紅外熱成像系統的案例
紅外系統雜散光難管控？OAS精準助力高質量成像
OAS 光學軟件 | 紅外冷反射案例分析
01前言
在紅外光學系統中，冷反射現象是影響成像質量的關鍵因素之一。當系統內部低溫表面反射紅外輻射并干擾探測器正常接收信號時，會產生雜散光，導致圖像出現偽影、對比度下降等問題，嚴重影響紅外熱成像系統的探測精度與可靠性。
因此，有效分析和抑制紅外冷反射，對提升紅外光學系統性能至關重要。OAS 光學軟件憑借其強大的光學仿真與分析功能，為解決此類問題提供了高效的技術手段。
02案例描述
在制冷型紅外熱成像系統中，冷反射抑制面臨兩大核心難點：一是如何準確識別和量化各光學表面對冷反射的貢獻程度；二是在保證關鍵性能指標的前提下，對冷反射進行有效抑制。
針對這一難點，本文提出一種基于 OAS 光學軟件的紅外冷反射全鏈路分析方案：系統以長波紅外熱成像鏡頭為研究對象，涵蓋模型構建、光源精確配置、光線追跡、數據分析及優化設計等多個環節。
方案的核心在于利用 OAS 軟件的非序列光線追跡技術，建立從光源到探測器的全鏈路仿真模型，精準鎖定冷反射的主要貢獻面，進而對相關光學表面進行針對性優化。
03冷反射現象的形成機理
冷反射效應源于制冷型紅外系統中探測器與外殼之間的巨大溫差。在紅外熱成像系統中，制冷探測器通過前面光學表面的反射，使探測器探測到自身的像，形成邊緣亮而中心暗的黑斑現象，被稱為“冷反射”現象。
其物理機制可歸納為：制冷型探測器的探測度較非制冷型高出1至2個數量級，這使得系統對微弱信號變化極為敏感。當光學鏡片的鍍膜抗反射性能不完善時，殘留的熱輻射從每個鏡片表面返回，部分殼體熱輻射也到達探測器，從而形成可辨別的對比度差異。
探測器除了接收正常成像的景物輻射外，還通過光學鏡片表面的微弱反射，接收到本身及周圍低溫腔冷環境的影像，形成冷像。
展開 俄制T90坦克未來或將裝備來自中國的熱成像夜視系統
俄羅斯T-90主戰坦克，有可能換裝中國熱成像夜視系統
俄羅斯軍隊-2018國際軍事技術論壇上面，中國多家廠商參展，其中包括紅外熱成像廠商，從相關廠商透露情況來看，他們已經擁有俄羅斯客戶，這是國內廠商首次透露已經向俄羅斯出口紅外熱成像系統。
夜視系統一向是俄制武器裝備的薄弱環節，上世紀80年代西方三代主戰坦克已經裝備熱成像夜視系統，蘇聯坦克夜視系統還是上一代的微光夜視儀，一直到上世紀90年代，俄羅斯才完成第一代熱成像夜視系統-龍舌蘭，不過這種夜視系統采用線列陣、機械掃描體制，性能較低，進入新世紀，俄羅斯又完成第二代熱成像系統，它的性能有所增強，但是與西方新一代熱成像夜視系統相比還是有較大差距，俄羅斯對外出口的坦克、裝甲車不得不裝備西方熱成像系統，例如出口到印度的T-90S坦克裝備的就是法國凱瑟琳熱成像夜視系統。
蘇聯最先進的T-80U主戰坦克仍然裝備微光夜視系統
俄羅斯為印度T-90S坦克集成凱瑟琳熱成像夜視系統的時候，認為它的性能遠優于自己同類產品，因此決定俄軍坦克、裝甲車也裝備凱瑟琳熱成像夜視系統，例如俄羅斯T-73B3主戰坦克，它上面就配備了法國凱瑟琳熱成像夜視系統，不過烏克蘭危機之后，西方對俄羅斯實行軍事技術禁運，熱成像也在禁運之列，俄羅斯加強對熱成像領域的投入，根據海外資料，俄羅斯曾經在2016年宣布實現熱成像夜視系統國產化，并且替代了俄軍主戰坦克、步兵戰車上面的西方熱成像夜視儀，不過2018年俄羅斯公開T-80BV主戰坦克最新改進型-T-80BVM，外界發現它安裝仍然是法國凱瑟琳熱成像夜視系統，推測俄羅斯在國產熱成像研制、生產能力方面仍舊存在不足之處，不得不繼續使用庫存的法國熱成像夜視系統。
展開 紅外系統成像模糊不清？OAS 光學軟件精準攻克難題
紅外冷反射案例分析
簡介
在紅外光學系統中，冷反射現象是影響成像質量的關鍵因素之一。當系統內部低溫表面反射紅外輻射并干擾探測器正常接收信號時，會產生雜散光，導致圖像出現偽影、對比度下降等問題，嚴重影響紅外熱成像系統的探測精度與可靠性。因此，有效分析和抑制紅外冷反射，對提升紅外光學系統性能至關重要。OAS 光學軟件憑借其強大的光學仿真與分析功能，為解決此類問題提供了高效的技術手段。
OAS 軟件在案例中的應用
模型構建
利用 OAS 軟件的建模功能，建模出長波紅外熱成像鏡頭模型。該鏡頭作為研究對象，其結構參數與表面特性是建模的關鍵。隨后，在軟件材料庫中選擇或自定義簡單材料，并依據實際需求輸入詳細的光學參數，如折射率、吸收率等，將這些參數準確地定義在鏡頭表面，確保模型能夠真實反映實際光學系統的物理特性。
光源設置
創建適用于紅外冷反射分析的光源。鑒于案例聚焦于長波紅外波段，在軟件中設置紅外波長的光源，精確設定其波長范圍、輻射強度等參數。同時，對光線追跡的相關參數進行優化，包括追跡光線數量、追跡精度等，以保證光線追跡結果的準確性與可靠性。
光線追跡與數據采集
完成上述設置后，使用 OAS 軟件的光線追跡功能。軟件將依據設定的參數，模擬紅外光線在長波紅外熱成像鏡頭中的傳播路徑，精確計算光線在各個光學表面的反射、折射情況。在追跡過程中，軟件實時采集光線與光學系統相互作用的數據，為后續分析提供全面的數據基礎。
紅外系統的三位追跡圖
紅外系統的探測器結果圖（平滑兩次）
總結
本案例通過 OAS 光學軟件成功實現了對長波紅外熱成像鏡頭中紅外冷反射現象的模擬與分析，充分展示了該軟件在紅外光學系統設計與優化中的強大功能與應用潛力。
展開 線下培訓 | 《 SYNOPSYS 紅外光學系統設計》招生中
SYNOPSYS · 紅外光學系統設計 · 線下培訓
紅外光是指波長大于750nm的不可見光，自然界的任何物體都是紅外光輻射光源，應用這一點人們可以看清自然界中許多肉眼看不到的東西。實際上，紅外技術在安防監控、應急救援、車載夜視、刑偵通訊、消費電子等諸多范疇都有使用。而在消防應急救援過程中，紅外鏡頭的分辨能力起著至關重要的作用。紅外鏡頭作為紅外熱成像系統的“眼睛”，其性能的好壞直接影響到整機系統性能的優劣，是紅外系統的重要組件之一。
考慮到大家對于紅外光學課程的需求，武漢墨光計劃在2023年5月22-23日開展線下《 SYNOPSYS 紅外光學系統設計》培訓課程，培訓地點在湖北 · 武漢。
展開 
紅外成像與微光成像的區別
紅外成像技術
紅外夜視技術分為主動紅外夜視技術和被動紅外夜視技術。主動紅外夜視技術是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術，對應裝備為主動紅外夜視儀。被動紅外夜視技術是借助于目標自身發射的紅外輻射來實現觀察的紅外技術，它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發現目標。其裝備為熱成像儀。現階段監控攝像機裝備的都是主動紅外系統，對被動紅外系統的應用還較少。
微光成像技術優點
微光成像技術之所以被各國軍隊大量應用在夜視上，是因為它的全面性。該技術相比紅外技術，不需要紅外燈發射紅外線、不需要被觀測物體必須有熱量。從而很好的適應軍隊在不同環境下作戰。選擇紅外成像技術，第一得考慮紅外燈的損耗和維護，第二要考慮被觀測物體是否自身含有熱量。而微光成像技術不需要考慮這么多，只需借助自然光即可達成夜視效果。同時，微光夜視儀圖像清晰、體積小、重量輕、價格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，應用范圍廣，這些也是紅外夜視成像不可比擬的。
微光成像技術的缺點
微光成像技術的缺點在于易受周邊環境影響。如怕強光，具有暈光現象。在遇到強光的時候夜視儀無法進行觀測，觀測者會感到眩暈。 微光圖像的對比度差、灰度級有限、瞬間動態范圍差、高增益時有閃爍、只敏感于目標場景的反射，與目標場景的熱對比無關。
紅外成像技術的優點
紅外成像技術的優點在于其無需借助外部環境光，自身發射紅外線光進行夜視成像。夜視范圍廣，受環境影響小。多用于樓宇監控攝像機，主要是因為它不借助自然光,適合在室內使用。而被動紅外技術的紅外熱成像，不受雨雪、風霜等惡劣環境影響、成像清楚、準確度高、能識別偽裝和抗干擾。紅外熱成像系統不像微光夜視儀那樣借助自然光，而是靠目標與背景的輻射產生景物圖像，因此紅外熱成像系統能24小時全天候工作。即使在白天也能通過熱成像進行監控。
展開 案例-FRED紅外熱成像
盡管強力的光線追跡同樣是可能的，FRED使用了應用標準光學工程算法的高效運算器來實現熱成像和輻射計算。使用源自輻射度量學的技術，用FRED追跡必要數量光線的可能需要的時間，我們可以高效并精確地完成熱成像、冷反射、雜散光、熱照明均勻性和熱自發輻射的計算。
1. 熱輻射和熱成像是什么？
熱成像定義為產生一個場景的可視化二維圖像的過程，該圖像依賴于從場景到達成像儀器孔徑的熱輻射或紅外輻射的差異。熱成像系統通常會減去背景來增強在紅外場景中變化的對比度。當背景不均勻時，由于冷反射的存在，可能產生雜散信號。對于國防和安全問題尤為重要，在其中我們可以發現具有不同熱溫度或輻射率的物體，此時可以從圖像場景的剩余部分區分出它們。對于這個問題的主要應用是：探測、分類和追跡隱藏在個人身上、包裹中、車輛上或船運集裝箱中的武器、人員、車輛、物品和材料。圖1是一個非常好的案例，當在FRED中進行仿真時，一個日常用品：茶壺，通過一個具有熱探測儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個光學儀器周圍的環境或結構中發出的能量，它會引起雜散光問題。冷反射是一個熱輻射問題，由于反射到探測器上的輻射，在一個紅外系統中的熱輻射表現為在一個顯示圖像中的黑色圓形區域。
通常，這些系統通過探測疊加在大的背景上的小信號工作。在室溫下，黑體輻射曲線的峰值大致在10μm處。因此世界在這個波長處“發光”，發光的微小變化表明了溫度或輻射率的變化。特別的，當一個冷卻的探測器圖像反映了自身，那么就會產生一個局部背景的缺失。這通常表現為在圖像中央的黑點。有人可能稱之為“雜散黑”，而不是雜散光。
在測量絕對輻射而不是相對信號的紅外輻射儀中，任何背景輻射是不可接受的。在這樣一個儀器中，冷卻整個儀器到低溫度來消除由于自輻射導致的雜散光是必須的。
展開 FRED紅外熱成像應用說明
盡管強力的光線追跡同樣是可能的，FRED使用了應用標準光學工程算法的高效運算器來實現熱成像和輻射計算。使用源自輻射度量學的技術，用FRED追跡必要數量光線的可能需要的時間，我們可以高效并精確地完成熱成像、冷反射、雜散光、熱照明均勻性和熱自發輻射的計算。
1.熱輻射和熱成像是什么？
熱成像定義為產生一個場景的可視化二維圖像的過程，該圖像依賴于從場景到達成像儀器孔徑的熱輻射或紅外輻射的差異。熱成像系統通常會減去背景來增強在紅外場景中變化的對比度。當背景不均勻時，由于冷反射的存在，可能產生雜散信號。對于國防和安全問題尤為重要，在其中我們可以發現具有不同熱溫度或輻射率的物體，此時可以從圖像場景的剩余部分區分出它們。對于這個問題的主要應用是：探測、分類和追跡隱藏在個人身上、包裹中、車輛上或船運集裝箱中的武器、人員、車輛、物品和材料。圖1是一個非常好的案例，當在FRED中進行仿真時，一個日常用品：茶壺，通過一個具有熱探測儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個光學儀器周圍的環境或結構中發出的能量，它會引起雜散光問題。冷反射是一個熱輻射問題，由于反射到探測器上的輻射，在一個紅外系統中的熱輻射表現為在一個顯示圖像中的黑色圓形區域。
通常，這些系統通過探測疊加在大的背景上的小信號工作。在室溫下，黑體輻射曲線的峰值大致在10μm處。因此世界在這個波長處“發光”，發光的微小變化表明了溫度或輻射率的變化。特別的，當一個冷卻的探測器圖像反映了自身，那么就會產生一個局部背景的缺失。這通常表現為在圖像中央的黑點。有人可能稱之為“雜散黑”，而不是雜散光。
在測量絕對輻射而不是相對信號的紅外輻射儀中，任何背景輻射是不可接受的。在這樣一個儀器中，冷卻整個儀器到低溫度來消除由于自輻射導致的雜散光是必須的。
展開 紅外熱成像：讀懂波段，精準選型
但對于占市場主流的常溫目標檢測（-20℃至150℃），非制冷型長波紅外設備的精度已完全足夠，且具有功耗低、啟動快、體積小、免維護和高可靠性的巨大優勢。
選擇紅外熱成像儀，本質上是選擇一把匹配特定場景的鑰匙。理解短波、中波、長波背后的“光譜密碼”，才能讓這雙科技之眼，真正為你洞見無形世界中的溫度與奧秘。
我司有多款中波制冷&長波非制冷紅外熱成像儀，覆蓋更多場景需求，如需了解更多產品詳情或有定制化需求，歡迎＋薇：threephy
干貨｜寶馬夜視（紅外熱成像）攝像頭拆解分析
拆下FPGA核心板能看到時邊的傳感器，FLIR ISC0901B0，一顆17um 366*256 60fps 14位數據輸出的熱成像傳感器。
相比NV2的ISC0601尺寸小了，沒有保護鏡片看起來也簡陋不少。
傳感器2側的金線不小心很容易弄斷。
放大后能看到FLIR ISC9001B0的字樣。
外殼帶有寶馬和Autoliv廠家LOGO。
鏡頭前面一個用來平場校正的快門，通電時快門關閉。
去掉傳感器的內部鏡頭圖片。
鏡頭正面圖片。
取下鏡頭需要使用“專門”的拆卸工具。
取下鏡頭后里邊還有一個金屬彈片，和一片薄膜墊片。
鏡頭組件相比NV2的相機也簡單不少。
NV3除了這個黑圈還有一款白圈的。
白圈的鏡片尺寸要比黑圈的大一些，用來安裝和減振的組件也比黑圈的多。
展開 從“被動監控”到“主動預警”：紅外熱成像技術如何重塑安防體系
紅外熱成像技術正成為現代安防體系中的關鍵感知手段，有效彌補了傳統安防在復雜環境下的監測短板，實現全方位、全天候的安全守護。
傳統安防依賴可見光攝像頭、紅外對射等設備，在夜間、弱光、雨霧等惡劣天氣下往往監控效果不佳，存在安全隱患。紅外熱成像技術基于熱輻射探測原理，具備強穿透、全天候的監控能力，突破了環境與時間的限制，廣泛應用于邊境防護、關鍵基礎設施安保、城市安全及消防救援等領域。
紅外熱成像在安防中的核心優勢
環境適應性強，實現“全天候無盲區”監測
不受光線影響：通過非接觸式測量，可在完全黑暗或強光眩光環境中清晰成像，消除低光無光環境的監控盲區。
穿透惡劣天氣：在雨、霧、雪、沙塵等天氣中，紅外線穿透能力遠強于可見光，確保系統在極端天氣下穩定運行，支持24小時不間斷監測。
精準識別風險，實現“從被動到主動”監測
發現隱蔽目標：可穿透草叢、偽裝物等非金屬遮擋，識別隱藏人員或熱源設備，適用于周界防護、廠區排查等場景。
預判潛在事故：通過監測設備異常升溫（如電氣線路老化、變壓器過熱），在火災前兆階段觸發預警；也可通過熱源移動軌跡識別人員異常滯留、非法闖入等行為。
適配多種場景，靈活接入現有安防體系
固定監控場景：在廠區周界、高層建筑、變電站等重點區域安裝固定熱成像攝像機，直接接入原有安防系統，實現自動監控與報警。
智能聯動：可與報警系統、消防設備聯動，檢測到異常時自動觸發警報、啟動消防噴淋，大幅縮短響應時間。
典型應用場景
關鍵基礎設施安保：對電站、水庫、通信樞紐、機場等重點設施進行全天候、遠距離監控，及時發現非法入侵，保障設施安全。
展開 CES直擊：艾睿光電IR-Pilot紅外熱成像全場景解決方案亮相，助力汽車智能駕駛再升級
艾睿光電旨在發揮紅外熱成像優勢，依靠完善的IATF16949汽車行業質量管理體系，為智能汽車行業提供晝夜清晰影像，彌補其他傳感器的不足，并解決惡劣天氣、夜間光照不良、炫光、雨雪霧天氣等影響安全駕駛的重點問題，實現多傳感器冗余，助力全球智能駕駛行業應用落地最后一公里。
睿創微納（SH688002）是領先的、專業從事專用集成電路、特種芯片及MEMS傳感器設計與制造技術開發的國家高新技術企業，具有完全自主知識產權，為全球客戶提供性能卓越的MEMS芯片、ASIC處理器芯片、紅外熱成像與測溫全產業鏈產品、激光、微波產品及光電系統。
睿創產品廣泛應用于夜視觀察、醫療防疫、智慧工業、無人機載荷、自動駕駛、安消防、物聯網、人工智能、機器視覺等領域。
睿創微納致力于打造中國最有價值的特種芯片企業，成為世界領先的智慧感知技術解決方案提供商。睿創微納將承載“以技術進步為客戶創造價值，讓人們從更多維度發現世界之美”的使命，在持續拓展人類感知能力的征途上留下自己的腳印。
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線上培訓 |《 SYNOPSYS 紅外光學設計》招生中
SYNOPSYS · 紅外光學設計 · 線上培訓
紅外光是指波長大于750nm的不可見光，自然界的任何物體都是紅外光輻射光源，應用這一點人們可以看清自然界中許多肉眼看不到的東西。實際上，紅外技術在安防監控、應急救援、車載夜視、刑偵通訊、消費電子等諸多范疇都有使用。而在消防應急救援過程中，紅外鏡頭的分辨能力起著至關重要的作用。紅外鏡頭作為紅外熱成像系統的“眼睛”，其性能的好壞直接影響到整機系統性能的優劣，是紅外系統的重要組件之一。
考慮到大家對于紅外光學課程的需求，武漢墨光計劃在2023年6月26-27日開展線上《 SYNOPSYS 紅外光學設計》培訓課程。
展開 EO/IR光電紅外系統概覽
本文原刊登于Ansys Blog：《Get an Overview of Electro-Optic Infrared Systems》
作者：Angela Forcino | Ansys 產品營銷經理
光電紅外（EO/IR）系統是一種傳感器技術，其采用光學和電子技術組合來檢測、跟蹤和識別紅外光譜中的物體或目標。EO/IR系統可用于目標獲取、跟蹤和識別等各種目的。
EO/IR系統可以在各種天氣條件和環境下運行，包括霧天、雨天和煙霧環境等。這是因為，這種系統是憑借對紅外輻射的檢測，而溫度高于絕對零度的所有物體都會散發紅外輻射。人眼是無法看到紅外輻射的，但紅外輻射可以被稱為紅外探測器的專門傳感器檢測到。EO/IR系統的一大主要優勢是，能夠在低照明或完全黑暗的條件下工作。因此，它非常適用于傳統光學傳感器可能不適用的各種情況。此外，EO/IR系統還具有高度準確性，可以提供實時數據和圖像，這使其成為了被廣泛應用的重要工具。
展開 紅外對射、電子圍欄、震動光纖等綜合周界防范系統設計方案
整體架構如下圖所示：
圖1.周界防范系統架構圖
1.2.2業務流程
周界防范的業務流程分為：當有活動目標進入布防區域時，檢測設備開始檢測活動目標，產生周界防范報警事件，并將事件上報給后中心平臺；綜合安防管理平臺報警系統接收到事件后，可進行事件查看，并通過平臺的聯動模塊配置不同的聯動方式。其中，視頻周界防范會將報警事件發到智能分析設備進行分析，判斷是否有人后再上報給平臺。
圖2.周界防范業務流程圖
1.2.3前端探測器設計
周界防范產品主要部署在室外周界，整個報警系統給的最外層防護圈，當有人員從外部闖入時，周界防范探測器將報警信號通過報警主機上傳到監控中心，便于中心管理人員迅速處警。目前，周界產品主要類型為紅外對射、脈沖電子圍欄、振動光纖、可見光視頻周界相機、熱成像相機、入侵安防雷達、激光掃描探測器等。
?紅外對射
紅外對射是目前技術最成熟、使用也最廣泛的周界探測技術之一。一對對射由一個紅外發射機和一個紅外接收機組成，當發射機和接收機之間的紅外光束被完全或部分遮斷時產生報警信號。為了減少落葉、小鳥等外界干擾造成的誤報，一般使用雙光束、三光束、四光束的對射探測器來減少誤報。
該產品價格低、施工成本低、性價比高，適用于分界線清晰、周界平直的使用場景，但是由于紅外技術本身的瓶頸，容易被環境所干擾（霧、雪、雨天氣、強光、樹木枝葉），而造成誤報，需要視頻系統進行復核判斷。
?激光對射
和紅外對射一樣，一對激光對射是由一個激光發射機和一個激光接收機組成，由于激光本身的穿透性非常高，很難被霧霾、雨雪天氣干擾，所以這種周界技術的環境適應性很強，誤報率低，同樣，激光對射的使用場景和紅外對射一樣，局限于分界線清晰、周界平直的使用場景。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：紅外系統光學設計示例
規格如下：
波長：10μm
焦距：80mm
F數：2
FOV：30°
OpticStudio提供了一個名為INFRARED.AGF的紅外用材料玻璃目錄，如下圖所示。 這在設計紅外光學器件時是很有用的。
本文在初始數據的基礎上進行了優化，具體如下。
評價函數設置如下：
第一行設置操作數EFFL，它指定了焦距。
第二行設置操作數TOTR，它返回從第一平面到圖像平面的總厚度。
第三行設置操作數OPLT，使第二行的值小于130毫米。
第4行規定空氣和鏡頭的最小邊緣厚度要大于3毫米。
第5行規定空氣和鏡頭的最小中心厚度要大于4毫米。
第6行起是優化向導設置時的操作數，如下所示。
優化后的結果如下所示，鏡頭尺寸變小。
下面是視場的RMS波前像差結果。
可以看出，整體的衍射極限是低于衍射極限的。
這是FFT MTF的結果：
Ansys Zemax國內可靠代理商
光研科技南京有限公司是國內可靠的光學軟件和儀器光電供應商，提供企業定制化上門培訓服務，承接各類光學設計項目，并有一系列自主編寫出版的光學設計書籍。公司擁有一支高素質、高水平、實戰經驗豐富的管理，銷售以及研發團隊，從成立到現在已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的產品和服務，是光電圈內值得信賴的企業。追光逐夢，研以致用！以用戶的需求為起點，為客戶提供有價值的光學產品和服務一直都是光研科技南京有限公司的宗旨。
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聯系人：南京光研 徐保平
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