在热成像机芯前加窗口：为什么玻璃不行，锗窗要满足什么，窗口怎样改变读数

为什么玻璃和大多数塑料不行

非制冷机芯工作在长波红外波段，8–14 μm。普通玻璃、聚碳酸酯和亚克力在这个波段吸收很强，所以隔着玻璃窗，机芯看到的是玻璃，而不是场景。窗口必须用红外材料。这个波段最常用的是锗；硒化锌和硫系玻璃也有使用。

镀膜和材料一样重要

锗的折射率约为 4，所以每个未镀膜表面反射约 36%，未镀膜的锗片透过率不到 50%（计算值）。长波波段的增透（AR）膜可以解决这个问题：某光学产品目录列出，镀 AR 膜的锗窗在 8 到 11.5 μm 透过率为 90% 或以上（公开数据）。外露的外表面镀一层坚硬的类金刚石（DLC）膜，可以耐磨、耐擦拭。请索要 8–14 μm 全波段的透过率曲线，而不是一个峰值：有些膜只标到 11.5 或 12 μm。

窗口怎样改变读数

隔着窗口，机芯同时看到三样东西：被窗口透过率削弱的目标；窗口在自身温度下的辐射；以及窗口后面任何东西的反射，比如外壳内壁。不修正的话，读数会被拉向窗口和外壳的温度。

一个简单的例子，按黑体目标、8–14 μm 波段、窗口透过 90% 其余全部吸收计算：

• 窗口 25°C：60°C 的目标读数约 57°C，100°C 约 94°C，150°C 约 141°C
• 窗口被太阳晒到 45°C：25°C 的目标读数约 27°C

误差随目标和窗口的温差增大而增大，窗口温度一变，误差也跟着变。

修正，或者隔着窗口标定

有两种办法：

• 在您的测量链路里对窗口做修正。需要窗口在您的波段内的透过率和反射率，以及它的温度。如果太阳或加热器会改变窗口温度，就要实测，而不是假定一个值。
• 装上窗口后，用参考源校核整机：有黑体就用黑体，没有就用一块哑光黑色表面，再用可靠的接触式探头测它的温度；要在产品实际测量的温度下校核。

在相信绝对数值之前，先做其中一种。本例中机芯的精度 ±2°C 或 ±2%（典型值，实验室条件）只针对机芯本身，不包括装在您的窗口后面的情况。

尺寸和位置

窗口不能挡住视场。它的通光口径要覆盖镜头前端，再加上 2 × 间距 × tan(对角视场角的一半)。镜头和窗口的间距每增加一毫米，口径约增加：640 × 512 机芯配 9.1 mm 镜头（48.7° × 38.6°）约 1.15 mm，384 × 288 机芯配 4 mm 镜头（64.1° × 48.8°）约 1.6 mm（计算值）。所以广角镜头的窗口要贴得很近。把窗口倾斜几度，可以让镜头和外壳内部的反射不进画面；要为此预留额外的口径。

户外使用

• 裸机芯没有防护等级；防护靠外壳和窗口的密封。市面上固定安装的户外热像仪通常是 IP66（公开标称）。
• 窗口上的水、冰和污垢会吸收长波红外。窗口湿了，读数就不对。
• 测温规定的环境温度范围比成像窄：本机芯测温为 −10°C 至 +70°C，成像为 −40°C 至 +80°C。寒冷地区要考虑加热器，并记住它也会改变窗口温度。
• 本机芯的手册规定不能对准太阳。安装相机时要让太阳始终在视场之外。

订购窗口之前

1. 材料，以及覆盖 8–14 μm 的 AR 膜波段
2. 在您的入射角下的透过率和反射率曲线
3. 在您的镜头到窗口间距下的通光口径
4. 适合您的使用环境和清洁方式的外表面镀膜
5. 怎样对窗口做修正或隔着窗口标定，以及怎样知道窗口温度

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