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热成像技术综述

克日什托夫·赫扎诺夫斯基

书籍作者：克日什托夫·赫扎诺夫斯基

书籍标题：热成像技术综述
出版商：INFRAMET
国际标准书号：978-83-972882-0-1
出版日期：2024 年 8 月 23 日
版权归属：Krzysztof Chrzanowski
本电子书为开放获取资源，允许以任何媒介形式复制、传播且无需付费，但须确保正确引用本书内容、仅限非商业用途，且不得进行任何修改或改编。

声明：

作者/出版方在准备本书所提供的信息和指南时已极为审慎。然而，书中包含的指南及其他材料仅具一般性参考价值。
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热成像技术综述

克日什托夫·赫扎诺夫斯基

作者前言

热成像仪是国防/安全领域最重要的光电成像系统。这些成像设备在民用领域同样至关重要，可实现非接触式温度测量。
因此，热成像技术受到了全球科学界的广泛关注。已有数以万计与此技术相关的科学论文发表，同时也有数十本专著或综述论文专门探讨热成像。
然而，现有关于热成像技术的书籍或综述论文多聚焦于该技术的特定应用场景、热成像物理原理、成像仪特定模块的设计或其他狭窄的技术层面。
本书的独特之处在于，它尝试对热成像技术这一完整而广阔的领域进行全面综述，并回答该技术相关的核心问题：
  1. 热成像仪是如何设计/制造的，
  2. 热成像仪的基本构建模块是如何组成的，
  3. 全球市场上现有的热成像仪在技术上如何分类，
  4. 热成像仪表征的基本规则有哪些，
  5. 热成像技术的未来技术趋势是什么。
作者希望这篇关于现代热成像技术的综述能帮助读者理解热像仪的设计与制造、国际热成像市场的复杂现状以及潜在的未来技术趋势。
作者是一家热像仪测试设备制造商的 CEO，同时也是一位科学家——大学 2 2 ^(2){ }^{2} 教授——在热成像领域深耕三十余年。双重身份使他积累了丰富的热成像实践经验，这些专业知识被用于撰写本书。
作为商业公司的 CEO，作者负责公司产品的生产与销售；但作为科学家，他坚信以开放获取文献形式自由分享科学知识的理念。
因此这本开放获取的书籍是作者赠予全球热成像技术爱好者的礼物。
附言：作者希望阅读本书的难度远低于拼读他的姓氏 ⊙ ⊙ o.\odot 。同时，作者为书中可能存在的语言瑕疵致歉，因英语非其母语。
2024 年 8 月
克日什托夫·赫扎诺夫斯基

目录

  1. 引言 … 1
  2. 热成像术语 … 3
  3. 热成像基础物理学 … 5
  4. 热像仪的发展历程 … 7
  5. 热像仪制造模型…9
  6. 热像仪功能模块…12
    6.1 IR FPA 图像传感器…12
    6.2 FPA 控制器…19
    6.3 光学物镜…27
    6.4 成像器外壳…35
    6.5 可选模块…35
  7. 图像增强方法…37
    7.1 空间噪声的降低…37
    7.2 盲像素校正…39
    7.3 热像仪温度范围的调节…40
    7.4 图像质量提升方法…42
  8. 热像仪商业分类…44
  9. 热像仪技术分类…45
    9.1 传感器冷却…45
    9.2 成像仪光谱波段…48
    9.3 辐射度校准…49
    9.4 不同类型输出图像的成像仪…51
    9.5 最大监视距离…54
    9.6 辐射测量能力…55
    9.7 与其他成像/激光系统的集成…59
  10. 热像仪表征基础…60
    10.1 热像仪表征概念…61
    10.2 热像仪性能参数… 63
    10.3 最常用参数… 65
    10.4 关键性参数… 69
    10.5 热像仪探测识别距离范围……73
  11. 热成像技术未来趋势……75
    11.1 汽车热成像图…76
    11.2 长寿命、小体积/轻重量/低功耗制冷型热像仪…77
    11.3 高采样率热像仪…79
    11.4 超高图像分辨率热像仪… 80
    11.5 融合型热成像仪…81
    11.6 制冷型 LWIR 热像仪的复兴…83
    11.7 超远距热成像仪…84
    11.8 折叠式热成像仪…85
    11.9 地球观测用空间热成像仪…85
    11.10 热成像仪批量制造…87
  12. 结论…88
  13. 缩略语表…89
    致谢 … 91
    参考文献 … 92

1. 引言

热像仪是一种光电成像系统，主要通过观测靶标自身发射的热辐射，生成典型地球温度环境下靶标的图像。
热像仪已在国防/安防领域（军事、边防、警务等）和民用领域（工业非接触测温、汽车工业、无损热检测、电力线路检测、建筑业、医疗应用、消防救援等）获得广泛应用。虽然民用热像仪市场（尤其是汽车行业）持续增长，但国防与安防市场仍占据主导地位。
热像仪被视为国防安全领域最重要的成像技术，对实现夜间及恶劣气象条件下的作战至关重要。该技术对前文列举的民用应用场景同样具有重大意义。
热成像技术已从 1970 年代的新奇事物发展为可大规模量产的成熟技术。在商业层面，热成像产业规模已达数十亿美元。
热成像技术持续受到全球科学界的高度关注，科学家们对该技术的浓厚兴趣催生了数以千计的学术论文发表。
在 Google Scholar 中以“热成像”为关键词检索该文库，可找到超过 5560 篇相关出版物[1]。若使用类似关键词（如红外成像、热像仪、热谱图），此类与热成像相关的出版物数量还将成倍增加。
SPIE 数字图书馆同样收录了数千篇关于热成像技术的出版物[2]。
对海量文献的分析表明，已有一系列关于热成像的综述论文发表[3-13]。此外，现有书籍中也包含至少部分关于热成像技术的综述内容[14-21]。
此外，热像仪制造商为教育潜在客户而开发的网站教育板块[22-23]，以及科学家创建的多家教育网站[24-27]也提供了大量热成像技术相关信息。
最后，关于热像仪核心组件——IR FPA 图像传感器（或更广义的红外探测器）的物理原理与技术已有出色的综述文献[28-32]。这些论文同样包含了描述热成像技术的章节。
然而，尽管相关科研论文数量庞大，现有关于热成像技术的文献仍存在显著局限性。
首先，绝大多数现有的热成像综述论文仅针对特定应用领域进行评述（尤其是医学应用方向的论文数量众多），目前尚未有论文尝试对热成像技术进行整体性综述。
此外，书籍中涉及热像仪设计的章节通常内容过时，或仅聚焦于辐射测量型成像设备。
其次，现有文献大多聚焦于红外探测器的物理原理与技术，未能全面展现热成像技术的整体面貌。
第三，不同出版物中热成像术语的使用存在混乱，使得该技术领域的新进者难以理解这些论文。
第四，现有文献未涉及国际市场上热像仪制造所采用的实际生产模型。
第五，目前缺乏基于明确技术标准的市场热像仪分类体系，无法以合理逻辑对这些设备进行系统划分。
第六，从设计者角度来看，VNIR 相机（可见光-近红外）等其他成像技术无法与之相提并论。
第七，热像仪的表征方法难以找到明确规则。
第八，关于 IR FPA 技术未来趋势的文献容易获取，但更广泛的热成像技术领域却缺乏相关趋势研究。
在此背景下，本书旨在通过全面审视热成像技术，以期消除或至少减轻这些缺陷。
第二章阐述了热成像术语中的混乱现状。这一澄清尤其有助于该技术领域的新手理解相关概念。
第三章介绍热成像的基本物理原理。重点讨论了理解热成像物理机制所需的核心物理现象（辐射定律、大气传输等）。
第四章从历史角度将热像仪划分为三代产品，并对比了现代凝视型热像仪与人眼成像系统的异同。
第五章提出了一种独特且易于理解的热像仪制造模型，同时详细探讨了采用不同模型时的制造阶段划分。
第六章可视为本书最重要的章节。它详细描述了热像仪的主要组成部分：IR FPA 传感器、FPA 控制器、红外物镜、成像仪外壳及可选模块，并探讨了这些模块的设计准则。
第七章介绍了在热像仪工作中起关键作用的图像增强方法。
讨论了降低热像仪生成视频图像空间噪声的方法、盲像素校正、成像仪温度范围调节以及提升热像仪生成视频图像分辨率/锐度的技术。
第八章阐述了热像仪的商业分类体系，该分类基于全球顶尖制造商采用的目标市场/应用场景标准。
第九章根据作者提出的七项技术标准对热像仪进行技术分类：1)图像传感器冷却方式，2)成像光谱波段，3)辐射定标能力，4)输出图像形式，5)工作距离范围，6)辐射测量功能，7)与成像/激光传感器的集成。
第十章阐述了热像仪表征的基础知识。首先介绍了表征的通用概念及一长串热像仪性能参数清单，随后深入讨论了最流行/最重要的参数。
第十一章展望热成像技术未来趋势，具体探讨了十大技术发展方向：
  1. 车载热像仪
  2. 基于 HOT 光电 IR FPAs 的长寿命、轻量化、低功耗制冷型热像仪，
  3. 基于超小像素 IR FPAs 的高采样率热像仪
  4. Ultra high image resolution thermal imagers based on large IR FPA sensors, 
  5. 融合型热像仪，
  6. Renaissance of cooled LWIR thermal imagers for military applications, 
  7. 超远程热像仪，
  8. 折叠式热像仪，
  9. 地球观测用空间热像仪，
  10. 中等性能、可大规模生产、低成本的熱像仪。
第十二章对本书前述章节内容进行了简要总结。
最后，第十三章列出了本书使用的缩写词列表。

2. 热成像术语

热成像是一项已有约六十年发展历程的成熟技术（起源于 20 世纪 60 年代）。
然而尽管历史相对悠久，目前仍缺乏国际公认的术语标准（或全球通行的专著/科学论文）来规范热成像技术的术语体系。
作者更倾向于将热像仪定义为：利用观测靶标自身发射的热辐射，在地球典型温度范围内生成靶标图像的电子光学成像系统。
需特别指出的是，要成为热像仪，系统必须同时满足三个条件：
  1. 光电成像系统（将光学图像转换为电学图像并可逆处理的过程）
  2. 该系统必须能够生成典型地球温度范围内（约 250K 至约 330K）靶标的图像
  3. 热辐射必须在成像系统的光谱波段中占主导地位
该定义间接指明了热像仪的光谱波段。这是从约 3 μ m 3 μ m 3mum3 \mu \mathrm{~m} 至约 15 μ m 15 μ m 15 mum15 \mu \mathrm{~m} 的波段，因为热辐射在此光谱波段占据主导。
文献中至少存在十种不同的术语用于指代能够进行热成像的成像系统：
  1. 热像仪[33-36]、
  2. 热相机[37-38]、
  3. 热成像相机[39-40]
  4. FLIR [41-42]，
  5. 热像仪 [43-44]，
  6. 热成像相机 [45-46]，
  7. 红外成像辐射计 [47-48]，
  8. 热成像系统[49-50]，
  9. 热观察仪[51-52]，
  10. 热视频系统[53-55]。
作者认为，编号 2-10 的名称基本上是基本名称“热像仪”的同义词。在某些情况下（编号 6-8），这些名称指的是热像仪的子类别。
然而，不同文献来源的作者认为列表中命名的成像系统存在显著差异，这进一步加剧了术语混乱。
为缩短讨论篇幅，我们仅探讨维基百科这一流行网站提出的术语体系。该网站定义了四个术语：
  1. 热成像技术[56]，
  2. 热成像相机[57]，
  3. 热成像相机[58]，
  4. FLIR[59]。
热成像章节开篇即指出，术语"thermography"（热成像）是本著作中使用的"thermal imaging"（热成像）的同义词。
此外，本节还将红外热成像（IRT）定义为一种通过热像仪捕获并利用物体发射的红外辐射生成其图像的过程。
该定义存在明显缺陷，即按照其逻辑所有红外成像系统（包括 NIR 相机或 SWIR 成像仪）均可视为热成像/热辐射成像。这显然不合理，因为 NIR 相机无法探测典型靶标所发射的热辐射。
该结论对 SWIR 成像仪同样普遍适用。此外，该定义中某些部分仅适用于工业应用领域的热像仪，而热成像技术还涵盖监视/军事应用场景。
此外，热成像相机章节实际仅介绍了针对消防员使用优化的热像仪。热成像相机（俗称 TIC）被定义为消防领域使用的热成像摄像机类型。
实际上，这意味着维基百科仅推荐非常
热成像相机这一术语的狭义定义，通常用于描述几乎所有能进行热成像的设备类型。
最后，热成像摄像机章节将热成像摄像机定义为利用红外（IR）辐射生成图像的设备，其原理类似于普通相机利用可见光形成图像。
Instead of the 400-700 nanometre ( nm ) range of the visible light camera, infrared cameras are sensitive to wavelengths from about 1 , 000 nm ( 1 1 , 000 nm ( 1 1,000nm(11,000 \mathrm{~nm}(1 micrometre or μ m μ m mum\mu \mathrm{m} ) to about 14 , 000 nm ( 14 μ m ) 14 , 000 nm ( 14 μ m ) 14,000nm(14 mum)14,000 \mathrm{~nm}(14 \mu \mathrm{~m}). In opinion of the author this definition is wrong for two reasons. First, it is not mentioned that thermal radiation is to be used to create output image. Second, it suggest that even non cooled SWIR cameras sensitive in 1-1.7 μ m μ m mum\mu \mathrm{m} band can be treated as thermographic cameras in situation when such imagers cannot see targets of typical Earth temperatures. 
最后，维基百科 FLIR 词条将前视红外系统（FLIR）定义为军用及民用飞机搭载的、通过热成像相机感知红外辐射的典型系统。这意味着 FLIR 系统本质上是机载热成像仪。
然而实际文献中，FLIR 术语也常被用于描述非机载热成像设备。
此外，主流热成像仪制造商采用的术语体系基本无视维基百科的建议。
例如，根据 Teledyne-FLIR（可能是全球最大的热像仪制造商）官网所述，"thermographic camera"这一术语仅指用于工业非接触温度测量的窄范围辐射测温热像仪，而维基百科则将该术语定义为涵盖几乎所有类型的热像仪，甚至包括消防用热成像设备。
综上所述，对热成像文献的回顾表明，由于缺乏术语标准或其他半标准化文件，该领域几乎存在完全的术语混乱。同一成像系统可能被冠以不同名称。
更重要的是，提供热成像功能的同一系统也可能有多种命名方式。不同作者在科学论文、操作手册和产品目录中使用不同术语，导致即使专业人士也难以理解。
热成像技术术语缺乏标准化是理解该技术的最大障碍之一，尤其对刚接触该领域的新人而言更是如此。

3. 热成像基础物理学

Optical radiation (light of wavelength from about 100 nm to about 1 mm ) is typically divided according to wavelength on different spectral ranges: infrared, visible and ultraviolet. The infrared range is further divided into: near infrared NIR ( 0.78 − 1 μ m 0.78 − 1 μ m 0.78-1mum0.78-1 \mu \mathrm{~m} ), short wave infrared SWIR ( 1 − 3 μ m 1 − 3 μ m 1-3mum1-3 \mu \mathrm{~m} ), mid-wave infrared MWIR (3-6 μ m μ m mum\mu \mathrm{m} ), long-wave infrared LWIR (6-15 μ m μ m mum\mu \mathrm{m} ), and far infrared FIR ( 15 − 1000 μ m 15 − 1000 μ m 15-1000 mum15-1000 \mu \mathrm{~m} ). 
然而需注意的是，所有这些光谱带的辐射均可按起源标准分为两类：
  1. 热辐射
  2. 非热辐射。
热辐射是由所有温度高于绝对零度的辐射源产生的、遵循普朗克定律的辐射。
非热辐射是由所有非热现象产生的辐射：激光、电致发光、光致发光、回旋/同步辐射等。
在地球环境下遇到的几乎所有光学辐射都属于热辐射。值得注意的是，太阳光（包括可见光范围）实际上是由太阳这一超高温辐射体发出的热辐射。
月光亦是如此，它实际上是太阳热辐射经月球反射后的产物。
Thermal radiation emitted by targets of typical Earth temperatures from about − 40 ∘ C − 40 ∘ C -40^(@)C-40^{\circ} \mathrm{C} to about 80 ∘ C 80 ∘ C 80^(@)C80^{\circ} \mathrm{C} dominates in medium-wave infrared and long-wave infrared (the spectral range from about 3 μ m 3 μ m 3mum3 \mu \mathrm{~m} to 15 μ m μ m mum\mu \mathrm{m} ) over radiation emitted by sun, moon, stars, and sky. Totally inverse situation exists in visible, near infrared range and short infrared range (VIS-SWIR band - wavelengths below 3 μ m 3 μ m 3mum3 \mu \mathrm{~m} ) where thermal radiation emitted by Earth targets is almost not existing. 
因此，通常被监视的目标（如人类、机动车辆、船舶、飞机）所辐射的能量在 MWIR-LWIR 光谱波段发射，而同一目标在 VIS-SWIR 光谱波段反射光学辐射（图 1）。
基于这些原因，术语“热辐射”通常被理解为地球常温目标在 MWIR-LWIR 光谱波段发射的辐射。
图 1. 由目标靶标产生的光学辐射进入成像系统
目标靶标发射的热辐射在靶标与热像仪之间的大气中发生衰减。
Atmosphere transmission depends on many factors (distance, humidity, temperature, altitude, weather conditions) but for any case it can be said that atmosphere transmits relatively well only in two so called atmospheric windows: MWIR window (about 3-5 μ m μ m mum\mu \mathrm{m} ) and LWIR window (about 8 − 2 μ m 8 − 2 μ m 8-2mum8-2 \mu \mathrm{~m} ). It should be noted that inside MWIR window there is an internal absorption band (about 4.15 4.35 μ m ) 4.35 μ m ) 4.35 mum)4.35 \mu \mathrm{~m}). Typical transmission spectrum is shown in Fig. 2. 
Further on, it should emphasized that average spectral exitance of typical targets is much higher in LWIR spectral band comparing to MWIR spectral band. In detail this ratio is approximately 24 times for targets of typical lab temperature 20 ∘ C 20 ∘ C 20^(@)C20^{\circ} \mathrm{C}. This ratio clearly indicates that even if both atmospheric windows can be used for thermal imaging then MWIR imagers of much higher sensitivity are needed to compensate much weaker radiance in this spectral band. 
此外，由于温度与辐射信号之间存在更强的非线性关系，MWIR 成像仪的电子系统必须设计为能接收比 LWIR 成像仪动态范围大得多的可变强度辐射信号输入。
最后需要指出的是，由于波长较长，在相同光学孔径条件下，LWIR 光学系统的衍射模糊效应约为 MWIR 光学系统的 2.5 倍。
这意味着相较于相同空间分辨率的 LWIR 成像仪，MWIR 成像仪可采用更小尺寸的光学系统进行设计。
图 2. 100 米距离处大气近似透过率与 300K 温度下典型目标的相对光谱分布。

4. 热像仪的代际发展

要理解热成像技术的现状及未来潜力，无需深究其悠久历史的具体细节。
然而，此处仍需探讨热像仪按代划分的历史分类，因为理解这一历史划分对把握当今技术至关重要。
从历史上看，红外热像仪一般分为三代。
First generation are two directional scanning imagers. They are built using an image sensor with so low pixel number that two-direction scanning is needed. 
The image sensor can be in different forms: discrete detector, simple non-multiplexing photo-conductive linear arrays (typically PbSe , InSb PbSe , InSb PbSe,InSb\mathrm{PbSe}, \mathrm{InSb} or HgCdTe ) of elements number not higher than about one hundred, or the SPRITE detectors. These imagers usually operated in 8 − 12 μ m 8 − 12 μ m 8-12 mum8-12 \mu \mathrm{~m} spectral range, use the optics of F / 2 − F / 4 F / 2 − F / 4 F//2-F//4\mathrm{F} / 2-\mathrm{F} / 4 number, and are characterized by temperature resolution NETD about 0.2 K . Nowadays, first generation camera can be treated as totally extinct group of thermal imagers. 
Second generation thermal imagers are one directional scanning imagers. They are built using a linear image sensor with so high pixel number that only one-direction scanning is needed. In detail, Gen. 
2 scanning cameras are built using linear arrays of line-elements number higher than about 100 but lower than about 612. Temperature resolution NETD of these cameras is improved up to the level of about 0.1 K. 
Thermal cameras built using improved multi-linear FPAs can be treated as a subgroup of Gen. 2 imagers and are called Gen 2 + 2 + 2+2+ imagers. Temperature resolution of Gen 2 + 2 + 2+2+ can be improved up to the level of about 0.05 K . Typical examples of these systems are HgCdTe multilinear 288 × 4 288 × 4 288 xx4288 \times 4 arrays fabricated by Sofradir (presently Lynred) both for 3 − 5 μ m 3 − 5 μ m 3-5mum3-5 \mu \mathrm{~m} and 8 − 10.5 μ m 8 − 10.5 μ m 8-10.5 mum8-10.5 \mu \mathrm{~m} bands with signal processing/enhancement in the focal plane (photocurrent integration, skimming, partitioning, TDI function, output preamplification and some others). Gen. 2 + 2 + 2+2+ imagers are characterized by smaller weight and size and improved reliability. 
全球军用热像仪中第二代/第二代增强型（Gen.2/Gen.2+）仍占显著比例，但其市场份额正逐步下降。然而，Gen 2 + 2 + 2+2+ 成像器因多项优势仍在生产：制冷功耗低、读出电路单芯片全集成、体积小巧、扫描机构可靠。
第三代成像器采用非扫描式热像仪设计，基于二维阵列探测器，其像素数量足以消除机械扫描需求。这些凝视阵列通过集成在阵列中的电路进行电子扫描。
这些读出集成电路（ROIC）包含诸如像素取消选择、每个像素的抗晕染、子帧成像、输出前置放大器及其他功能。光学系统的唯一任务是将红外图像对焦至图像传感器上。
采用不同技术的图像传感器：基于 InSb , HgCdTe InSb , HgCdTe InSb,HgCdTe\mathrm{InSb}, \mathrm{HgCdTe} 的制冷焦平面阵列（FPA）、量子阱红外光电探测器（QWIP）技术，或基于微测辐射热计/热释电/铁电技术的非制冷焦平面阵列。第三代热成像仪目前占据市场主导地位，而第 2 + 2 + 2+2+ 代产品市场份额相对有限。
令人惊讶的是，第三代凝视型热像仪的模块化结构与人类眼球结构相似（图 3）。红外物镜相当于眼睛的晶状体。
两者都能生成目标场景的图像。FPA 控制器电子元件相当于由神经和大脑构成的系统。这两个模块都将光学图像转换为电信号并进行一定的图像处理。
这种类比有助于理解热像仪的工作原理。
图 3. 两个系统的框图：a)人眼，b)凝视型热像仪
总而言之，现代热像仪采用能直接生成二维热图而无需机械扫描的 IR FPA 图像传感器构建。由于取消了扫描系统，热像仪的设计比几十年前简单得多。
目前早期提出的将热像仪划分为三代的标准已基本过时，因为市场上绝大多数热像仪产品均为第三代凝视型热像仪。
本书旨在成为当代/未来热成像技术的实用指南，因此将不再分析前两代（第一代和第二代）热像仪。
IR FPA 传感器是第三代热像仪的核心模块。需要特别强调的是，IR FPA 图像传感器同样被划分为三代[29-30]。
第一代——用于扫描式热像仪的线性阵列（盛行于 1990-2000 年间，现今已罕有生产），
第二代——凝视型热像仪典型的二维阵列（截至约 2020 年的制造技术被视为典型代表），
第三代红外焦平面阵列（IR FPAs）相较于常规型号，具备显著增强的性能特征，包括超高像素密度、超高速响应、极低热分辨率、多光谱功能及片上信号处理能力等。
第三代技术规范尚未完全明确，相关讨论仍在进行中。
需注意的是，当前对热像仪及 IR FPA 传感器的划分存在混淆，因为第三代热像仪通常采用第二代 IR FPA 图像传感器构建。

5. 热像仪制造模型

简而言之，热像仪可视为由四个主要模块（集成制冷器的 IR FPA 图像传感器（针对光子传感器）、FPA 控制器、光学物镜、热像仪外壳、电源）及若干可选模块（快门、显示器、目镜透镜）组成，如图示。
4. 因此，热像仪的制造方法可根据这些模块的生产方式进行分类。
具体而言，制造热像仪可类比于用一系列模块构建系统，这些模块可从第三方采购（较易方案）或自主开发（较难方案）。
图 4. 热像仪构建的图形化概念
具体而言，热像仪还包含第五大核心模块：电源系统。该电气模块为热像仪其他组件（红外焦平面传感器、焦平面控制器及红外物镜）提供电力支持。
但从设计角度来看，热像仪电源与同功率等级的通用电源并无差异。因此后续讨论中将省略该模块。
IR FPA 图像传感器是热像仪中最重要且制造难度最高的模块。然而常见的情况是，热像仪制造商通常从第三方供应商或大型集团内部的独立实体采购该部件。
因此可以假定，开发热像仪所需的 IR FPA 传感器需通过采购获得。同样的情况也适用于可选模块——这些模块能以相对低廉的价格在市场上轻松购得。
第四模块（即热像仪外壳）的情况则截然相反。这个广义术语指代固定热像仪所有电子元件和光学器件的机械结构体。
该模块通常根据热像仪制造商制定的机械图纸进行生产，因此这种获取方式可视为内部制造流程。
在此背景下，热像仪的制造工艺可依据两大关键模块（红外物镜与焦平面阵列）的获取方式进行分类。
  1. 焦平面阵列控制器
  2. 红外物镜。
这些模块可通过两种方式获取：从第三方采购（编码为 0）或内部制造（编码为 1）。由此我们得出热像仪的四种制造模型（见表 1）。
表 1. 热像仪制造模型（0-外购模块，1-内部制造）
制造模型 IR FPA 传感器 FPA 控制器 光学物镜 热像仪外壳 可选模块
积分器 0 0 0 1 0
混合组件 1 0 1 0 1 0
混合 2 0 0 1 1 0
内部制造 0 1 1 1 0
Model of manufacturing IR FPA sensor FPA controller Optical objective Imager housing Optional blocks Integrator 0 0 0 1 0 Mixed 1 0 1 0 1 0 Mixed 2 0 0 1 1 0 Internal manufacturing 0 1 1 1 0| Model of manufacturing | IR FPA sensor | FPA controller | Optical objective | Imager housing | Optional blocks | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | Integrator | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | | Mixed 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | | Mixed 2 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | | Internal manufacturing | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
热像仪的制造存在两种极限模式：
  1. 集成商模式（代码 00010），即两大核心模块均从第三方采购
  2. 先进制造模式（代码 01110），其中两大核心模块均由内部生产。
    第一种情况下，热像仪采用六步算法构建：
  3. 采购热像仪核心组件（集成 FPA 控制器的 IR FPA 图像传感器）。若为制冷型 IR FPAs 传感器，该传感器会与制冷器集成。
  4. 采购专为待设计热像仪优化的红外物镜
  5. 选购可选模块（如需要快门、显示屏、目镜等）
  6. 开发一种能将热像仪所有设计模块整合的机械外壳
  7. 将热像仪机身与相机核心、光学组件及可选模块进行机械/电子/软件集成
  8. 在相机核心制造商确定的范围内进行热像仪校准
这种构建热成像仪的方式看起来非常简单。
然而，尽管设计看似简单，采用集成器模型制造热像仪的过程却相当困难且充满风险，即使关键模块是从第三方采购的。
首先，采购用于设计热像仪的模块存在商业/技术风险。主要挑战在于 IR FPA 传感器。IR FPA 传感器的制造商数量极其有限，且这些传感器被视为军民两用产品。
因此存在一定的出口限制。此外，部分 IR FPA 制造商规定仅向战略客户出售最佳图像传感器。因此，采购高等级 IR FPA 传感器往往是项艰巨且高风险的任务。
其次，其他主要模块也存在类似风险。本质上，需要具备商业经验、技术诀窍及对采购模块的测试能力，以确保获取构建高性能热像仪所需的高质量模块。
第三，必须充分理解与模块集成及完整热像仪校准/噪声校正相关的诸多规则，方能制造出高性能热像仪。
即使所有采购的模块都完美无缺，仍有可能制造出性能低劣的热像仪。
在第二种情况下，热像仪采用八步算法构建：
  1. 采购以原始格式 IR FPA 传感器与读出电子器件（ROIC）集成的 IR FPA 图像传感器。
  2. 开发 FPA 控制器模块。
  3. 将 IR FPA 传感器与 FPA 控制器模块集成，形成热像仪核心（热成像模块）。
  4. 为待设计热像仪优化的红外物镜开发，
  5. 采购可选模块（快门、显示器、目镜），
  6. 开发一种能整合所有待设计热像仪模块的成像仪外壳
  7. 成像仪外壳与相机核心、光学元件及可选模块的机械/电子/软件集成
  8. 扩展成像器校准（噪声校正、对比度/亮度设置、图像锐度提升）
    如我们所见，与先前分析的积分器模型相比存在两个主要差异：
  • 焦平面阵列控制器模块与红外物镜均实现内部自主研制，
  1. 1 1 ^(1){ }^{1} Inframet，波兰新科恰尔吉布加伊 29A 号，05-082，www.inframet.com
    2 2 ^(2){ }^{2} 波兰华沙军事技术大学光电研究所，卡利斯基街 2 号，00-908
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