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红外科普:热像仪如何工作?

2022-01-14 09:12:05

事实上,热像仪(又名红外热像仪)所看到的远远超出了我们人眼所能看到的范围。通过这样做,它可以为我们提供 数十万英里外一颗恒星诞生的明确迹象,就算是功能强大的哈勃太空望远镜也无法探测到这样一个开创性的时刻。美国宇航局的低轨道太空望远镜或许能够为您提供远方美丽星云的壮观图像。然而,它不会给我们展示一颗即将在该星云中诞生的恒星。覆盖着星际尘埃的图像会掩盖这一具有纪念意义的事件,如果没有红外热像仪那我们就无法观测到这一事件了。 

在更近的地方,热像仪在全球范围内掀起了抗击新冠疫情的浪潮,这种可怕的病毒让我们的行动保持了严格的体温测量。毫无疑问,这些热像仪已经占据了中心位置。它可能无法直接检测到病原体的存在。但是没有任何设备能比红外热像仪更好地从安全距离检测发烧,这是病毒感染的主要症状。难怪如今它已成为商场和其他公共场所入口处的固定设备。 

因此,仔细了解热像仪的工作原理至关重要。通过获取更多知识,您将能够最大限度地利用热像仪,就像它颠覆了我们在地球上的生活一样。并且在很大程度上,当您想让事情顺利进行时,可以获得更高的生产力和效率。

原则第一

马上,您可能会对红外热像仪如何检测恒星的诞生感到困惑。但这只是冰山一角。红外天文学可以发现更多关于我们已知宇宙的信息,因为它超越了可见光。或者一双人的眼睛能看到什么。 

所以首先要知道红外光是不可见的。与我们每天看到的正常事物不同,我们不能用眼睛看到红外光。

1800 年发现红外辐射 (IR) 的英国天文学家威廉·赫歇尔爵士甚至不知道存在红外辐射,这绝非偶然。至少在他看到它的效果之前不会。使用艾萨克牛顿爵士熟悉的棱镜实验,威廉使用温度计测量太阳光产生的每种颜色的温度。他意识到随着颜色变成红色,热量会增加。终于,他撞到了比红色还炽热的“不可见光”。这就是发现红外线或热能的方式。 

请注意,红外能量和可见光是电磁波谱 (ES) 的组成部分,是电磁辐射的各种频率。图形形式: 

红外光、可见光和电磁波谱

图1 红外光、可见光和电磁波谱

因此,您必须意识到将普通相机和热像仪进行比较是徒劳的。普通相机,即您智能手机上的相机,使用可见光能量捕捉您周围的照片。人眼也是如此,人眼也能充分利用可见光能量进行观察。 

热像仪检测热量(而不是可见光)的存在。并从该输入通过数字或模拟输出形成视觉表示。因此,它只看到热能,而不是我们眼睛习惯的画面。 

请注意,地球上的一切都会散发出热能,即使是一块冰。物体越热,它发出的热能就越多。然后,热像仪有责任检测物体的特定热分布,也称为其热特征。并排放置的物体可能具有不同的热特征。然而,诸如火之类的极端高温会影响靠近它的物体的热特征。 

事实上,热像仪的工作就是描绘物体发出多少热能。虽然普通相机可以以令人惊叹的色彩为您提供周围物体的视觉表现,但它无法描绘所述物体的热能。另一方面,热像仪可以向您展示您周围物体的各种热能,但它无法为您提供周围环境的生动图片。 

红外热像仪比任何强大的望远镜都能更好地探测到新恒星的诞生,因为它可以跟踪外太空的能量排放。当新的恒星诞生时,它们会发出某种明确无误的红外光,暴露出它们的存在。虽然通常的天体望远镜无法看穿所有由尘埃和星云组成的星系云,但强大的红外望远镜却能探测到这种星系间能量的突然爆发。

热像仪内部:工作原理

知道什么是红外辐射是一回事,捕捉它是另一回事。我们必须明白,我们今天所知道的热像仪是一个漫长而曲折的过程,需要几十年才能完善的产物。一方面,我们今天的红外热像仪功能强大且用户友好。因此,与几十年前消防所使用的那些不同,它们不仅重量大,而且价格也很不利。 

第一件事。让我们在应得的地方给予信任。尽管是威廉·赫歇尔爵士让全世界意识到了红外辐射,但 在 1929 年发明了第一台红外热像仪的是匈牙利物理学家和发明家卡尔曼·蒂哈尼。在这方面,我们可以将蒂哈尼称为“制造我们看到了看不见的东西。”

由于红外热像仪旨在捕获其周围环境中的热能,因此其主要组件旨在处理红外辐射。输入单元尤其如此。我们谈论的是镜头和传感器,红外辐射必须通过的路径。 

热像仪内部

图2 热像仪内部

镜头

马上,想想热像仪的镜头,就像你的眼睑一样。如果您的眼皮不张开,您将无法看到周围的环境。没有一件事。就其本身而言,热像仪必须有一个镜头,允许 IR 及其各种频率通过。只有这样,传感器才能处理信号。 

这就是红外摄像头和标准摄像头(手机上的摄像头)分道扬镳的地方。与普通相机不同,红外相机的镜头不得由玻璃制成。请注意,玻璃会阻挡长波红外辐射 (LWIR),这是对热成像最有用的频率。 

因此,镜片通常由锗、硒化锌、氟化钙或蓝宝石制成。通过这样做,镜头可以适应 7 到 14 μm 的热辐射电磁光谱范围。由于这些材料中的大多数都具有高折射率,因此将抗反射涂层应用于镜片以纠正偏转至关重要。 

传感器

热像仪的核心是传感器。这是红外辐射通过热探测器的地方。这种检测器直接响应由于吸收入射红外光而发生的热量增加。 

然而,随着时间的推移,有两种最突出的方法可以完成这项工作。今天使用的更新和常见的技术是通过微测辐射热计,而另一种方法是使用热释电材料。详情如下。

微测辐射热计 

原则上,微测辐射热计是一种对辐射敏感的设备。第一个辐射热计是由 美国物理学家/天文学家发明家塞缪尔·皮尔庞特·兰利( Samuel Pierpont Langley) (1834 - 1906) 发明的。 

任何直接撞击微测辐射热计吸收元件的辐射都会导致温度相应升高。吸收的能量越大,温度就越高。可以使用电阻温度计直接测量这种温度变化。并作为电子信号读出以产生电子图像。本质上,微测辐射热计由一层薄薄的金属组成,然后通过热连接直接连接到(恒温)储热器。 

传感器阵列是数千个以网格排列的探测器像素的所在地。知道阵列中的每个像素都会对直接撞击它的红外辐射做出反应,从而产生电阻,然后可以将其转换为电子信号。来自每个像素的信号通过应用一个数学公式进行处理,该数学公式构成了捕获的对象温度的颜色图的基础。然后将随后的颜色图片发送到相机的处理单元进行显示。 

知道每个像素都有一个微测辐射热计,以获得更高的精度。因此,与智能电视或普通相机相比,热像仪的分辨率相当低。事实上,640x480 已经被认为是热像仪的高分辨率。 

基于微测辐射热计的热像仪也称为非制冷热像仪,因为不需要单独的冷却机制来操作微测辐射热计传感器。直接的优势是这些红外摄像机与传统的冷却型号相比更轻。 

热释电材料

这些是使用冷却传感器探测器的热像仪。一个光辉的例子是钽酸锂。该材料会产生微小的电压以直接响应温度的变化。从这个意义上说,它直接检测红外光子。它是光伏的,而不是使用光电导的基于非制冷微测辐射热计的热像仪。 

尽管它们提供了许多优点,例如远距离红外探测和更精确的温差结果,但冷却热像仪正逐渐被非冷却设备所取代。这主要是因为它们更昂贵的价格标签和笨重的性质。由于其成像传感器必须与低温冷却器集成,这些红外探测器按照当今的标准来说是很重的。更糟糕的是,低温冷却器中的运动部件随着时间的推移很容易磨损。 

图像处理器

获取红外辐射后,必须处理数据以创建在红外摄像机屏幕上看到的输出。数据处理包括预处理、特征提取和分类。请注意,过滤用于消除噪声或不需要的数据。在这里,算法或数学方程式用于生成可视图像。

展示

这是来自处理器的数据转换为电子信号的地方。请记住,所述数据取自每个像素(非冷却)。通过应用数学算法,可以生成颜色图。这代表了正在研究的物体的明显热特征。以前,非彩色或黑白表示在热成像显示器中很常见。 

顶级独特的热像仪应用

扫描宇宙

当谈到宇宙的广阔时,可见光可能会不足。事实上,宇宙中有数以亿计的物体,它们的温度太低而且非常微弱,因此无法通过可见光定位它们。然而,红外摄像机检测这些是没有问题的。由于天体(与它们一样大)会发射红外波,因此定位和监测它们会容易得多。 

一个典型的例子是土星的极光。美国宇航局能够监测这颗行星的光的运动,从而将其与地球的光(北极光)进行比较。 

更好的是,红外波具有比可见光更长的波长,可以通过星云和外层空间巨大的尘埃区域,获得更好的结果、更少的散射和更大的完整性。因此,我们可以更深入地了解我们已知宇宙的起源, 并发现恒星和其他星系的诞生。 

自动修理

想象一下,您和机械师找到您的汽车问题会变得多么容易。您无需猜测是保险丝盒还是汽车的电气系统。通过使用方便的红外摄像机,您可以查明问题的根源。请注意,过热是汽车故障的明显迹象。 

就像家庭检查员使用它来检测您生活空间中的能源漏洞一样,热像仪可用于处理汽车问题。在此过程中节省宝贵的时间和精力。 

动物保健

我们见证了热像仪如何有助于阻止新冠疫情的蔓延。此外,该技术应该被证明对于在大流行后时期重新开放设施至关重要。但热成像也有利于宠物。由于我们最喜欢的动物——从狗、猫到马——无法用语言表达它们的痛苦,因此能够确定它们是否患有健康问题是很重要的。即使你知道他们正在受苦,找到问题的核心也是另一个挑战。 

这就是热像仪再次发挥作用的地方。热量的存在一直是动物健康问题的一个很好的迹象。在发烧、感染和可能的炎症方面尤其如此。人类的发烧检测揭示了这一点。

通过部署红外技术,您可以检测宠物身上可能存在的热点区域。无论您的宠物是和您一起住在家里还是在农场里。您和您的兽医可以立即将问题归零。 

确实,您节省了精力和时间,更不用说您宝贵的财务了。最重要的是,您可以挽救生命。这就是您手中的热像仪的美妙之处。 

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