为什么光斑尺寸至关重要

透镜接收来自测量光斑发射的红外能量，并将其聚焦到探测器上。只有当测量对象的尺寸大于探测器光斑的尺寸时，基于该技术进行的测量才能准确无误。

对于 Optris红外测温仪和红外热像仪，通常有两种光学配置可供选择。标准光学镜头会导致光束路径发散。因此，随着与传感器距离的增加，测量光斑（测量点）也会变得越大。远场光学镜头是一类经过特殊设计的标准光学系统，具有极窄的光束路径，即使将传感器安装在距离目标数米远的地方，也能保持较小的测量光斑尺寸，因此它们专为远距离测量而进行了优化。

近焦镜头设计有会聚光束几何结构，这意味着光斑尺寸在特定距离处会缩小到最小值，然后再次扩大。这会形成一个“光腰”或焦点，在此处光学系统可以达到最小的光斑尺寸和最高空间分辨率。

许多红外测温仪都配备了定焦镜头（固定焦距光学系统），这意味着它们已经针对特定的测量距离进行了预先调节。用户必须选择一个其焦距与实际应用紧密匹配的型号。虽然在预设焦距之外仍有可能获得准确的温度读数，但由于最佳聚焦（以及由此带来的最小光斑尺寸）只能在某一个固定的距离范围内实现，因此在焦距之外光学分辨率（D:S 距离系数比）会显著下降。

相比之下，具有可调焦距的红外测温仪允许用户连续调节焦距，以匹配所需的测量距离。这确保了在任何时候都能获得最佳的光学分辨率，因为在任何选定的距离下，其 D:S（距离系数比）都能实现最大化。因此，变焦设备特别适用于测量距离发生变化或目标尺寸各异的应用场景，能够在更广泛的实际工况中提供更高的灵活性和测量精度。

红外测温中的距离系数比

对于测温仪，距离系数比（D:S 比）定义了测量距离与红外测温仪所测光斑直径之间的关系。在辐射测温学中，按照惯例，距离系数比（D:S 比）是指：与足够大的黑体所发出的信号相比，当辐射信号衰减 10% 时，对应黑体的直径。

它表明了测量光斑相对于传感器到目标距离的大小。更高的 D:S 比意味着在给定距离下光斑尺寸更小，从而能够对微小或遥远的目标进行更精确的温度读取。随着 D:S 比的增大，光学分辨率也会随之提高。相反，较低的 D:S 比则需要将传感器放置在离目标更近的位置，以确保目标能够充满光斑，从而最大程度地减少背景环境的影响和测量误差。

一个关键的性能指标是距离系数比（D:S 比），它将测量距离z与有效光斑直径[math]d_m[/math]联系在了一起。

[math]D:S=\frac{z}{d_{m}}[/math]

虽然光斑尺寸会随着距离的增加而增大，但该比例保持不变。相反，在诸如紧凑型测温仪等定焦设备中，D:S 比仅针对特定的焦距给出。将目标移出焦点会降低 D:S比，导致测量光斑变大，并可能引起温度偏差。

光斑尺寸被定义为这样一个黑体目标的直径：与来自足够大黑体的参考信号相比，该目标会导致信号下降 10%。这一定义考虑了球差和色差、有效探测器面积以及光路内的散射效应。基于透镜参数和探测器尺寸，对 D:S 比的几何估算分别由有效孔径[math]D[/math] 、f数 [math]\ f[/math]以及探测器的传感器面积[math]A_S[/math]决定。

[math]D:S=\frac{f\ \cdot\ D\ }{\sqrt{A_S}}[/math]

对于配备了镀膜红外透镜且探测器面积远大于波长的系统，这种几何估算能够非常接近地近似实际有效 D:S 比。在大多数情况下，拥有较小的光斑尺寸（即较大的 D:S 比）是极具优势的，这使测温仪即使在较远距离下也能检测到微小的目标。然而，这需要对设备进行精确的对准调校（通常通过激光或视频瞄准来实现），从而匹配和驾驭这种高水准的光学分辨率。

典型的D:S比（距离系数比）取决于温度范围和光学设计。对于低温应用（−50 °C至150 °C ），通常使用中等大小的D:S 比。而对于高温应用（>150 °C），由于探测器工作在更短的波段，20:1直至 300:1的高 D:S 比非常普遍。

热像仪的测量视场角

与测量单个光斑红外辐射的红外测温仪不同，红外热像仪使用二维焦平面阵列（FPA）来生成热图像。然而，这些阵列的分辨率受到了微小像素尺寸的限制，这些像素的尺寸通常与红外波长处于同一数量级。因此，光学分辨率从根本上受到了衍射限制，这为图像中能够清晰分辨细节的精细程度设定了物理极限。

热像仪的空间分辨率通常用瞬时视场角（[math]IFOV[/math]）来描述——即单个像素的张角大小：

[math]IFOV=\frac{FOV}{Number\ of\ Pixels}[/math]

该数值范围在0.3至15 毫弧度（mrad）之间，具体取决于热像仪的光学镜头和分辨率。然而，由于像素尺寸极其微小，通常与红外波长相当，其分辨率在根本上受到了衍射极限的限制。

测量视场角（MFOV）定义了在给定距离下，红外热像仪的单个像素所能分辨的最小可测区域。它描述了到目标的距离与物体表面上像素覆盖区域之间的关系。较小的 MFOV 意味着更高的空间分辨率，使热像仪能够检测到更小区域内更微小的温度差异。随着到物体距离的增加，每个像素的投影面积会随之增大，从而降低了局域温度测量的精度。为了确保读数准确，目标必须覆盖多个像素——通常至少为3×3 个像素——以最大程度地减少平均效应和背景环境的影响。

距离系数比（D:S 比）可以使用以下公式进行估算，从而能够对热像仪和红外测温仪的性能特性进行有效的对比：

[math]D:S=\frac{1\ }{MFOV}[/math]

红外测温与热成像中理想温度测量的光斑尺寸

只有当被测物体大于红外设备的测量光斑尺寸时，基于红外设备的测量结果才可能是正确的。为了实现准确的温度测量，目标的尺寸至少应等于测量光斑的大小。这可以确保在目标尺寸与测量光斑完全一致时，测量设备能够捕获到目标至少 90% 的能量。

确保物体尺寸大于或至少等于测量光斑是至关重要的。在所有设备中，只有双色测温仪（比色测温仪）能够在不引起误差的情况下，测量比测量光斑更小的目标，其允许的信号衰减可达 80%。为了确保测量准确，务必核实测温仪在特定距离下的实际测量光斑尺寸。

为了确保测量结果可靠且准确，被测目标应当完全充满——且理想情况下大于——测量光斑。

这在 8–14 µm 波段尤为关键，由于该波段的光谱响应较宽，因此对背景环境干扰的敏感度最高。目标尺寸与测量光斑尺寸之间的关系对测量精度有着重大影响。当目标充满或大于测量光斑时，传感器仅捕获目标的辐射，不会产生温度偏差。然而，如果光斑尺寸大于目标尺寸，传感器还会检测到来自周围环境（通常温度较低）的背景辐射。这会导致信号混杂，从而引发温度低估（测量值偏低）。测量误差的大小取决于目标与周围环境之间的温差对比，以及光斑内背景所占的比例。

图 3 展示了在使用工作在长波红外（LWIR）波段的红外传感器时，测量光斑内目标覆盖不完全是如何导致显著温度误差的。 当目标完全充满光斑时，传感器仅捕获目标的辐射，从而获得准确的温度读数。然而，如果测量光斑超过了目标的尺寸，传感器还会检测到来自周围较冷环境的背景辐射。由此产生的信号是两者的加权平均值，从而导致测得的温度偏低。

这种偏差的程度强烈取决于目标与背景之间的温差（ΔT ），以及目标在光斑中所占的比例。ΔT 越大且目标覆盖比例越小，导致的误差就越严重。如图所示，即使是轻微的未充满状态，也可能会引入超过 −30 %  的偏差，尤其是在温差对比强烈的场景下。

图 4 展示了当红外测量光斑超过目标尺寸时，测量精度是如何恶化的。 随着目标尺寸与光斑尺寸比值的下降，传感器检测到的来自较冷背景的辐射越来越多，从而导致实际温度被严重低估。这种效应因设备的光谱敏感度不同而有所差异。长波传感器（例如 8–14 µm ，标记为“LT”）表现出最大的偏差，而短波传感器（例如 0.5–1 µm 波段）对光斑未完全充满的情况则表现出更好的抗干扰能力（韧性）。为了确保读数准确，测量光斑必须明显小于目标，对于长波长设备而言尤为如此。