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紅外熱成像儀原理

更新時間:2014-10-29        閱讀:2533

 紅外輻射是指波長在0.75um至1000um,介于可見光波段與微波波段之間的電磁輻射。紅外輻射的存在是由天文學(xué)家赫胥爾在1800年進行棱鏡試驗時發(fā)現(xiàn)。紅外輻射具有以下特點及應(yīng)用:  

  (1)所有溫度在熱力學(xué)零度以上的物體都自身發(fā)射電磁輻射,而一般自然界物體的溫度所對應(yīng)的輻射峰值都在紅外波段。因此,利用紅外熱像觀察物體無需外界光源,相比可見光具有更好的穿透煙霧的能力。紅外熱像是對可見光圖像的重要補充手段,廣泛用于紅外制導(dǎo)、紅外夜視、安防監(jiān)控和視覺增強等領(lǐng)域。  

  (2)根據(jù)普朗克定律,物體的紅外輻射強度與其熱力學(xué)溫度直接相關(guān)。通過檢測物體的紅外輻射可以進行非接觸測溫,具有響應(yīng)快、距離遠、測溫范圍寬、對被測目標(biāo)無干擾等優(yōu)勢。因此,紅外測溫特別是紅外熱像測溫在預(yù)防性檢測、制程控制和品質(zhì)檢測等方面具有廣泛應(yīng)用。  

  (3)熱是物體中分子、原子運動的宏觀表現(xiàn),溫度是度量其運動劇烈程度的基本物理量之一。各種物理、化學(xué)現(xiàn)象中,往往都伴隨熱交換及溫度變化。分子化學(xué)鍵的振動、轉(zhuǎn)動能級對應(yīng)紅外輻射波段。因此,通過檢測物體對紅外輻射的發(fā)射與吸收,可用于分析物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和組分等。  

  (4)紅外輻射具有較強的熱效應(yīng),因此廣泛地用于紅外加熱等。  

  綜上所述,紅外輻射在我們身邊無處不在。而對于紅外輻射的檢測及利用,更是滲透到現(xiàn)代軍事、工業(yè)、生活的各個方面。由于人眼對于紅外輻射沒有響應(yīng),因此對于紅外輻射的感知和檢測必須利用專門的紅外探測器。紅外輻射波段對應(yīng)的能量在0.1eV-1.0eV之間,所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學(xué)效應(yīng)都可以用于紅外檢測。在發(fā)現(xiàn)紅外輻射后至今的幾百年內(nèi),人們研制了各種各樣的紅外探測器。  

紅外熱成像儀原理

  非制冷紅外焦平面探測器由許多MEMS微橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成,每個像元對特定入射角的熱輻射進行測量,其基本原理如圖4所示,a):紅外輻射被像元中的紅外吸收層吸收后引起溫度變化,進而使非晶硅熱敏電阻的阻值變化;b):非晶硅熱敏電阻通過MEMS絕熱微橋支撐在硅襯底上方,并通過支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的COMS獨處電路相連;c):CMOS電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M行積分放大,經(jīng)采樣后得到紅外熱圖像中單個像元的灰度值。

  為了提高探測器的響應(yīng)率和靈敏度,要求探測器像元微橋具有良好的熱絕緣性,同時為保證紅外成像的幀頻,需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時間常數(shù),因此MEMS像元一般設(shè)計成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。利用細長的微懸臂梁支撐以提高絕熱性能,熱敏材料制作在橋面上,橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量。在襯底制作反射層,與橋面之間形成諧振腔,提高紅外吸收效率。像元微橋通過懸臂梁的兩端與襯底內(nèi)的CMOS讀出電路連接。所以,非制冷紅外焦平面探測器是CMOS-MEMS單體集成的大陣列器件。

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