导读
红外测温仪能够在不接触被测物体的情况下快速获得表面温度，其中一个重要原因，就是仪器内部具有专门用于接收红外辐射的光学系统。
在实际测量中，红外测温仪并不是只接收一个“点”的红外能量，而是接收一定区域内目标表面发出的红外辐射。这个区域有多大、能够从多远的位置测量、是否会把周围背景一起测进去，都与仪器的光学系统密切相关。
因此，了解红外测温仪的光学系统，有助于正确理解视场、测量光斑、D:S距离系数和光学分辨率等重要参数，也能帮助用户减少因测量距离或目标尺寸不合适造成的测量误差。
本文重点
● 红外测温仪的光学系统负责收集目标表面的红外辐射，并将其引导到红外探测器。
● 红外测温仪测量的是一个具有一定面积的区域，而不是激光指示器形成的单个光点。
● 透镜或红外窗口、光阑、滤光结构及相关光学组件共同决定仪器能够接收哪些方向和波段的红外辐射。
● 视场和测量光斑决定仪器在某一距离下实际测量多大的目标区域。
● D:S距离系数是描述红外测温仪光学分辨能力的重要参数之一，D:S越大，通常越适合在较远距离测量较小目标。
● 激光主要用于辅助瞄准，并不是红外测温仪真正用于检测温度的测量光束。
什么是红外测温仪的光学系统？
红外测温仪的光学系统，可以理解为仪器接收目标红外辐射的“眼睛”。
任何温度高于绝对零度的物体都会向外发射一定程度的电磁辐射，其中包括红外辐射。红外测温仪利用这一特性，通过光学系统接收目标表面的红外能量，再由红外探测器将其转换为电信号，最终由内部电路计算出相应的温度。
整个过程可以简单理解为：
● 目标表面发射红外辐射；
● 光学系统收集一定区域内的红外能量；
● 光学组件将红外能量引导或聚焦到探测器；
● 探测器将接收到的红外能量转换为电信号；
● 信号处理电路结合发射率、环境补偿和校准参数进行计算；
● 仪器显示最终测量温度。
因此，光学系统位于目标与红外探测器之间，是决定红外测温仪“看哪里、看多大范围以及能够从多远位置进行测量”的关键部分。
红外测温仪的光学系统主要由哪些部分组成？
不同型号红外测温仪的光学结构并不完全相同，但通常会涉及红外透镜或红外窗口、光阑、滤光结构以及探测器前端的相关光学组件。
红外透镜或红外窗口
其主要作用是允许指定波段的红外辐射进入仪器，并根据光学设计将来自目标区域的红外能量传递到探测器。
由于普通光学玻璃并不一定能够有效透过红外测温仪所使用的红外波段，因此红外测温系统通常需要选择适合其工作波段的红外透过材料。具体采用哪种材料，与测温范围、工作波段、成本以及光学结构有关。
光阑和视场限制结构
光阑用于限制进入系统的红外辐射方向和范围，使探测器主要接收规定视场内的能量。
如果没有合理的视场限制，目标周围其他物体产生的红外辐射可能进入探测系统，从而增加背景干扰。
滤光结构
红外测温仪通常只对特定红外波段内的辐射进行检测。光学滤光结构与探测器自身的光谱响应共同决定仪器实际使用的工作波段。
常见通用型红外表面测温仪可能工作于长波红外区域，例如8～14 μm附近，但不同产品的工作波段可能不同，应以具体产品技术规格为准。
红外探测器
严格来说，红外探测器属于传感部分，但它与光学系统紧密配合。光学系统收集到的红外能量最终需要到达探测器，探测器再把辐射能量转换成可供电子电路处理的信号。
因此，即使使用相同类型的探测器，不同的光学结构也可能使红外测温仪具有不同的测量距离、测量光斑和光学分辨率。
红外测温仪的光学系统是如何工作的？
当红外测温仪对准目标表面时，仪器前端的光学系统会接收来自一定视场范围内的红外辐射。
这些红外能量经过透镜、窗口、光阑及相关光学结构后，被传递或聚焦到红外探测器上。探测器接收到的辐射能量越强，对应产生的检测信号也会发生相应变化。
但红外测温并不是简单地根据“接收到多少红外线”直接显示温度。
仪器还需要结合探测器特性、内部温度补偿、目标发射率、校准参数以及信号处理算法，将接收到的红外辐射转换成目标表面温度。
因此，一个完整的红外测温系统实际上包括：
● 光学系统——决定接收哪里的红外辐射；
● 红外探测器——把红外辐射转换为可检测信号；
● 信号处理电路——对信号进行放大、补偿和计算；
● 发射率设置——补偿不同材料表面的辐射特性；
● 显示系统——输出最终温度结果。
其中，光学系统首先决定了“仪器究竟测到了哪个区域”，这是获得可靠测量结果的基础。
什么是红外测温仪的视场？
视场通常称为Field of View，即FOV。
它描述红外测温仪能够接收红外辐射的空间范围。随着仪器与被测目标之间距离发生变化，对应的测量区域也会发生变化。
可以把红外测温仪想象成一个具有固定观察范围的“红外眼睛”。
当仪器距离目标较近时，覆盖的目标区域通常较小；随着测量距离增加，仪器看到的区域逐渐扩大，测量光斑也随之变大。
因此，如果目标尺寸较小，而测量距离又过远，红外测温仪的视场就可能同时覆盖目标以及目标周围的背景区域。
例如测量一根较细的加热管，如果测量距离过远，实际进入视场的可能不仅包括加热管，还包括后面的墙面或设备结构。此时仪器接收到的是多个区域红外辐射的综合结果，显示温度就可能偏离真正需要测量的目标温度。
什么是测量光斑？
测量光斑是指红外测温仪在特定测量距离下实际接收红外辐射的目标区域。
虽然通常使用“光斑”这个名称，但这里并不是指肉眼看到的激光光点，而是红外光学系统形成的实际测量区域。
测量光斑一般随着测量距离增加而增大。
例如，一台红外测温仪在较近距离可能只测量一个较小区域；当距离增加数倍后，测量区域的直径也会相应增加。
因此，在测量小型元件、细管、电气连接点或者局部高温区域时，不能只考虑仪器能否“瞄准”目标，还需要确认实际测量光斑是否小于被测区域。
如果目标小于实际测量光斑，周围背景产生的红外辐射就可能进入测量结果。
D:S距离系数与光学系统有什么关系？
D:S是Distance-to-Spot Ratio的缩写，通常称为距离系数、距离与光斑比或光学分辨率参数。
其中：
● D代表红外测温仪与目标之间的测量距离；
● S代表该距离下对应的测量光斑尺寸。
例如，某红外测温仪标称D:S为12:1，可以简单理解为，在一定条件下，当仪器距离目标约1200 mm时，对应测量光斑直径约为100 mm。
同样情况下：
● 12:1的仪器在1200 mm距离测量约100 mm的区域；
● 30:1的仪器在相同距离下可以测量更小的区域；
● 50:1或更高光学分辨率的仪器，则更适合远距离或较小目标测量。
因此，D:S越大，通常意味着仪器在相同距离下能够测量更小的目标区域，或者在测量相同尺寸目标时允许使用更远的测量距离。
需要注意，D:S主要用于理解光学测量范围。实际光斑尺寸应优先参考制造商提供的距离—光斑尺寸图，因为真实光学系统并不是一个完全理想的几何锥形。
为什么目标必须大于测量光斑？
这是使用红外测温仪时非常重要的一项原则。
红外测温仪会接收整个视场范围内的红外辐射。如果目标面积没有完全覆盖测量视场，周围背景产生的红外能量就可能同时进入探测器。
例如需要测量一个80℃的小型金属部件，而部件后方墙面的温度只有25℃。如果测量距离太远，使实际光斑同时覆盖金属部件和墙面，那么红外测温仪接收到的并不完全是金属部件的辐射。
这种情况下，显示结果可能明显低于目标真实表面温度。
因此在实际测量中应尽量满足：
● 被测区域能够完全覆盖仪器测量光斑；
● 对准确性要求较高时，应让目标明显大于测量光斑；
● 对较小目标测量时，应适当缩短测量距离；
● 无法靠近目标时，应选择更高D:S的红外测温仪。
不能仅仅因为激光点落在目标上，就认为仪器一定只测量到了目标。
激光指示器属于测温光学系统吗？
很多手持式红外测温仪配置单激光、双激光或多点激光辅助瞄准，因此部分用户容易认为红外测温仪是通过激光测量温度。
实际上并不是这样。
激光指示器的主要作用是帮助用户确认仪器所指向的位置。真正用于测量温度的是目标自身发出的红外辐射，而不是激光束。
也就是说：
● 激光用于辅助瞄准；
● 红外光学系统用于接收目标辐射；
● 红外探测器负责检测红外能量；
● 温度计算由内部电子系统完成。
部分产品的激光点可能位于测量区域中心附近，也有些设计采用两个激光点帮助表示测量区域范围。具体激光与测量光斑之间的对应关系，应参考对应型号的使用说明。
因此，判断能否准确测量某个目标时，应该重点查看D:S距离系数和光斑尺寸图，而不能只根据激光点大小判断。
光学分辨率为什么重要？
光学分辨率决定红外测温仪区分小目标和远距离目标的能力。
对于面积较大的目标，例如墙面、地板、大型机械外壳或管道表面，一般不需要特别高的光学分辨率，因为目标容易完全覆盖仪器视场。
但以下应用通常更加关注光学分辨率：
● 远距离测量高温设备；
● 测量较细的管道；
● 检查电气端子或连接点；
● 测量PCB、电机或机械部件上的局部区域；
● 检测难以靠近的高温或运动目标；
● 测量空间狭小区域中的指定部件。
例如同样测量直径20 mm的目标，高D:S仪器可以允许用户从更远的位置进行测量，而较低D:S仪器则可能需要靠得更近。
因此，选择红外测温仪时不能只比较测温范围和精度，还应该根据实际目标尺寸和测量距离选择合适的光学分辨率。
光学系统是否有固定焦距？
不同红外测温仪采用的光学设计不同。
很多普通手持式红外测温仪采用固定光学结构，用户无需进行手动调焦，只需要按照厂家提供的D:S参数和距离—光斑图选择合适的测量距离。
部分用于小目标测量或专业工业测温的设备可能采用近焦、可调焦或其他特殊光学结构，使仪器能够在特定距离获得更小的测量光斑。
因此，在测量非常小的目标时，仅仅选择高D:S并不一定足够，还应确认产品在实际工作距离下能够达到的最小光斑尺寸。
哪些因素会影响红外测温仪的光学测量？
除了光学系统本身的设计外，实际使用环境和操作方式也会影响红外能量能否正确进入探测器。
测量距离过远
测量距离增加后，光斑逐渐扩大。如果光斑超过目标尺寸，背景温度就可能影响测量结果。
目标尺寸过小
当目标不能完全覆盖仪器视场时，红外测温仪可能同时测量目标及其周围区域。
镜头或红外窗口污染
灰尘、油污、水汽或其他污染物附着在光学窗口表面，可能降低红外能量的有效传输，因此应保持仪器前端光学区域清洁。
光路受到遮挡
如果目标与仪器之间存在遮挡物，红外辐射可能无法正常进入光学系统。
通过普通玻璃测量
普通玻璃在可见光下虽然透明，但并不意味着在红外测温仪使用的波段同样透明。因此，一般不能简单地隔着普通玻璃测量玻璃后方物体的真实表面温度。
烟雾、蒸汽或大量粉尘
较强的烟雾、蒸汽或粉尘可能吸收、散射或改变目标到仪器之间的红外辐射，从而影响测量。
测量角度过大
红外测温仪通常更适合尽量正对目标表面测量。角度过大不仅会改变实际覆盖区域的形状，还可能增加表面反射等因素带来的影响。
如何根据光学系统正确使用红外测温仪？
为了让仪器的光学性能得到正确发挥，实际使用时可以遵循以下原则：
● 测量前确认仪器的D:S距离系数；
● 查看说明书中的距离—光斑尺寸图；
● 确保被测区域大于实际测量光斑；
● 测量较小目标时尽量缩短距离；
● 远距离测量小目标时选择更高光学分辨率的产品；
● 不要把激光点大小理解为实际测量区域大小；
● 保持红外窗口或镜头区域清洁；
● 尽量避免隔着玻璃、烟雾、蒸汽等介质测量；
● 测量时尽可能正对目标表面；
● 除了光学条件外，还应正确设置目标材料对应的发射率。
其中最后一点尤其重要。光学系统解决的是“测量哪个区域”的问题，而发射率则影响仪器如何根据接收到的辐射计算目标温度。
只有测量区域、测量距离和发射率等条件都设置合理，才能获得更可靠的红外温度测量结果。
FAQ
红外测温仪的光学系统有什么作用？
主要作用是收集目标区域发出的红外辐射，并将这些红外能量传递或聚焦到红外探测器，同时限定仪器实际测量的视场范围。
红外测温仪测量的是激光点位置吗？
不是。激光主要用于辅助瞄准，实际测量的是红外光学系统视场覆盖区域内的红外辐射。
为什么距离目标越远，测量区域越大？
因为红外测温仪具有一定的光学视场。随着目标距离增加，视场覆盖的实际面积通常也会增加，因此测量光斑会逐渐变大。
D:S越大是否越好？
D:S越大代表仪器通常具有更高的光学分辨能力，在远距离测量小目标时更有优势。但实际选型还需要综合考虑测温范围、精度、响应时间、发射率设置以及应用环境，并不是所有应用都需要很高的D:S。
目标比测量光斑小会发生什么？
仪器可能同时接收到目标及周围背景区域产生的红外辐射，使显示温度偏离目标真实表面温度。
可以隔着普通玻璃使用红外测温仪吗？
通常不能直接透过普通玻璃测量后方物体的表面温度。普通玻璃对红外测温仪所使用的部分红外波段并不透明，此时仪器更可能受到玻璃自身温度和反射的影响。
光学窗口脏了会影响测温吗？
可能会。灰尘、油污、水汽或其他附着物可能影响红外辐射进入仪器，因此应按照产品说明保持光学窗口清洁，并避免使用可能损伤光学表面的清洁方式。
总结
红外测温仪的光学系统是连接被测目标与红外探测器的重要部分，其主要任务是收集指定区域内的红外辐射，并将能量有效传递到探测器。
光学系统直接决定了仪器的视场、测量光斑、D:S距离系数和光学分辨能力。这些参数进一步决定红外测温仪能够从多远的位置测量多大的目标。
在实际使用中，用户不能只关注激光点是否对准目标，而应确认实际测量光斑是否完全位于被测区域内。对于小型目标或远距离目标，需要特别关注仪器的D:S参数以及厂家提供的距离—光斑尺寸图。
正确理解红外测温仪的光学系统，可以帮助用户合理选择测量距离和目标尺寸，减少背景区域对测量结果的影响，并为获得稳定、可靠的非接触温度测量结果提供基础。
