红外光谱是电磁辐射中的一个令人感兴趣的波段，它超越了可见光，为了解热和分子相互作用的世界提供了一个独特的窗口。在此光谱中，红外成像利用特定的波段，即短波红外 （SWIR）、中波红外 （MWIR） 和长波红外 （LWIR），每个波段都有不同的特性和应用。
短波红外（SWIR） 波段约为 1～3 微米，擅长穿透雾霾、烟雾和某些材料（如硅），使其在夜视、水分检测和半导体检测等应用中非常有价值；它通常需要像 InGaAs（砷化铟镓）这样的专用传感器来捕获反射光而不是发射的热量。
中波红外（MWIR）波段约为 3～5 微米的 MWIR 范围，该波段捕获热发射，对高温更敏感，使其能够用于军事目标、气体泄漏检测和工业监测，譬如发动机或高温目标在较冷的背景下生动地突出。
长波红外（LWIR）波段从大约 8 微米扩展到 14 微米，是在典型地面温度下检测物体和生物的环境热信号的首选，使其成为监视、消防和搜救行动热成像的基石，它可以在完全黑暗中以及穿过灰尘或雾等遮蔽物而得到广泛应用。
这些光谱波段共同解锁了肉眼不可见的丰富信息，通过揭示我们环境的看不见的信息来推动科学、安全和工业的进步。
短波红外相机
SWIR Camera
短波红外 （SWIR） 相机在 1 ～ 3 微米的波长范围内工作，与中波红外 （MWIR） 和长波红外 （LWIR） 相机的区别在于它们依赖于反射光而不是热发射。中波红外相机和 LWIR 相机设计用于检测物体辐射的热量，使其成为在完全黑暗中发现高温机械或生物的理想选择，而 SWIR 相机则捕捉从表面反射的红外光，就像可见光相机的工作原理一样。这一根本差异使 SWIR 相机在热对比度最小或不相关的场景中表现出色，例如识别材料成分、检测水分或通过雾霾和烟雾等遮挡物进行成像，这些遮蔽物对 SWIR 波长透明，但会阻挡可见光，有时还会挑战热波段。此外，SWIR 相机通常采用由 InGaAs 等材料制成的传感器，这些传感器不需要 MWIR 相机或 LWIR 系统中常见的非制冷微测辐射热计通常所需的低温冷却，在尺寸、功耗和使用方面提供了实际的权衡。
SWIR 相机的成像能力进一步使它们在分辨率和环境适应性方面与 MWIR 和 LWIR 系统区分开来。由于 SWIR 波长比 MWIR 和 LWIR 波段的波长短，因此 SWIR 相机可以实现更高的空间分辨率，从而产生更清晰的图像，这对于详细的检测任务至关重要，例如识别半导体晶片中的缺陷或透过封装读取文本。相比之下，波长较长的 LWIR 相机通常受到衍射限制的分辨率，导致图像更模糊，而 MWIR 相机则提供了一个中间地带，但仍然更多地为热对比度而不是精细细节量身定制。当与主动照明（例如 SWIR 激光器）配合使用时，SWIR 相机在弱光条件下也能有效使用，这是 MWIR 和 LWIR 相机所缺乏的灵活性，因为它们依赖于被动热特征，无法有效利用外部光源。这使得 SWIR 相机特别适用于监控、夜视和假冒检测等应用，在这些应用中，MWIR 和 LWIR 相机由于注重热性能而不是反射特性而效率较低。
成本、复杂性和应用范围进一步突出了 SWIR、MWIR 和 LWIR 相机之间的区别。SWIR 相机虽然由于InGaAs传感器的成本而历来价格昂贵，但随着技术的进步，它变得更加容易获得，该技术减小了像素尺寸并集成了可见光到SWIR成像，扩大了其商业吸引力。然而，MWIR 相机通常需要复杂的冷却系统（例如斯特林冷却器）来保持传感器灵敏度，这增加了成本和功率需求，这在很大程度上限制了它们用于高端军事和工业用途，如导弹制导或气体泄漏检测。另一方面，长波红外相机受益于非制冷设计，使其更便宜、更便携，在消费类热成像、消防和建筑诊断等市场中占据主导地位，但它们缺乏 SWIR 系统的材料穿透和高分辨率功能。因此，SWIR 相机开辟了一个新的生态市场，其中精度、多功能性和非热成像至关重要，这与 MWIR 和 LWIR 相机满足不同作需求的以热为中心的优势形成鲜明对比。
中波红外相机
MWIR Camera
中波红外 （MWIR） 相机在 3 ～5 微米波长范围内工作，设计用于检测物体的热辐射，因其对高温源的独特灵敏度而与短波红外 （SWIR） 和长波红外 （LWIR） 相机区分开来。与依赖反射光且擅长透过雾度成像或识别材料特性的 SWIR 相机不同，MWIR 相机可以捕捉热信号，使其成为跟踪喷气发动机、排气羽流或车辆等应用的理想选择，在这些应用中，高温会与较冷的背景形成鲜明对比。与长波红外相机相比，长波红外相机经过调整，可在地面温度下检测物体（如人类或建筑物）的环境热量，而中波红外相机在涉及较热目标的场景中具有卓越的性能，因为它们的较短波长与普朗克定律规定的高温物体的峰值发射一致。中波制冷探测器，通常由锑化铟 （InSb） 或碲化镉汞 （MCT） 等材料制成，以区别于长波红外的非制冷传感器和 SWIR 相机的室温 InGaAs 传感器。
MWIR 相机的技术要求和成像特性进一步将它们与 SWIR 和 LWIR 系统区分开来。MWIR 相机经常需要低温冷却（使用斯特林冷却器等系统）来降低热噪声并保持灵敏度，这与 SWIR 相机形成鲜明对比，SWIR 相机的运行没有那么复杂，而 LWIR 相机则利用非制冷微测辐射热计来实现简单性和便携性。这种冷却要求增加了 MWIR 相机的尺寸、重量、功耗和成本，使其成为军事瞄准、导弹防御和气体泄漏检测等高风险应用的专用工具，在这些应用中，它们通过大气窗口（例如 3～5 μm）分辨高温物体的能力是无与伦比的。虽然 SWIR 相机由于波长较短而提供更高的分辨率，并且在反射成像方面表现出色，而 MWIR 在中等温度下实现了中等分辨率和出色的热对比度的平衡，尽管它缺乏 SWIR 的材料穿透多功能性或 LWIR 对低温环境场景的适用性。
应用范围和环境性能也强调了 MWIR、SWIR 和 LWIR 相机之间的区别。中波红外热像仪在热物体的热区分至关重要的环境中大放异彩，例如检测吸收特定中波红外波长的化学蒸气（例如甲烷）或在国防场景中跟踪快速移动的目标，SWIR 红外热像仪由于其非热性质而无法复制的功能，以及 LWIR 红外热像仪由于专注于温度较低、移动速度较慢的物体而难以实现的功能。然而，与 LWIR 的轻型非冷却设计相比，MWIR 对冷却系统的依赖限制了其实用性，LWIR 的轻型非冷却设计在消防等消费者和急救市场占据主导地位，或者 SWIR 对夜视和工业检查主动照明的适应性。此外，MWIR 的大气传输窗口使其受水蒸气的影响比 LWIR 小，LWIR 会因湿度而衰减，但它与 SWIR 穿透烟雾或某些固体的能力不匹配。因此，MWIR 相机弥合了 SWIR 的反射精度和 LWIR 的环境热广度之间的差距，重点是高温热成像。
长波红外相机
LWIR Camera
长波红外 （LWIR） 相机在 8 ～14 微米光谱范围内工作，经过优化，可有效检测背景温度（约 250～350 K）下物体发射的红外辐射，利用维恩位移定律（300 K 时 λmax ≈ 10 μm）规定的此类源的峰值发射率。这与短波红外 （SWIR） 相机 和中波红外 （MWIR） 相机有着根本的区别，前者检测反射光子而不是热发射光子，后者被调谐到对应于较高温度发射器（例如 600～1000 K）的较短波长。长波红外热像仪通常采用非制冷氧化钒 （VOx） 或非晶硅 （a-Si） 微测辐射热计，用于测量吸收红外辐射引起的电阻变化，提供通常在 30～50 mK 范围内的噪声等效温差 （NETD）。相比之下，SWIR 系统依赖于波段内量子效率超过 70% 的砷化铟镓 （InGaAs） 光电二极管，而 MWIR 相机需要低温冷却的碲化镉汞 （MCT） 或锑化铟 （InSb） 探测器来抑制热噪声，实现低于 20 mK 的 NETD，但代价是系统复杂性增加。
与 SWIR 和 MWIR 系统相比，长波红外相机的光学和探测特性需要进行不同的技术权衡。长波红外波长较长，尽管典型的焦平面阵列 （FPA） 像素间距为 12～17 μm，但 LWIR 图像的分辨率较低。这与 SWIR 的更精细分辨率形成鲜明对比，后者由更短的波长和更小的像素间距实现。长波红外的非冷却运行消除了对斯特林循环冷却器（在 MWIR 中常见，消耗 5～10 W）或主动照明（在 SWIR 中可选）的需求，将功耗降低到 1～2 W，并实现紧凑的设计。然而，长距离红外的宽带灵敏度使其容易受到水蒸气和 CO2 的大气衰减（吸收峰值为 13～14 μm），这限制了在LWIR红外在潮湿条件下的应用。
从辐射测量和应用的角度来看，长波红外热像仪擅长对低发射率场景进行被动热成像，在发射率 （ε） 和温度 （T） 变化细微的情况下检测辐射差 （ΔL ≈ εσT4），例如在人体检测 （ΔT ≈ 5～10 K） 或绝缘故障中。SWIR 相机依赖于外部或自然 SWIR 波段照明（例如，1.5～1.7 μm 的夜光），缺乏这种热灵敏度，但可以穿透硅或玻璃等材料（3 μm 以下的透明）并解析光谱反射特征以进行材料分类，这对于 LWIR 的热聚焦来说是不可行的。中波红外热像仪针对峰值为 3～5 μm 的普朗克曲线（例如，700 K）进行了优化，在高对比度热场景（例如，在 3.3 μm 处具有特定吸收线的气体羽流）中优于 LWIR，但在 LWIR 的较长波长与最大辐射度一致的环境温度下表现不佳。与 MWIR 的高成本冷却设计或 SWIR 的专用 InGaAs 阵列相比，LWIR 的非冷却架构支持经济高效的应用，使 LWIR 成为汽车、安全和工业诊断领域宽带热成像的主要选择，尽管与较短波长的同类产品相比，它在分辨率和大气传播方面存在局限性。
如何选择红外相机
How to Choose IR Camera
选择红外热像仪，都需要对应用的辐射、环境和作要求进行系统评估，因为每个光谱波段都具有不同的物理和技术优势。
第一步：定义目标的热特性和所需的成像模式。
SWIR 相机可检测反射光子，需要照明源（自然光源，如夜光，或人工光源，如 1.55 μm 激光器），并且对热发射不敏感，因此非常适合非热任务，例如材料识别（例如，通过反射光谱区分塑料）或通过烟雾或硅等遮光剂成像（透明度低于 3 μm）。相比之下，中波红外和长波红外相机捕获发射的热辐射，中波红外擅长检测喷气发动机或气体羽流等高温目标（600～1000 K，根据维恩定律 λmax ≈ 3～5 μm），而长波红外与环境温度（250～350 K，λ=10 μm）对齐，用于检测人类或被动物体。如果目标是热源的热对比度，则 MWIR 更可取；对于黑暗中的环境场景，LWIR 是最佳选择;对于反射式非热成像，SWIR 是首选。
第二步：考虑环境条件和光学要求，因为大气传输和分辨率需求因频段而异。
SWIR 波长可以很好地穿过雾霾和某些材料，但需要高分辨率光学元件（例如，像素间距为 5 μm 的 f/1.4 镜头）来利用其短波长优势（θ ≈ 1.22λ/D 在 2 μm 处产生 ~3 μrad），为半导体检测等应用提供清晰的图像。MWIR 受益于相对清晰的大气窗口 （3～5 μm），与 LWIR 相比，水蒸气的吸收最小，并提供中等分辨率（4 μm 时为 ~6 μrad），适用于热目标的远距离检测，尽管其冷却探测器（例如 InSb、NETD < 20 mK）需要稳定的条件。长距离红外虽然在完全黑暗或大雾中用途广泛，但由于衍射而受到 H2O 和 CO2 的大气衰减 （13～14 μm） 和较低的分辨率（10 μm 时为 ~12 μrad），使其对精细细节或潮湿环境效果较差，但非常适合使用非制冷微测辐射热计进行短距离宽带热成像 （NETD ≈ 30～50 mK）。评估范围、遮挡物和细节需求：SWIR 用于穿透力和精度，MWIR 用于中等热清晰度，LWIR 用于近距离环境稳健性。
最后，根据性能权衡成本、功耗和系统复杂性等实际约束。
由于 InGaAs 传感器，SWIR 相机变得越来越容易获得（如，Sony SenSWIR），功率需求低 且无需冷却，但可能需要照明硬件。中波红外相机依赖于低温冷却，价格昂贵且体积较大，使其仅限于高预算的专业用途，如军事用途。长波红外相机采用非制冷设计，最具成本效益且便于携带 （1～2 W），尽管在分辨率方面存在权衡，但仍在消费和工业市场占据主导地位。选择 SWIR 以适度的成本实现高分辨成像成像，选择 MWIR 在受控环境中实现卓越的热性能，或者选择 LWIR 以获得经济实惠、坚固耐用的热功能。将相机与任务相匹配，以确保获得最佳结果。
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