本文旨在简要介绍热成像镜头，即用于红外热成像系统的镜头组件。
在了解热成像镜头之前，首先需要明确什么是热像仪（或热成像摄像机）及其工作原理。表面温度高于绝对零度（-273°C）的物体都会向外辐射红外电磁波（即波长在700纳米至1000微米之间的辐射）。与通过捕捉可见光成像的普通摄像机不同，红外热像仪是通过探测物体温度来成像的设备。由于热成像系统探测的是热量而非光线，因此它可以全天候（24/7）工作；此外，它属于被动式设备，不产生额外辐射，因而不会暴露使用者的位置。
根据波长范围的不同，红外光谱可分为五类：近红外（NIR，波长0.75–1.4微米）、短波红外（SWIR，波长1.4–3微米）、中波红外（MWIR，波长3–5微米）、长波红外（LWIR，波长8–12微米）以及远红外（波长15–1000微米）。其中，中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）是热成像技术主要使用的两个波段。这两种波段的红外辐射能够穿透大气层，通过探测物体间的温差来成像，从而帮助我们在雾天或夜间更有效地观测环境。
图1. 该图展示了Shalom EO的热成像镜头。
具体来说，热像仪（或热成像摄像机）的工作原理是利用光学系统将场景中物体发出的红外辐射聚焦到红外探测器上，随后将各探测单元产生的数字数据转换为标准视频格式，以便在标准视频监视器上显示或记录在磁带上。热像仪内部的探测器主要分为两类：制冷型光子（量子）探测器和非制冷型热探测器。热像仪探测器的作用是接收通过镜头进入的红外辐射，并将温度差异转化为可视图像。因此，探测器自身的发热会增加热噪声，从而导致灵敏度下降。制冷型光子探测器在吸收红外辐射后会产生直接的电效应；而热探测器在吸收红外波后会产生温度变化，进而产生电效应。探测器的材料特性决定了温度变化如何引发电效应。相比之下，制冷型光子探测器的灵敏度更高。制冷型光子探测器通常配备制冷装置，以将探测器温度保持在华氏-130度（约-90摄氏度）或更低，从而维持高灵敏度。制冷型量子探测器常用于中波红外（MWIR）热像仪中。另一方面，非制冷型热探测器不包含温度控制装置，虽然灵敏度可能有所损失，但成本远低于制冷型探测器，且在室温下性能表现良好。通常，非制冷型红外焦平面阵列（FPA）探测器/传感器是专为配合工作波段在8-12微米的长波红外（LWIR）热成像镜头而设计的。
在设计与制造红外相机镜头时，所选用的材料与可见光镜头不同；这些材料必须在目标红外波段内保持透明。例如，在制造长波红外（LWIR）热成像镜头时，硅并非理想选择（其效果不如锗），因为硅对于波长超过 7000 纳米的光线是不透明的。除了材料因素外，还需权衡并兼顾视场角、重量、尺寸以及对焦机制等其他关键因素。
图2. Shalom EO 提供的单片红外锗透镜
一套完整的热成像镜头模组通常由多个透镜元件构成。设计人员会根据镜头组件的预期用途，精心选择并组合各种材质（例如，将热膨胀系数互补的材料组合在一起，以实现无源光学热补偿）及功能各异（例如：双凸透镜用于收集和汇聚热辐射并平衡球差；平凹透镜用于发散准直光束或准直汇聚光束；消色差双胶合透镜用于消除色差等）的单片红外透镜元件。
除了材料之外，还有其他关键参数决定了红外镜头组件的功能与性能，包括：传感器尺寸与分辨率、景深 (DOF)、焦距、视场角 (FOV)、F数 (f-number)、材料透过率、图像畸变、调制传递函数 (MTF)、球差以及彗差。如需了解这些术语的定义，请参阅我们的技术文章《镜头选型指南》。
不同类型的热成像镜头：热成像镜头可根据工作波长进行分类，例如：工作于 0.9–1.7 微米光谱范围的短波红外 (SWIR) 镜头；工作于 3–5 微米红外辐射范围的中波红外 (MWIR) 镜头；以及工作于 8–12 微米光谱范围的长波红外 (LWIR) 镜头。
短波红外 (SWIR) 成像能呈现更多细节并提供更好的对比度，这是因为 SWIR 光与物体相互作用的方式与可见光相似，即光子会从物体表面反射。然而，这一特性也意味着 SWIR 镜头在很大程度上依赖于可见光照明条件。SWIR 热成像镜头通常与 InGaAs（铟镓砷）传感器配合使用。SWIR 热成像能够揭示肉眼无法察觉的细节，在农业和前沿生物学研究领域发挥着关键作用。
中波红外镜头用于探测受热物体发出的辐射，是远距离探测与监控任务的理想选择。此外，中波红外（MWIR）热像仪通常采用制冷型光子探测器（如由碲镉汞或锑化铟制成的焦平面阵列探测器），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，中波红外热成像在抑制热噪声与杂波、区分相近温度以及提升图像目标对比度方面表现更佳。相比长波红外镜头，中波红外镜头受大气吸收的影响也较小，这使其成为众多应用领域的理想选择，包括国防（夜视、目标探测、无人机系统及反无人机系统）和工业过程监测（如油气检测）。中波红外镜头的一个主要缺点是成本通常较高。
长波红外（LWIR）热像仪镜头是热成像领域的常规选择，这主要归功于其价格亲民，且在捕捉常温物体时性能出色。此外，长波红外辐射受烟雾和气溶胶的影响较小，因此在消防等应用场景中，长波红外热像仪比中波红外热像仪更具优势。然而，对于追求远距离探测和清晰成像的用户而言，长波红外镜头则存在劣势；这是因为长波红外辐射在长距离传输或受空气分子等干扰因素影响时，往往会面临严重的信号衰减问题。
热成像镜头也可根据其光学结构进行分类，例如单视场（FOV）镜头、双视场镜头、连续变焦镜头、无热化镜头、鱼眼及超广角镜头以及显微热成像镜头。各类镜头的详细说明如下：
无热化热成像镜头是专门设计用于减轻“热离焦”效应的镜头。热离焦是指由于温度变化导致光学材料折射率改变，进而引起光轴上焦点位置发生偏移的现象。Shalom EO 提供被动式无热化热成像镜头。
视场角（FOV）定义为设备能够感应电磁辐射的最大角度范围。单视场镜头和双视场镜头分别提供固定视场角或两种视场角。在实际应用中，为了让用户更方便地对目标进行清晰聚焦，这些镜头通常集成了手动或电动调焦机构，允许对焦距进行微调，因此镜头标称的固定视场角也能在一定范围内进行微调。
变焦镜头是指在设计范围内提供多种焦距选择的镜头组件，这与焦距固定的定焦镜头相对。连续变焦（CZ）镜头支持焦距的连续调节，使用户无需改变工作距离，即可在从近距离到远距离的宽广范围内获得清晰的成像。变焦功能在各种热成像应用场景中极具价值，其优势在于为用户提供灵活的视觉体验，能够根据需要随时调整放大倍率。
鱼眼镜头和超广角镜头能够提供远超普通镜头的超宽视场角；与常规镜头相比，这两类镜头的焦距也短得多。鱼眼镜头与超广角镜头之间并无明确的焦距或视场角（FOV）界限。它们的主要区别在于：鱼眼镜头的前组镜片呈凸出的抛物面状（酷似鱼眼），且成像时会产生极显著的桶形畸变，需要通过算法进行校正。（点击此处查看关于鱼眼镜头的基础指南。）
显微热成像镜头可在微观尺度上提供卓越的热成像能力，使用户能够深入探究微小结构中的温度分布。凭借出色的放大倍率和对焦性能，该类光学镜头能呈现清晰锐利的图像，从而助力对精细物体结构的深入分析。
在掌握了热成像镜头的基础概念后，您便可以进一步深入了解这一领域。点击此处查看“红外热成像镜头关键参数详解”；在该页面中，Shalom EO 详细解析了图像分辨率、视场角（FOV）、F数（光圈值）、法兰距等重要参数，并阐述了这些参数在热成像镜头应用中的具体意义。
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