作者： 时间：2021-11-26
红外线，“infrared”的前缀“infra”的意思是“在…以下”，因此，红外线的定义是指超出或低于可见光谱红端的区域。红外区位于电磁波谱的可见光区和微波区之间，因为加热的物体会辐射红外线能量，所以它通常被称为光谱的热区。自然界中的所有物体都会在红外线中辐射一些能量，即使是室温下的物体和冰等冷冻物体也是如此。
物体的温度越高，所有波长的光谱辐射能量或发射率就越高，发射的主要或峰值波长越短。室温下物体的峰值发射发生在10 µm波长。太阳的等效温度为5900 K，峰值波长为0.53 µm（绿光），能发射大量的能量，从紫外线到远红外线区域之外。
图1 红外光谱范围
大部分红外发射光谱无法用于探测系统，因为辐射会被大气中的水或二氧化碳吸收。长波红外(long wavelength infrared，LWIR)在红外线的定义上，波段的范围大约为8-14 µm，在9-12 µm波段上的透射率接近100%。长波长红外LWIR波段为大多数物体提供了很好的能见度。中波红外（medium wavelength infrared，MWIR 或 MIR）在红外线的定义上，波段（3.3-5.0 µm）接近100% 透射率，并具有更低的环境和背景噪声的额外优势。可见光和短波长红外(visible and short wavelength infrared，SWIR)或近红外(near infrared，NIR)在0.35-2.5 µm在红外线的定义上，波段范围内对应于大气透射率高和太阳光照峰值的波段，红外探测器在这个近红外波段中有较好的清晰度和分辨率。但是在低温300K的环境下，如果没有外部的光照条件，成像质量会较差或无法成像。
在短波红外SWIR技术上，短波红外探测器在功能上通常是长波红外LWIR和中波红外MWIR成像器的补充。短波红外SWIR探测器是一种光电探测器，就像冷却的长波红外LWIR或中波红外MWIR探测器一样。与长波红外LWIR或中波红外MWIR成像不同，短波红外SWIR成像主要使用反射光，所以成像原理上与可见相机或人眼非常相似。因此，短波红外图像在分辨率和细节上与黑白可见光图像相当。
比利时Xenics红外相机在探测器材料的使用上，InGaAs材料为非低温冷却短波红外SWIR成像仪带来了突破。InGaAs的短波红外SWIR探测器通常使用利用半导体材料的Peltier效应的制冷片，且在900到1700 nm的短波红外SWIR具有灵敏度。比利时Xenics Xenics红外相机也提供有VisNIR相机，在400到1700 nm的波长范围内有较好的灵敏度。短波红外SWIR相机，也即是近红外相机，可用于昼夜（星光）成像，这是与其他技术相比上具有的优势。另外，Xenics Xenics红外相机在短近红外相机探测器与冷却探测器相比具有体积小、能够看到隐蔽的激光以及能够透过玻璃看到的特点。
图2 Xenics红外相机
中波红外MWIR区域在红外线的定义上，也被称为“热红外”，因为辐射是从物体本身发出的，不需要外部光源来对物体成像。两个主要因素决定了物体在热像仪上的亮度：物体的温度和辐射率随着物体变热，它会辐射出更多的能量，并且在热成像系统中显得更亮。与短波红外SWIR波段相比，中波红外MWIR波段在大气吸收中引起的散射要少得多，因此对这些较长波长敏感的传感器对烟雾、灰尘和雾气具有很高的宽容度。中波红外MWIR在红外线的定义上，波长范围主要是3 μm至5 μm的光，当主要的是为了获得高质量图像而不是在于温度测量和流动性的应用时，就会使用中红外相机。
图2 中红外相机成像
基于长波红外LWIR和中波红外MWIR（中波红外）传感器的红外摄像机已被军方用于检测人类活动。这些红外热像仪检测人类、车辆和动物的热辐射，因为它们会在不同的环境温度中脱颖而出。对于长波红外LWIR传感器，常见的区分是非制冷的长波红外LWIR微辐射热计传感器和更特别的冷却长波红外LWIR传感器。一个未冷却的长波红外LWIR微辐射热计是一个热传感器，基本上每个像素都有一个电阻。微辐射热计结构本身通常由非晶硅(a-Si)或氧化钒(Vox)制成。电阻值将根据入射辐射量而变化。由于入射红外辐射会加热电阻结构，因此电阻值会随入射辐射的量而变化，然后对每个像素的电阻变化进行测量和处理并创建图像。通常，微辐射热计结构对8到14 µm之间的波长进行了优化，以获得最佳灵敏度。
长波红外LWIR冷却探测器是一种光电探测器，通常使用半导体材料，例如HgCdTe（汞-镉-碲化物）或QWIP（量子阱红外光电探测器）材料。光电探测器使用半导体将光子转换为电子（电子-空穴对），常见的光电探测器是大多数手机相机中使用的硅CCD（用于可见光）。根据应用，长波红外LWIR光电探测器需要冷却到77K或更低的温度，例如使用斯特林冷却器。通常，长波红外LWIR相机，即长红外相机，它的检测器对7到12 µm之间的波长敏感。Xenics红外相机上在不同的红外波段上有着不同的特点。
