德國(guó)海曼heimann紅外熱成像傳感器工作原理

下文介紹德國(guó)海曼heimann公司紅外熱成像傳感器工作原理，盡管非接觸式紅外溫度傳感和海曼紅外熱成像的基本原理相同，但我們還想提供一些額外的熱成像基礎(chǔ)知識(shí)。這包括對(duì)最重要基礎(chǔ)知識(shí)的簡(jiǎn)要概述，這些基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于紅外熱成像與普通可見(jiàn)光相機(jī)基本相同。此外，我們還提供了有關(guān)空間溫度測(cè)量應(yīng)考慮的最重要特征的有用提示。

紅外光學(xué)基礎(chǔ)

紅外 (IR) 光學(xué)系統(tǒng)可以用適用于可見(jiàn)光譜的相同參數(shù)來(lái)描述。除了波長(zhǎng)之外，主要區(qū)別在于透鏡的材料。對(duì)于紅外光學(xué)元件，通常使用鍺 (Ge)、硅 (Si)、硫化鋅或硫族化物玻璃，因?yàn)檫@些材料在相關(guān)紅外光譜中表現(xiàn)出良好的透明度，而普通玻璃在熱紅外光譜中不透明。最常見(jiàn)的是鍺和硅，鍺的透明度更好，但價(jià)格更高。特殊的光學(xué)鍍膜可以進(jìn)一步提高透明度，當(dāng)然這也與較高的價(jià)格有關(guān)。

為避免在此處涉及不必要的細(xì)節(jié)，您可能需要查閱其他信息來(lái)源，例如也提供 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的維基百科。在這里，我們將重點(diǎn)關(guān)注最重要的部分。

f值與光學(xué)性能的關(guān)系

描述光學(xué)系統(tǒng)的兩個(gè)主要參數(shù)是焦距和 f 值。焦距 f 與焦平面區(qū)域 (FPA) 的尺寸相結(jié)合，決定了相機(jī)的視場(chǎng) (FOV)。f 數(shù) (N) 是焦距與鏡頭孔徑之比，本質(zhì)上是入射光瞳直徑 D。由于定義為 N=f/D，因此入射孔徑越大，f 數(shù)越小.

通常，較小的 f 值對(duì)應(yīng)于可以到達(dá) FPA 敏感矩陣的更多輻射。更多的輻射將導(dǎo)致更好的信噪比 (SNR)。由于低 f 值需要更大直徑的鏡頭系統(tǒng)，因此還需要更多的材料和更嚴(yán)格的制造公差。因此，只有以更高的價(jià)格才能獲得更好的性能。

此外，光圈值對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍(溫度測(cè)量范圍)也有影響。光圈越大，f 值越小，在給定物體溫度下，IR 敏感像素檢測(cè)到的輻射就越多。這將降低可檢測(cè)到的最高溫度，因?yàn)槲覀兊?FPA 中的信號(hào)處理具有固定增益，無(wú)法針對(duì)不同的光學(xué)器件進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換，這意味著在特定的目標(biāo)輻射水平下，會(huì)產(chǎn)生最大的數(shù)字輸出值。如果傳感器由于較小的 f 值而接收到較高的輻射，輸出仍將是最大數(shù)字值，因此測(cè)量范圍被截?cái)嗖⑶覀鞲衅髟谶@些像素位置被稱為飽和。

為了在不飽和的情況下擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，可以使用濾光片來(lái)衰減部分紅外光譜，以減少傳感器處的輻射量。使用小 f 值和精心挑選的濾光片可以在較低的物體溫度下獲得良好的 SNR，并增加測(cè)量范圍。

空間溫度測(cè)量

在我們研究溫度測(cè)量之前，我們必須了解光學(xué)系統(tǒng)空間分辨率的概念。

空間分辨率

如果您想拍攝場(chǎng)景或物體的熱圖像，決定空間分辨率的三個(gè)主要參數(shù)是傳感器陣列的像素間距以及 FOV 和傳感器與物體之間距離的組合。為了更好地理解這種關(guān)系，請(qǐng)參考下圖：

想象一下，F(xiàn)PA 通過(guò)透鏡光學(xué)裝置投射到遠(yuǎn)處的屏幕上。FOV 根據(jù)到傳感器的距離確定 FPA 的投影尺寸。對(duì)于相同的距離(A 和 B)和 FPA 的相同像素間距，與小 FOV 相比，大 FOV 將產(chǎn)生更大的圖像，并且單個(gè)像素也更大。因此，對(duì)于更遠(yuǎn)的距離，小 FOV 光學(xué)器件將具有更高的空間分辨率，但當(dāng)然它們也會(huì)顯示更小的場(chǎng)景部分。如果您想獲得具有大 FOV 的相同空間分辨率，您有兩種選擇。一是縮短測(cè)量距離(從B到A)。另一種選擇是增加像素?cái)?shù)。對(duì)于相同的 FPA 尺寸，這意味著減小像素間距。

確定空間溫度

關(guān)于空間溫度測(cè)量，必須牢記上述關(guān)系。

要確定熱圖像中特定特征或細(xì)節(jié)的溫度，該特征或細(xì)節(jié)必須至少照亮一個(gè)完整的像素。如果不是這種情況，像素將檢測(cè)到物體和相鄰背景的混合溫度。下圖將有助于使事情變得清晰：

有兩個(gè)像素，其中狗的填充因子

與顯示的背景。對(duì)于中間的 100% 像素，攝像頭將檢測(cè)狗特定部位的溫度。但是對(duì)于狗頭部的 50% 填充像素，相機(jī)將測(cè)量狗頭部溫度和背景的疊加。

例如：如果狗的頭部溫度為 30°C，背景為 20°C，則攝像機(jī)將檢測(cè)到 25°C 作為狗的頭部溫度。

尤其是對(duì)于小對(duì)象和特征，會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題。即使物體大于一個(gè)像素，物體的位置也會(huì)對(duì)傳感器的溫度讀數(shù)產(chǎn)生很大影響。您可以從下圖中看到這一點(diǎn)：

小物體的移動(dòng)或移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致溫度讀數(shù)發(fā)生顯著變化，并且無(wú)法可靠地檢測(cè)到。因此，為了確定物體或特征的正確溫度，應(yīng)可靠檢測(cè)到的最小特征應(yīng)照射一個(gè)以上的像素。因此，對(duì)于大目標(biāo)距離或小物體尺寸，您應(yīng)該考慮更小的 FOV 或具有更多像素的傳感器。

如何確定相機(jī)的 FOV

射線定律可以用來(lái)粗略地確定相機(jī)的FOV：

P 等于像素間距，n 是相應(yīng)方向上的元素?cái)?shù)。這意味著如果兩個(gè)方向上的元素?cái)?shù)量不相等，則 FOV 可以在 x 和 y 方向上變化。

舉個(gè)例子：一個(gè)80x64的熱電堆陣列，像素間距為90μm。結(jié)合 17mm 焦距光學(xué)器件，F(xiàn)OV 將產(chǎn)生 24° x 20°：

請(qǐng)注意，此公式不適用于寬視場(chǎng)光學(xué)器件，因?yàn)槲纯紤]系統(tǒng)的像差。要確定圖像是否足夠大以實(shí)現(xiàn) 100% 的填充因子，也可以使用射線定律。圖像大小 I可以通過(guò)以下方式輕松計(jì)算：

其中O 是物體大小，f 是焦距，d 是物體的距離。圖像大小除以像素間距得到照亮的像素?cái)?shù)。例如：肩寬為 50 厘米的人與 HTPA32x32 L5.0 的距離為 2 米。因此，f = 0.005 m，O = 0.5m 和d = 2m。這導(dǎo)致圖像大小為I = 1.25e-3 m。對(duì)于 90 μm 的像素間距，我們總共得到 13.9 個(gè)像素點(diǎn)亮。

深圳市龍享科技是德國(guó)海曼公司中國(guó)區(qū)代理。海曼Heimann是一家生產(chǎn)高品質(zhì)紅外熱電堆、熱 電堆模塊（包括先進(jìn)的信號(hào)處理）和熱電堆陣列的知名制造商，用于遠(yuǎn)程溫度測(cè)量和氣體檢測(cè)。憑借強(qiáng) 大的創(chuàng)新能力，海曼傳感器是低像素紅外成像的世界市場(chǎng)佼佼者。我們的熱電堆陣列還保持著*大空間分辨率熱電堆陣列的世界記錄，分辨率為120x84像素。除了熱電堆，產(chǎn)品組合還包括熱釋電傳感器、紅外光源和真空傳感器。海曼傳感器每年制造超過(guò)1500萬(wàn)個(gè)傳感器，而且這種趨勢(shì)正在上升。海曼是一家通過(guò)DIN EN ISO 9001認(rèn)證的公司。除了生產(chǎn)和銷(xiāo)售的產(chǎn)品外，海曼heimann還非常重視研發(fā)新的、更 好、更小、更快的紅外熱電堆產(chǎn)品和氣體濃度測(cè)量設(shè)備。

德國(guó)海曼公司heimann熱成像熱電堆陣列傳感器型號(hào)大全：

HTPA8x8dR1L0.8/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA8x8dR1L2.1/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA8x8dL7.0/1.2HiC[Si]

HTPA16x4R1L2.1 EA

HTPA16x4R1L3.6 EA

HTPA16x4R1L5.5 EA

HTPA16x16dR2L1.0/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA16x16dR2L2.1/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA16x16dR2L5.0/0.85F7.7 HiC

HTPA16x16dR2L1.6/0.8F5.0HiC[Si]

Single Optics單個(gè)光學(xué)器件

HTPA32x32dR2L1.6/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA32x32dR2L1.9/0.8 HiC[Ch]

HTPA32x32dR2L2.1/0.8F5.0 HiC[Si]

HTPA32x32dR2L5.0/0.85F7.7e HiC

HTPA32x32dR2L2.85/0.8HiS

HTPA32x32dR2L1.8/0.7 HiC

Dual Optics 雙光學(xué)系統(tǒng)(雙通道)

HTPA32x32dR2L4.0/0.7F7.7 HiC

HTPA60x40dL1.9/0.8TUHiC[Ch]

HTPA60x40dL4.0/0.8TUHiC[Ch]

HTPA84x60dL3.1/0.8TUHiC[Ch]

HTPA84x60dL7.0/0.8F7.7

HTPA80x64dR2L3.9/0.8 HiC

HTPA80x64dR2L4.8/0.8 HiC

HTPA80x64dR2L10/0.7F7.7 HiC

HTPA80x64dR2L10.5/0.95F7.7 HiC

HTPA80x64dR2L21.5/0.9 HiC[Ge/Si]

HTPA80x64dR2L33/1.05 HiC

HTPA120x84dL3.9/0.8

HTPA120x84dL4.8/0.8

HTPA120x84dL10/0.7F7.7

HTPA120x84dL33/1.05