近红外(NIR)热像仪的研发与工业应用

  对近红外光谱 (0.9 至1.7μm)异常灵敏的近红外(NIR)热像仪在研究实验室、设计部门和工厂生产线上的应用日益增加。近红外热像仪具有许多优点，不但能够观察红外热像仪无法观测的现象（红外热像仪的灵敏谱段为中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)-波长范围分别为3.0-5μm 和8-12μm），还无需低温冷却，设备更轻盈、体积更小，价格更实惠。近红外热像仪的应用领域十分广泛。本文阐述了近红外热像仪尤其适用的几个
主要应用，但不仅限于本文所提到的应用范围。
 
图1近红外热像仪
  大多数近红外热像仪采用无需冷却的砷化镓铟(InGaAs)探测器，少数情况采用珀尔帖效应模块。这类热像仪无移动件，耐用性尤佳，能够在恶劣条件下全天候工作。近红外热像仪：操作及具体特点近红外热像仪和传统CCD 成像仪非常相似。图1 所示为近红外热像仪的简图以及阵列探测器。
  主要组件：
- 光学镜头:
光学镜头聚焦穿过探测器表面的光束，协助成像。对于近红外热像仪而言，经过0.9 – 1.7μm 整个谱段校正的光学组件最适用于优化图像质量。
- 滤波片:
  大多数近红外热像仪应用对光谱选择性均有要求，以获取最多有用信息。通常情况下，使用干涉滤波片实现这一功能，它仅允许近红外波段的特定光谱通过。某些特别应用可能还需要使用不同的滤波片，但不论是干涉滤波片或是其他类型的滤波片，艾克赛普 系统均能为应用准确提供适合的滤波片。
  探测器:
近红外热像仪的核心器件是探测器，探测器能够对红外辐射进行感知和测量。大多数近红外热像仪采用砷化镓铟(InGaAs)材料制造的探测器，这种探测器对于近红外光谱 (0.9 至1.7μm)异常灵敏。有时候也采用碲镉汞(MCT)探测器，它的灵敏波长范围为0.8μm 至2.μm。这部分谱段也称之为短波红外(SWIR)光谱。应当指出的是，市面还售有一种改良版砷化镓铟(InGaAs) 探测器， 即所谓的VisGaAs 探测器 - 拥有扩展至可见光的光谱灵敏度：它覆盖了0.4 –1.7μm 光谱范围。目前大多数探测器采用320x256 像素、间距30μm 的焦
平面阵列。
  电子模块:
电子组件用于处理探测器的信号，并执行诸如成像系统非一致性等的校正工作，它还可实现某些操作功能，比如通过外部触发方式对稍纵即逝的事件进行同步图像捕捉。
  连接:
目前，近红外热像仪的常用数据连接方式为千兆以太网。除通讯与控制外，也可使用其他类型的连接方式，比如采用外部源对热像仪控制或被控制的触发输入/输出连接方式，在需要同步解调以及在任何视频屏幕显示模拟视频输出的锁定连接方式。
 
  应用
  近红外与短波红外热像仪应用领域非常广泛，请恕本文无法逐一列举。其使用也不局限于本文所阐述的应用。其中有许多众所周知、与各种工业处理或研究领域结合的应用，是体现此类成像系统潜力的有力佐证。
  研发应用
  由于大多数材料具有在近红外和短波红外光谱能够识别的特征属性，研究实验室经常使用近红外和短波红外成像仪对材料的物理化学性质进行测定。
  透过涂层成像：红外反射照相
  红外反射照相是20世纪70年代开发的一种研究油画画层下隐藏作品的方法。除了提供存档文档证据外，这一技术还解决了相关艺术作品归属权的问题。这种被许多博物馆和艺术研究中心所采用的非破坏性技术是以颜料在近红外谱段的光学特性（扩散和吸收）为基础实现的。本页以汉斯·梅姆林（Hans Memling）的油画Triptych of Jan Crabbe (MuseiCivici di Vicenza)为例，特别注意画中表现施洗者圣约翰和僧侣的细节部分使用反射照相技术对油画下层的分析表明艺术家尝试过几种表现方式（注意僧侣头部的位置以及施洗者圣约翰的右手)
  图4 概述了近红外反射照相的原理。由于颜料的吸收属性具有光谱可变性，所以需要使用干涉带通滤波片。红外波长越长，成像仪能够“看到”的越深。随着波长的增加画层逐渐变薄，因而让被隐藏的画作、签名、裂纹等得以显现。
 
图2.汉斯?梅姆林（Hans Memling）的油画Triptych of JanCrabbe (Musei Civici di Vicenza)
 
图3.汉斯·梅姆林（Hans Memling）的油画Triptychof Jan Crabbe（可见光与近红外光谱）
 
  生物化学/药理学:近红外/短波红外光谱学。
  采用焦平阵列的近红外/短波红外成像仪可用于具有空间可变光谱特性（可变组分、局部活性成分等等）的物体或扩展成分的光谱测定。为了快速获取结果及增加多用性，应当根据所要求的测量精度不同选用声光可调滤波片(AOTF)或液晶可调节滤波片(LCTF)，或者干涉仪。在这种情况下阵列（像素）中的每个单一元素均充当多光谱探测器使用。三维重组可作为波长与传输的函数。近红外/短波红外光谱可用于测量溶剂（例如乙醇）中的水分，或者测定水溶液中的OH-, CO32- 和HS-离子的浓度。在药理学中，这些成像系统可用于针对药片进行非破坏性研究（例如判断活性成分的存在与否）。例如，图5 显示针对异丙醇（消毒酒精）和天然泉水样本的测定。
  工业应用
在工业应用中，近红外和短波红外热像仪可在新产品研发和生产期间的质量控制中使用。通常热像仪须集成在一个大型复杂系统中使用。
 
 图5.异丙醇(左)和天然泉水(右) – 采用砷化镓铟(InGaAs)热像仪和可变液晶滤光器测量的近红外传输光谱
本文将举两个例子加以说明：
- 高温热成像,
- 农产食品行业中擦伤的检查与探
测。
 高温热成像
  上述提到的近红外和短波红外热像仪的大部分研发应用主要基于材料的反射特性，而非辐射热能特性。其隐含的原因在于温度与波长之间的关系。任何温度高于绝对零度(−273.15℃)的物体均会释放电磁辐射，物体温度越高，电磁辐射量就越多。这些电磁辐射大部分都属于红外光谱。通过确定红外辐射通量就可得出物体温度，这种方法称作温度记录法。然而温度的上升除电磁辐射通量增加外还会产生其他效应。同样，它还会影响到波长：通常来说温度越高，波长会变得越短。
  热像师使用的传统红外热像仪，也称之为热成像仪，工作光谱为中波红外(MWIR)或长波红外(LWIR)。在物体温度过高时，由于上述的波长变化会让这些热成像仪测量不够准确在物体温度升至 400℃时，近红外与短波红外热像仪将会具有更高精度。
  图6 为两种温度的测量数据，物体为800℃和1050℃的黑体，及其测量精度。
  农产食品行业中压痕的检查与探测。
  与其他大多数水果一样，苹果也属于易烂果种。如果表面受损，苹果皮上就会出现所谓的压痕。如果细胞受损，水即会渗入其内部，一段时间后变成褐色。顾客自然对受“挤压”的水果毫无兴趣，因此在水果行业，压痕是评定水果优良等级的一个主要指标。
  由于水在近红外光谱部分具有明显的吸收特性，配有专用频谱滤波片的近红外热像仪用在肉眼筛选或可视化CCD/CMOS 摄像机检测之前，用作早期压痕的探测手段。图7 为两幅苹果的图像，一个图片使用常规可见光相机拍摄，另一图片采用艾克赛普 SC2500 近红外成像仪外加900-1150 纳米带通滤波片拍摄。两幅图像摄于买到苹果后的第一时间内的同一时间。在近红外热像仪拍摄的图像中可能造成腐烂的压痕一览无余，而可见光相机拍摄的图像却无任何损伤痕迹。在某些应用中，电子倍增电荷耦合(EMCCD)成像仪也可实现类似功能。电子倍增电荷耦合(EMCCD)成像仪基本属于可见光相机，对于近红外光谱几乎不具灵敏性。近红外与短波红外成像仪对于电磁光谱的这一波段更为灵敏。这两种成像仪900 至1100 纳米间的较高的量子效率（大于75%）相比于电子倍增电荷耦合(EMCCD)成像仪（其在该波长的量子效率低于20%），显然是最佳之选。
  结论
  近红外与短波热像仪通常用于实验室、研发部门，也可扩展应用于生产控制流水线上。这类易于集成、便于操作的成像仪已经让研究活动翻开令人振奋的新篇章。近红外热像仪的应用范围非常广，而且其应用正在日益变得更加广泛。艾克赛普Systems 公司凭借其在砷化镓铟(InGaAs)探测器和近红外热像仪领域10 余年的设计制造经验以及在此期间积累的丰富知识，成为近红外或短波红外热像仪应用开发的首选合作伙伴。
 
图6.在两种温度(800°C 和1050°C)下对黑体的干扰测定。注意测量的精度和低色散
 
图7.近红外热像仪广泛应用于食品工业的检验与压痕探测。