红外热成像-转：热红外成像光学系统之“冷”

  热成像仪是一种红外辐射设备，通过光电转换和电信号处理将物理物体转换为视频图像。热红外成像系统分为制冷型或非制冷。

  与普通制冷红外热像仪相比，非制冷红外热像仪在使用寿命、体积、价格和功耗等方面具有更多优势，应用范围更广。

  灵敏度、准确性和误差：制冷红外热像仪工作时，制冷机首先降低自身温度，使其在检测其他物体时具有更高的灵敏度、更高的精度、更小的误差和更宽的检测温度范围。非致冷红外热像仪在这些方面都比较差，尤其是非致冷红外焦平面阵列的非均匀性对测量误差有很大影响。

  冷却式热像仪的优点之一是，它可以轻松地执行光谱过滤功能，从而可以显示非冷却式热像仪无法捕获和完成测量任务的细节。

  热成像红外系统中由许多专业名词与冷有关红外热成像，冷光阑、冷屏、冷反射等，刚接触红外光学系统时会产生疑惑，现对这些名词做一些解释。通过降低传感器的温度，热感应噪声可以降低到成像场景信号的噪声级以下，这是非常必要的。

  追求高灵敏度的红外相机，特别是在短波红外（SWIR）区域使用的相机。在影响红外相机科研成像的关键参数上，暗电流是其中之一，因为相机内的InGaAs传感器的暗电流户随着温度上升而上升，大概每增加10C暗电流就会增加三倍，暗电流的增加会让相机传感器变得不灵敏，在探测器进行冷却是比较好的解决方案，以获得更好的灵敏度和动态范围。

  热成像系统用于观察热源，为获得最大的系统灵敏度，大多数热成像系统使用低温制冷的探测器，探测器通常工作在77 K的液氮温度或更低温度下。如果这些探测器即焦平面阵列(FPAs)可以探测所观察景物以外的热能量，则灵敏度会降低。另外，如果非景物能量的幅度随视场的变化而变化，则会产生不期望的图像变形。为使系统达到最大灵敏度并避免图像变形，需要对红外FPA进行低温冷却，并将其安装在绝热的“瓶子”即杜瓦瓶组件中。

  图1 杜瓦瓶组件剖视示意图

  冷指

  制冷型红外探测器，一般是被封装在真空杜瓦瓶内，在器件光敏面前放置了冷屏、冷滤光片，有时还需要对筒壁和光阑进行冷却，其作用都是尽量降低来自视场外的背景辐射。制冷型红外探测器，一般是被封装在真空杜瓦瓶内，在器件光敏面前放置了冷屏、冷滤光片，有时还需要对筒壁和光阑进行冷却，其作用都是尽量降低来自视场外的背景辐射。测器阵列是沿垂直于图面方向展开的线阵。杜瓦瓶是一个瓶壁为双层并抽真空的瓶子，入射窗必须透射红外辐射，冷指与FPA的末端相接触，以保持FPA处于低温状态。冷指自身是一根由铁或钢制造的高比热金属棒，它被线管缠绕包围，而液氮从线管中被泵过（或他类似操作)，如此循环，使FPA的末端得到冷却。

  冷阑（屏）

  在可见光系统中，探测器敏感于可见光，仪器内壁的涂黑以及适当的挡光措施可避免或减少来自图像之外的光线照射到探测器上，因此从探测器位置即使能观察到镜筒内壁也不会影响成像。红外探测器则敏感于热能，镜筒内壁以及镜筒内部元件辐射、反射或散射的任何来自成像目标之外的热辐射如果被探测器“看到”，都会降低图像的对比度，在某些情况下甚至造成图像异常。冷阑(或冷屏)的作用就是阻挡这些有害的辐射。

  冷阑效率

  如果光学系统的出瞳恰好位于冷阑位置，且大小相等或稍大于冷阑口径，则探测器只能看到成像光束和部分冷阑挡板，此时称系统具有100%的冷阑效率。否则，探测器能看到非成像光束，则具有低于100%的冷光阑效率。为了消除杂散光的干扰，制冷型红外系统应尽量提高其冷阑效率。

  为了提高冷屏的屏蔽效率红外热成像，可将冷屏作为孔径光阑（即出瞳），或者说使出瞳与冷屏重合。探测器中心对冷屏的张角应与F数(或数值孔径)匹配。另外，冷屏中心对探测器的张角应大于像方视场角，否则探测器不再是视场光阑。红外系统存在冷反射的问题，即被冷却的探测器在系统中经过各种表面的反射，还有可能成像在像面附件，影响了系统的成像质量，必要时也应该进行冷反射计算。

  如果直接将冷阑作为孔径光阑来设计红外光学系统，由于严重的非对称性会导致光学系统结构复杂、体积增大，仅适用于视场角很小的场合。大多数场合都采用二次成像法来实现100%的冷阑效率——将前置光学系统的孔径光阑再次成像于冷阑平面上。

  图2 二次成像光学系统

  冷反射

  冷反射是红外探测器看到由杜瓦瓶发出的，经红外光学系统的各透镜表面反射回来的自身冷像。目前常用的红外探测器(HgCdTe和 InSb)都工作在液氨级温度77K中，而系统和壳体都工作在室温300 K中，它们之间温差约为220K，红外探测器只对温度变化量有响应，也就是红外热像仪只探测和显示目标与背景的温差。由于低温腔与镜筒其他部分温度的明显差异，探测器除了接收到正常成像的景物辐射外，还通过红外光学系统中折射面的微弱反射，接收到本身及周围低温腔冷环境的影像，形成冷像，即冷反射。

  参考 张以谟. 应用光学, 北京：电子工业出版社，2015郁道银. 工程光学, 北京：机械工业出版社，2015

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