测量，但 PEV 热成像系统轻巧灵便、携带方便，而且无需冷却便可操作。

　　20 纪八十年代后期，种称为焦平面阵列 (FPA) 的新设备从*事应用域转移至商业市场。焦平面阵列 (FPA) 是种图像传感设备，由位于镜头焦平面处的红外传感探测器的阵列(通常为矩形)组成。

　　这大大改了原始的扫描式探测器，从而提了图像质量和空间分辨率。现代热像仪上的典型阵列的像素范围为:16 × 16 至 640 × 480。从这个角度来说，像素是可以检测红外能量的 FPA 的小立元素。对于殊应用场合，阵列的像素可以达到 1000 × 1000 以上。

　　个数字代表每个垂直列中的像素数，二个数字代表屏幕上显示的行数。例如，160 × 120 阵列的总像素为 19,200 (160 像素 × 120 像素 = 19,200 总像素)。自 2000 年以来，使用多个探测器的 FPA 术的发展不断加快。长波热像仪用于检测 8 μm 至 15 μm 波长范围内的红外能量。微米 (μm) 是个长度测量单位，等于 1 毫米(0.001 米)的千分之。中波热像仪用于检测 2.5 μm 至6 μm 波长范围内的红外能量。长波和中波热成像系统均提供面的辐射型号，图像融合度和热灵敏度通常为 0.03SDgrC (0.054SDgrF) 或更低。这些系统的成本在过去十年间降低了十倍以上，但质量得到了大幅度提升。此外，用于图像处理的计算机软件的应用也有了显著的发展。现在，几乎所有商业类型的红外系统均使用软件来协助分析和撰写报告。报告可快速生成并在互联网上以电子形式发，或以种常见格式(例如 PDF)保存，而且还可以刻录在多种数字存储设备上

　　 作原理

　　红外热像仪是门使用光电设备来检测和测量辐射并在辐射与表面温度之间建立相互联系的科学。辐射是

　　辐射能(电磁波)在没有直接传导媒体的情况下移动时发生的热量移动。现代红外热像仪的作原理是使用光电设备来检测和测量辐射，并在辐射与表面温度之间建立相互联系。所有于对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射。红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。通过查看热图像，可以观察到被测目标的整体温度分布状况，研究目标的发热情况，从而行下步作的判断。人类直都能够检测到红外辐射。人体皮肤内的神经末梢能够对低达±0.009°C (0.005°F) 的温差作出反应。虽然人体神经末梢其敏感，但其构不适用于无损热分析。例如，尽管人类可以凭借动物的热感知能力在黑暗中发现温血猎物，但仍可能需要使用更佳的热检测具。由于人类在检测热能方面存在物理结构的限制，因此开发了对热能非常敏感的机械和电子设备。这些设备是在众多应用中检查热能的标准具。