什么是红外光学? 红外光学导论。

作者: Yana Abiso——产品工程师

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1. 什么是红外光学?

红外光谱
图 1:红外光学波长光谱

红外光学器件用于收集、聚焦或准直近红外 (NIR)、短波红外 (SWIR)、中波红外 (MWIR) 或长波红外 (LWIR) 光谱中的光。 红外光谱落在 700 – 16000nm 波长范围内,每个光谱范围如下:

  • 近红外 700 – 900nm
  • 短波红外 900 – 2300nm
  • 中波红外 3000 – 5000nm
  • 长波红外 8000 – 14000nm

2. 短波红外(SWIR)

成像光学器件 红外光学器件 红外光学器件 短波红外镜头 SWIR 镜头
Wavelength Opto-Electronic 短波镜头

SWIR 系统覆盖从 0.9μm-3μm 的光谱范围。 光学材料需要透过可见光和红外光,需要太阳、月亮、星星等光源。

它被用于许多应用,例如用于分类的光谱学、水分检测、热成像(用于玻璃和塑料物体)和成像——夜视和成像激光。

3. 中波红外 (MWIR)

成像光学器件 红外光学器件 红外光学器件 中波红外镜头 MWIR 镜头
Wavelength Opto-Electronic 中波镜头

MWIR 系统覆盖 3-5μm 光谱范围,通常是冷却系统。 因此,与大多数目标范围的长波红外系统相比,它受湿度的影响较小,适用于沿海监视、船舶交通监视或港口保护等应用。

由于主要目标是获得高质量的图像,而不是专注于温度测量和流动性。

下图表明,与 LWIR 图像相比,MWIR 图像更清晰并且具有更高的热对比度。

什么是红外光学中波红外图
图 2:MWIR 图像
什么是红外光学LWIR图
图 3:长波红外图像

4. 长波红外 (LWIR)

成像光学器件 红外光学器件 红外光学器件 长波红外镜头 长波红外镜头
Wavelength Opto-Electronic 长波镜头
质量温度筛选应用
图 4:质量温度筛查

LWIR 系统在 7-14μm 的光谱范围内运行。 然而,大多数 LWIR 相机有效覆盖 8-12μm。

长波红外系统俗称“热成像”,因为它可以检测物体发出的热信号,并且不需要照明即可形成图像。

是的,我们的 LWIR 镜头系列在 COVID-19 大流行期间也发挥了重要作用。

LWIR 系统的热成像功能使其成为越来越多的安全、监控、科学和工业应用中极具吸引力的关键组件。

什么是红外光学? 热成像
图 5:热成像监控
什么是红外光学? 热成像 2
图 6:热成像监控
什么是红外光学? 热成像 3
图 7:热成像监控

5. 功能分类

什么是红外光学? 红外光学简介。 1
Wavelength Opto-Electronic 红外镜头

通常,红外光学按波长光谱分为SWIR、MWIR和LWIR。 但是,它也被细分为如何根据其功能进行设计,例如:

  • 无热透镜
    如果光学系统的关键性能参数(例如调制传递函数、后焦距和有效焦距等)在工作温度范围内没有明显变化,则该光学系统是无热化的。
  • 变焦镜头
    连续覆盖窄视场和宽视场的光学系统。
  • 双视场镜头
    一种光学系统,可提供从宽视野到窄视野的独特切换选项。
  • 双频镜头
    涵盖 MWIR 和 LWIR 光谱范围的光学系统。

6. 红外光学规格

型号波长(微米)焦距(mm)焦点类型F#体重(毫米)安装探测器
红外-SW2003.0-21 *新*0.9 - 1.7200用户手册3.012.5C型1280 x 1024, 10 微米
红外-SW122.5-151.5 - 5.012用户手册2.533.1刺刀640 x 512, 15 微米
红外-SW252.5-151.5 - 5.025用户手册2.533.1刺刀640 x 512, 15 微米
红外-SW253.0-171.5 - 5.025用户手册3.033.1刺刀1024 x 768, 17 微米
红外-SW502.5-151.5 - 5.050用户手册2.533.1刺刀640 x 512, 15 微米
红外-SW502.3-171.5 - 5.050用户手册2.339.4刺刀1024 x 768, 17 微米
红外-SW1002.3-171.5 - 5.0100用户手册2.333.1刺刀1024 x 768, 17 微米
红外-SW1002.5-151.5 - 5.0100用户手册2.533.1刺刀640 x 512, 15 微米
红外-SW2002.5-151.5 - 5.0200用户手册2.533.1刺刀640 x 512, 15 微米
红外-SW252.5-300.9 - 2.525用户手册2.513.5C口320 x 256, 30 微米
红外-SW352.0-300.9 - 2.535用户手册2.013.4C口320 x 256, 30 微米
红外-SW502.0-300.9 - 2.550用户手册2.013.5C口320 x 256, 30 微米
红外-SW752.0-300.9 - 2.575用户手册2.013.5C口320 x 256, 30 微米
红外-SW1002.0-300.9 - 2.5100用户手册2.013.5C口320 x 256, 30 微米
红外-SW2002.0-300.9 - 2.5200用户手册2.013.5C口320 x 256, 30 微米

为了让您获得更好的可视化效果,我们提供了我们的 SWIR 镜头表及其规格,如上所示。 以下是行业中常用的一些红外光学规格:

  • 焦距
  • F#
  • 频谱范围
  • 视场 (HFOV / VFOV)
  • BWD
  • 探测器尺寸——参考分辨率
  • 无热(工作温度)
  • 冷却或未冷却,如果冷却,则要求
    • 冷盾位置
    • 冷盾高度
  • 镜头性能指标
    • MTF
    • 失真
    • 相对照度
  • 焦点类型
  • 安装
  • 密封

请记住,在选择配对的镜头之前,您需要了解红外探测器或传感器的规格。

7. 什么是红外探测器或传感器?

红外检测器/传感器是辐射能的换能器,将红外波段的辐射能转换为可测量的形式。

有许多探测器材料的响应曲线符合上述红外光谱。

让我们来看看你可能熟悉的它的分辨率和像素大小:

  •     VGA(视频图形阵列)– 640 x 480
  •     QVGA(四分之一视频图形阵列)– 320 x 240
  •     XGA(扩展图形阵列)– 1024 x 768
  •     HD(高清晰度)– 1280 x 1024
  •     趋势是从 30um 到 12um 像素尺寸越来越小

红外检测器分为与波长无关的热型和与波长相关的量子型。

7.1 热/非量子类型

热/非量子类型是根据影响辐射改变温度的探测器/传感器。

温度变化会在热电堆中产生电压变化,并在辐射热计中产生电阻变化,然后可以测量并与入射辐射量相关联。

这包括热电偶、热电堆、测辐射热计和热释电探测器。 热探测器最吸引人的特性之一是对所有波长的响应相同。

这有助于确保必须在宽温度范围内运行的系统的稳定性。 另一个重要因素是热探测器不需要冷却。 

最常见的热/非量子型探测器是 VOX 微测辐射热计。

7.2 量子型

量子类型是一种检测器/传感器,它基于固有光电效应运行并直接与撞击光子相互作用。

这些材料通过吸收光子来响应红外辐射,这些光子将材料的电子提升到更高的能量状态,从而导致电导率、电压或电流发生变化。

需要冷却到低温以提高红外检测效率/灵敏度。 冷却方法包括斯特林循环发动机、液氮和热电冷却。

冷却式红外热像仪对场景温度的微小差异最为敏感。 

量子探测器材料包括 – InSb、InGaAs、PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)

8。 结论

总之,红外光学应用用于从 700 – 16000nm 波长的 NIR 到 LWIR 光谱。 它们还按功能分类,例如非热镜头、变焦镜头、双 FOV 镜头或双波段镜头。 现在您了解了红外光学及其检测器类型的基础知识,为什么不查看我们的全系列产品呢? 红外镜头?

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