引言：
关于长波红外（LWIR）与中波红外（MWIR）成像技术孰优孰劣，业界一直存在争论。两者并无绝对的优劣之分，但在本文中，我们将带您深入评估这两种成像技术的优缺点，对比分析其在发射率、热对比度、气候影响、热效应、镜头特性及成本等方面的差异，助您根据具体应用需求选择最合适的红外热像仪及镜头。
在上一篇题为《什么是红外热像仪镜头》的文章中，我们已经了解了不同的红外光谱波段。根据波长范围的不同，红外光谱可分为五类：近红外（NIR，波长范围 0.75–1.4 微米）、短波红外（SWIR，波长范围 1.4–3 微米）、中波红外（MWIR，波长范围 3–5 微米）、长波红外（LWIR，波长范围 8–12 微米）以及远红外（波长范围 15–1000 微米）。
中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段是热成像技术的两大主要波段。这两个波段被称为“热红外”波段，原因在于它们发出的辐射能够穿透大气层（即相比可见光和短波红外波段，大气中的遮蔽物对中波和长波红外波段的吸收与散射作用要小得多），且无需人工光源即可成像，从而实现被动式热成像。中波和长波红外成像设备能够根据物体的温差进行成像，因此无论光照条件如何，均能提供有效的成像功能。此外，与普通可见光成像设备相比，热成像设备对烟雾、浓雾和粉尘的穿透能力更强，受其影响也较小。
通量与热对比度：
通量是指目标物体与背景发出的总热辐射量。根据普朗克定律，温度越高，光谱辐射出射度（在所有波长下）就越高，且辐射的峰值波长越短。如图1所示，在300K的常温大气环境下，辐射的峰值波长位于8至12微米的长波红外（LWIR）波段。换言之，处于绝对零度以上的地面物体，其热辐射最强的区域正是长波红外波段。
图 1. 黑体辐射
图中彩色区域表示可见光谱，橙色和红色区域分别表示中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 光谱区域。我们可以看到，在 300K 的正常温度下，辐射峰值位于长波红外区域。随着温度升高，辐射峰值开始向短波方向移动，在大约 1000K 时，辐射峰值位于中波红外区域。
请记住，热成像仪或热像仪聚焦并传输辐射出的热辐射，并形成与温度差异相对应的单色图像。温度越高，热辐射越强，图像越亮，而较冷的区域则用深色表示（也有彩色热像仪，其中高温区域显示为暖色，低温区域显示为冷色）。显然，在理想条件下，更大的辐射通量有助于提高成像仪的灵敏度。这意味着长波红外成像仪和相机可以很好地应对大多数正常情况（这里的“正常”是指环境大气温度低于 300K）。
在较高温度下，辐射峰值会向短波长方向移动；这正是中波红外（MWIR）热像仪在高温环境（如导弹发射）中表现更佳的原因。此外，中波红外热像仪通常采用制冷型光子探测器，其灵敏度高于长波红外（LWIR）热像仪常用的非制冷型探测器。因此，中波红外热成像技术在抑制热噪声和杂波、区分相近温度以及提升图像目标对比度方面具有更优越的性能。特别是在远距离探测场景中，中波红外热成像的优势尤为明显。在远距离探测时，到达探测器的热辐射会因传输路径较长而发生衰减，导致目标与干扰源在成像画面上均显得模糊，从而难以区分；而中波红外成像能提供更高的目标对比度，显著降低了识别和辨认远距离目标的难度，且可靠性更高。因此，对于有远距离探测及高清晰度图像需求的用户，通常会优先选择中波红外热像仪，而非长波红外热像仪。
大气窗口与气候影响：
热辐射必须穿过大气层才能到达热像仪。由于大气并非真空，而是由多种气体（如氮气、二氧化碳、氧气）和微粒（如灰尘、污垢、水汽）组成的混合物，它会对电磁辐射产生吸收、反射、折射和散射作用。
电磁辐射在大气中的透过率随光谱区域而变化。电磁辐射在大气中透过率较高的波长区域被称为“大气窗口”。
图 2. 大气窗口
大气中不同的遮蔽物也会对光谱区域产生不同的影响。因此，在选择热成像仪时，考虑大气因素至关重要。一般来说，中波红外 (MWIR) 辐射在蒸汽中的吸收远小于长波红外 (LWIR) 辐射。如上所述，由于热辐射的特性，MWIR 热成像仪在高温环境下也表现出色。因此，MWIR 在潮湿炎热的海洋气候中更具优势。例如，如果您的目的是进行海岸监视，MWIR 相机是更推荐的选择。而由于最宽的大气窗口位于 8-12 微米之间，LWIR 辐射在大多数情况下具有更高的透射率，因此 LWIR 相机适用于在常温下对大多数陆地物体进行成像。LWIR 辐射也不易受烟雾和气溶胶的影响，因此在战场和消防等领域比 MWIR 成像仪更具优势。例如，如果您正在寻找红外枪械瞄准器，那么长波红外热像仪可能更合适。（但是，在国防和战争等应用中，有时需要特定的探测范围。在这种情况下，中波红外摄像机比长波红外摄像机更出色。）
长波红外镜头与中波红外镜头：
正如可见光相机镜头必须对可见光透明一样，热像仪镜头也必须对特定的红外光谱区域透明。因此，长波红外热像仪镜头采用在 8-12 微米长波红外波长范围内具有优异透射率的材料制造，而中波红外热像仪镜头则采用在 3-5 微米中波红外波长范围内透明的材料制造。
下图 3 显示了一些常用的红外镜头材料及其透射曲线（请注意，这些曲线是根据适当的增透膜后的透射率绘制的，因此未包含表面反射损耗）。如图所示，长波红外镜头的常用光学材料包括锗 (Ge)、硒化锌 (ZnSe) 等（还有其他一些优异的长波红外材料，例如硫化锌 (ZnS)、硫系玻璃和砷化镓 (GaAs)，图中未显示）。传统的中波红外光学材料包括氟化钡（Baf2）、氟化钙（CaF2）、蓝宝石（Al2O3）、锗、硒化锌等（图中未显示其他中波红外材料：硅、硫化锌等）。有时，为了达到预期的设计效果，会在一个透镜组件中使用多种不同的材料（例如，光学被动式非热化透镜由具有互补热光特性的材料制成，以平衡热散焦效应）。
图3. 展示几种常见红外（IR）透镜材料透射率的对比图。请注意，图中曲线是基于材料经增透（AR）膜处理后的透射率绘制的。
图4. 左侧为Shalom EO生产的长波红外（LWIR）连续变焦热成像镜头；右侧为Shalom EO生产的中波红外（MWIR）连续变焦热成像镜头。
十多年来，Shalom EO致力于研发和生产尖端的长波红外（LWIR）及中波红外（MWIR）热成像镜头，涵盖了镜头结构设计、CNC加工与金刚石车削抛光、镜头组装、严格的内部检测以及IP67级密封等全套工艺。我们在大尺寸镜头供应及长焦距性能方面均具备卓越实力。其中，LWIR连续变焦镜头提供最高13倍的变焦比；而MWIR连续变焦镜头则展现出更出色的远距离探测能力，最高变焦比可达20倍。
此外，Shalom EO还提供多种类型的热成像镜头，包括消热差镜头、超广角及鱼眼镜头、单视场（Single FOV）镜头以及双视场（Dual FOV）镜头。点击了解更多详情。
探测器灵敏度与F数（f-Number）：
当前热像仪市场上的探测器主要分为两大类：制冷型光子探测器（也称量子探测器）和非制冷型热探测器。前者通常配备制冷装置，以维持探测器处于极低温状态；后者则无需制冷装置，因此成本较低，但灵敏度也相对较低。
由于热像仪是通过捕捉热辐射来成像的，热像仪自身产生的热量会引发热噪声，从而干扰对目标热信号的识别。这会导致NETD（噪声等效温差）升高，进而降低灵敏度。因此，制冷型光子探测器的灵敏度远高于非制冷型热探测器。
中波红外（MWIR）热像仪通常采用制冷型探测器（如碲镉汞探测器、量子阱探测器、锑化物探测器），而长波红外（LWIR）热像仪则多采用非制冷型探测器（如氧化钒探测器、锑化铟焦平面阵列探测器）。
F数（f-number、f-stop 或 f/#）是衡量相机光线收集能力（对于热成像相机而言，即热辐射收集能力）的指标。F数的计算公式为：相机镜头焦距除以镜头光圈直径。灵敏度较高的制冷型探测器允许使用较大的F数（从而允许采用更小的镜头光圈）；相比之下，若要使灵敏度较低的非制冷型探测器相机达到与前者相同的焦距，则需采用较小的F数（即较大的光圈，以确保足够的辐射进入）。因此，中波红外（MWIR）热成像相机镜头可以做得比长波红外（LWIR）镜头更为紧凑，这不仅节省了镜头生产成本，还减轻了整机重量，顺应了热成像相机市场向轻量化和小型化发展的趋势。
同样地，在光圈直径相同的情况下，由于允许使用较大的F数，中波红外（MWIR）热成像相机镜头可以拥有比长波红外（LWIR）镜头更长的焦距。
成本：
采用非制冷探测器的长波红外（LWIR）热成像仪通常比中波红外（MWIR）热成像仪价格更低。鉴于长波红外能够满足大多数热成像应用需求，它往往是更常规且更经济的选择。
相比之下，中波红外（MWIR）热成像仪通常配备制冷型光子探测器（价格昂贵），因此其成本往往高于长波红外热成像仪。然而，凭借图像质量高、探测距离远以及在特定环境（如潮湿天气、高温条件）下性能卓越等优势，中波红外热成像仪的较高价格往往物有所值。
在反无人机（C-UAS）领域的应用
反无人机（C-UAS/C-UAV）技术旨在探测、跟踪、干扰甚至摧毁无人机，以防止其未经授权擅自进入特定区域。在这些反无人机系统中，通常采用多种手段来监测空域并识别可疑目标，包括雷达、可见光摄像机以及长波红外（LWIR）、中波红外（MWIR）和短波红外（SWIR）热成像仪。被动式长波红外（LWIR）和中波红外（MWIR）热成像技术是实现反无人机功能的两种出色方案，它们具备极高的环境适应可靠性、卓越的远距离探测能力，以及应对各种反探测手段的出色性能。您可以参阅我们的技术文章《被动式热成像与反无人机技术》（Passive Thermal Imaging and C-UAS），以获取关于将 LWIR 和 MWIR 应用于反无人机领域的更详尽评估与分析。
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