2022年，立秋已過(guò)，中秋將至，今年的寒意似已傳遍大街小巷，乃至各行業(yè)；光學(xué)行業(yè)也未能例外。翹首以盼原定于9月7-9日深圳國(guó)際會(huì)展中心每年一度的光學(xué)行業(yè)盛會(huì)（CIOE），也因疫情警報(bào)而延期，更增幾分市場(chǎng)寒意。
記得 2021 CIOE 上，筆者感受最深的是光學(xué)材料、光學(xué)設(shè)備、紅外、及正值風(fēng)口的車載、激光雷達(dá)等興起...感嘆光學(xué)行業(yè)技術(shù)發(fā)展更新迅速；得益于此，也因疫情下的特殊加成，近兩年紅外測(cè)溫設(shè)備得到更廣泛應(yīng)用；筆者也借此寫幾篇紅外測(cè)溫相關(guān)博文與大家學(xué)習(xí)、探討。
目前間接紅外測(cè)溫使用較多的是測(cè)溫槍、熱成像儀。本篇重點(diǎn)介紹熱像儀工作原理。
熱成像特點(diǎn)：
溫度場(chǎng)差異成像，真實(shí)拍照是RGB灰度成像。
紅外測(cè)溫屬于間接測(cè)量，被測(cè)物體通常與測(cè)試設(shè)備有一定空間距離，因此有必要介紹下大氣中的光譜吸收窗口：
光譜大氣吸收窗口：
1、1.4~1.9μm，近紅外窗口，透過(guò)率為60%~95%，其中1.55~1.75μm透過(guò)率較高。該波段在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段。比如，TM的5、7b波段等用以探測(cè)植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。
2、2.0~2.5μm，近紅外窗口，透過(guò)率約80%。
3、3.5~5.0μm，中紅外窗口，透過(guò)率為60%~70%。該波段物體的熱輻射較強(qiáng)。這一區(qū)間除了地面物體反射太陽(yáng)輻射外，地面物體自身也有長(zhǎng)波輻射。比如，NOVV衛(wèi)星的AVHRR遙感器用3.55~3.93μm探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。
4、8.0~14.0μm，熱紅外窗口，透過(guò)率約80%。主要來(lái)自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測(cè)量探測(cè)目標(biāo)的地物溫度。
5、1.0~1.8mm，微波窗口，透過(guò)率約35%~40%。
6、2.0~5.0mm，微波窗口，透過(guò)率約50%~70%。
7、8.0~1000.0mm，微波窗口，透過(guò)率約100%。由于微波具有穿云透霧的特性，因此具有全天候、全天時(shí)的工作特點(diǎn)。而且由前面的被動(dòng)遙感波段過(guò)渡到微波的主動(dòng)遙感波段。
圖1
圖2（大氣吸收譜線圖）
黑體輻射與測(cè)溫原理：
自然界中，絕對(duì)零度（-273.15℃），此時(shí)物體不會(huì)向外界輻射電磁波，當(dāng)物體高于此溫度時(shí)，會(huì)不斷向外輻射電磁波。理論上，只要能測(cè)量出不同溫度條件下的色溫曲線，就可確定被測(cè)物體的實(shí)際溫度。
絕對(duì)溫度與攝氏度換算：
T=t+273.15
下圖是20°C到1500°C的黑體輻射色溫曲線。
圖3
物體在不同溫度下輻射的紅外能量的峰值波長(zhǎng)是不同的，溫度越高，輻射峰值波長(zhǎng)越短，因此，當(dāng)物體加熱到1200°C以上，我們會(huì)逐步看到物體發(fā)出可見(jiàn)光，如再升高溫度，如加熱到1500°C或更高，我們便看到物體顏色逐步由紅色變成黃色。
因此，我們小時(shí)候常用火爐加熱鐵棒，當(dāng)加熱時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，會(huì)看到亮的發(fā)黃的鐵棒
黑體輻射測(cè)溫原理中，還有幾點(diǎn)需了解：
第一點(diǎn)：普朗克光譜輻出度隨波長(zhǎng)λ的分布規(guī)律
以上公式，可得出：Mb為黑體的輻出度，不同的T（黑體溫度），在λ1到λ2之間光譜輻射強(qiáng)度曲線是唯一的。因此測(cè)量出強(qiáng)度曲線后，即可求出T，在根據(jù)T-273.15得到攝氏溫度值。
第二點(diǎn)：維恩位移定律
從普朗克曲線中可看到黑體在不同溫度下輻射存在一個(gè)峰值波長(zhǎng)，維恩位移定理指出，黑體輻射的峰值波長(zhǎng)與溫度的乘積為一常數(shù)：
為什么選擇紅外波段測(cè)溫：
圖4
圖5
結(jié)合以上兩張圖片數(shù)據(jù)，在更大場(chǎng)景下，物體并沒(méi)有輻射出可見(jiàn)光，因此，我們?nèi)粘Ｊ褂玫目梢?jiàn)光CCD/COMS作為傳感器的拍攝設(shè)備均不能用于溫度測(cè)量。結(jié)合光譜大氣吸收窗口，目前在紅外成像領(lǐng)域研究較多的是采用中波紅外（3μ m～5μ m）和長(zhǎng)波紅外（8μ m～14μ m）兩個(gè)波段進(jìn)行探測(cè) 。
紅外測(cè)溫三種方法：
自然界中物體都不是絕對(duì)黑體，所有輻射測(cè)溫方法都是將物體看做等效黑體近似求解。所以，儀器所測(cè)量的溫度不是物體的真實(shí)溫度，屬于表面溫度。測(cè)試溫度方法有三：
1、全波段測(cè)溫法
2、亮度測(cè)溫度法
3、雙波段比色法
全波段測(cè)溫法：
根據(jù)全波段輻射測(cè)溫是基于斯特芬·玻爾茲曼定律。簡(jiǎn)單的講就是對(duì)圖4中的色溫曲線進(jìn)行積分，得到被測(cè)點(diǎn)的成像灰度值。由于紅外熱像儀得到的是輻射對(duì)應(yīng)的灰度值，圖像的灰度值與溫度的高低并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，僅能定性的顯示物體的溫度分布。因?yàn)槲矬w紅外輻射還受物體表面發(fā)射率、環(huán)境和自身輻射的影響。所以，基于紅外成像儀的輻射測(cè)溫需要涉及輻射定標(biāo)。定標(biāo)技術(shù)是使用溫度特定已知的標(biāo)準(zhǔn)輻射源（一般為高發(fā)射率、高精度的近似黑體），用紅外成像系統(tǒng)對(duì)不同溫度的目標(biāo)黑體進(jìn)行熱圖像采集，根據(jù)熱圖像灰度值與已知溫度的標(biāo)準(zhǔn)輻射源擬合出溫度與灰度值的關(guān)系曲線。在實(shí)際測(cè)溫中，根據(jù)擬合的關(guān)系曲線，由熱圖像灰度值計(jì)算絕對(duì)溫度值，獲得溫度二維分布圖像。
全溫測(cè)試法看似比較全面，但是精度并不高，如果類似光譜照度計(jì)這類方案加以改進(jìn)，整體精度可能會(huì)達(dá)到更高的水平。
亮度測(cè)試法（單波長(zhǎng)測(cè)試法）：
根據(jù)維恩波長(zhǎng)偏移定理：
物體輻射曲線的峰值波長(zhǎng)λm 跟T是一一對(duì)應(yīng)的參量，因此只需要測(cè)試出峰值波長(zhǎng)即可測(cè)量出輻射源的表面溫度。
雙波段比色法：
雙波段比色法最早應(yīng)用于雙波比色測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量。具體描述如下公式，兩個(gè)窄帶波段的輻射輸出度之比是與溫度相關(guān)的線性函數(shù)。因?yàn)閮烧咧g具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可通過(guò)兩個(gè)窄帶波段的輻射之比反演出溫度：
圖6
雙波段比色法屬于相對(duì)測(cè)量方法，因此受到的外界干擾較小，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。測(cè)試出不同的溫度下的標(biāo)準(zhǔn)黑體R（T）值曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線。在測(cè)量被測(cè)物體的值R物（T），與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，得出被測(cè)物體的間接測(cè)量溫度。
主要用于醫(yī)療成像、夜視、過(guò)程控制、監(jiān)察及安全方面。
紅外熱成像系統(tǒng)：
圖7
上圖為實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，紅外鏡頭成像，經(jīng)過(guò)不同的濾光片后成像在紅外熱像儀探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理得出R（T）值，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的表面溫度。
紅外探測(cè)器：
圖8
UL03191紅外探測(cè)器性能、參數(shù)如下：
焦平面陣列
材料：非晶電阻硅熱時(shí)間常數(shù)<7毫秒
陣列格式：384 × 288像素間距25微米
溫度范圍：-40℃至+ 85℃
光譜響應(yīng)：8 - 14微米
典型的信號(hào)響應(yīng)：7毫伏/K
低功耗<150毫瓦
友好的用戶界面
單一的模擬視頻輸出
整合TEC的溫度的穩(wěn)定性
重量≤25克
外形尺寸（毫米）：32 × 23.5 × 7.4引腳輸出排除。
主要用于醫(yī)療成像、夜視、過(guò)程控制、監(jiān)察及安全方面。
CMOS 像源：
COMS的像源也具備不同波長(zhǎng)的探測(cè)功能，例如
圖9
圖10
圖9、圖10 為RGB 可見(jiàn)光CMOS的像源示意圖，同樣，在紅外波段工作的CMOS，也存在不同波長(zhǎng)的像源，通過(guò)計(jì)算不同像源的灰度值（強(qiáng)度）后，得出被測(cè)物體表面點(diǎn)R(T)值，從而得到被測(cè)物體的表面溫度。
圖11
圓圈區(qū)域?yàn)槲锓近c(diǎn)成像區(qū)域，通過(guò)讀取M1，M2后，即可通過(guò)計(jì)算求出R(T),從而得到物方表面點(diǎn)的測(cè)量溫度值。
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