溫度高于0 K(即273℃)的所有物體都會(huì)在電磁光譜的紅外區(qū)域發(fā)射電磁輻射。紅外輻射(波長在0.75-1000 lm范圍內(nèi))位于微波和電磁波譜的可見部分之間。這個(gè)廣闊的范圍可以進(jìn)一步細(xì)分為近紅外NIR(0.76-1.5 lm),中紅外MIR(1.5-5.6 lm)和遠(yuǎn)紅外FIR(5.6-1000 lm)。1800年,威廉·赫歇爾爵士(Sir William Herschel)發(fā)現(xiàn)了紅外輻射,并由他的兒子約翰·赫歇爾(John Herschel)完成了第一幅紅外熱圖像的記錄,這為溫度測(cè)量增加了新的意義。在民用領(lǐng)域采用紅外熱成像花費(fèi)了將近兩個(gè)世紀(jì)的時(shí)間,主要是因?yàn)闊o法獲得優(yōu)質(zhì)的設(shè)備和技術(shù)知識(shí)。
在紅外熱成像中,人體發(fā)出的紅外輻射通過紅外探測(cè)器以非接觸方式進(jìn)行探測(cè),并使用Stefan–Boltzmann定律獲得人體的溫度。紅外探測(cè)器是紅外熱成像系統(tǒng)的核心。有幾種類型的檢測(cè)器可用,它們可以分為兩大類,即熱(如高溫計(jì),輻射熱計(jì)等)和半導(dǎo)體(如光電導(dǎo),光電探測(cè)器)。紅外探測(cè)器通常放置在保護(hù)罩內(nèi)部,該保護(hù)罩由光學(xué)裝置(透鏡,鏡子等),探測(cè)器元件,冷卻系統(tǒng)和相關(guān)的電子設(shè)備組成。因此,它們也稱為紅外熱像儀。在過去的幾十年中,紅外熱成像儀經(jīng)歷了幾次修改。第一代相機(jī)由一個(gè)元素檢測(cè)器和兩個(gè)(一個(gè)水平和一個(gè)垂直)掃描鏡組成。在更高級(jí)的第二代相機(jī)中,使用了兩個(gè)類似的掃描鏡以及陣列檢測(cè)器(大型線性陣列或小型二維陣列)。現(xiàn)代的第三代相機(jī)沒有反光鏡,并具有大型的二維陣列檢測(cè)器(通常稱為焦平面陣列:FPA)。在這些現(xiàn)代相機(jī)中還實(shí)現(xiàn)了一些片上圖像增強(qiáng)技術(shù)(如延時(shí)集成),從而提高了系統(tǒng)的分辨率和靈敏度。舊技術(shù)系統(tǒng)具有較低的空間分辨率,較高的噪聲水平,較小的動(dòng)態(tài)范圍,有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,并且沒有板載圖像處理功能。
圖為紅外熱成像實(shí)驗(yàn)裝置
紅外熱成像的主要優(yōu)點(diǎn)之一是,它是需要最少的儀器。這種應(yīng)用的基本要求是紅外熱像儀,三腳架或攝像機(jī)支架以及用于顯示獲取的紅外熱圖像的視頻輸出單元。圖中顯示了典型的紅外熱成像實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖,其中顯示了紅外熱像儀,顯示單元和機(jī)械組件(壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī))的典型紅外圖像及其原始照片。如今,還提供了幾種帶有內(nèi)置顯示屏的手持式攝像機(jī)。這些相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕且便于攜帶。固態(tài)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步為開發(fā)具有更高分辨率和精度的新型非制冷紅外探測(cè)器鋪平了道路。目前,未冷卻相機(jī)的熱敏度約為0.05℃,而冷卻相機(jī)的熱敏度為0.01℃。