红外热成像原理

在许多场合，人们不仅需要知道物体表面的平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析、研究物体的结构，探测内部缺陷。红外成像就能将物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来。下面根据不同成像器件对热成像原理作简要介绍。

（1）红外摄像管

红外摄像管是将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。如光导摄像管、硅靶摄像管和热释电摄像管等。前二者是工作在可见光或近红外区的，而后者工作波段长。图1是热释电摄像管的结构简图。

图1　热释电摄像管结构简图
1-锗透镜;2-锗窗口;3-栅网;4-聚焦线圈;5-偏转线圈;6-电子束;7-阴极;
8-栅极;9-第一阳极;l0-第二阳极;ll-热释电耙;12-导电膜;13-斩光器

该摄像管靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆盖一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐射度成正比。因而，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大后，再送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。

这里需要提起注意的是：热释电材料只有在温度变化的过程中才产生热释电效应，温度一旦稳定，热释电就消失。所以，当对静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制。对于运动物体，可在无调制的情况下成像。

（2）红外变像管

红外变像管是直接把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。当物体的红外辐射通过物镜照射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料(蒸涂其上的半透明银氧铯)接收物体的红外辐射后，便发射与表面的辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比的光电子。光电阴极发射的光电子在电场的作用下飞向荧光屏。荧光屏上的荧光物质，受到高速电子的轰击便发出可见光。可见光辉度与轰击的电子密度的大小成比例，即与物体红外辐射的分布成比例。这样，体现物体各部位温度高低的红外图像便被转换成人眼很容易识别的可见光图像。

（3）固态图像变换器

固态图像变换器是由许多小单元(称为像元或像素)组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。又称电荷耦合摄像器件或CCD(Charge-Coupled Devices to Imaging)图像器件。普通CCD固态图像变换器用于红外测温还需要一套与之配套的光学系统;一方面需很好地滤除非红外波长的其他光波，另一方面需把被测物体的红外成像投射到CCD固态图像变换器的受光面上。一种新型集成红外电荷耦合器件是用于红外测温更为理想的固体成像器件，具有良好的发展、应用前景。