隨著紅外熱成像相機(jī)邁向更直觀、更經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，其收益愈加可觀，紅外熱成像市場正發(fā)展地如火如荼。

紅外熱成像技術(shù)曾經(jīng)僅用于國防、軍事等高端應(yīng)用，但在過去幾十年的發(fā)展中，已逐漸變?yōu)楦鼮橹髁鞯募夹g(shù)。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著維護(hù)和電氣故障排除應(yīng)用中手持式紅外熱像儀越來越受歡迎，人們對該技術(shù)的工業(yè)效益的認(rèn)識日益提升。2020年又遭遇了新冠疫情，大量紅外熱成像解決方案順理成章地涌入市場。各種紅外熱成像傳感器技術(shù)和相機(jī)被用于發(fā)熱檢測，盡管從技術(shù)上講，紅外熱成像傳感器僅能測量皮膚表面溫度。

通常不透明的塑料包裝在短波紅外（SWIR）的透射率比在可見光范圍更高，因此SWIR相機(jī)能夠輕松探測出塑料桶中對SWIR光波低透射率甚至強(qiáng)吸收率的物質(zhì)。（左圖）。偽色彩可以為觀察者提供突出的溫度變化，而無需改變基礎(chǔ)像素的溫度值（右圖）（來源：MoviTHERM）

盡管如此，紅外熱成像對于許多終端用戶仍然非常神秘。即便是技術(shù)嫻熟的機(jī)器視覺集成人員也可能對非可見光成像技術(shù)束手無策。這并不稀奇，因?yàn)槿祟惾狈σ曈X感知溫度的視覺能力。

為了更好地了解紅外相機(jī)和熱像儀的性能，用戶必須了解紅外熱成像相機(jī)的工作原理和所涉及的物理原理。與在可見光譜（400 nm到700 nm波段）工作的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺相機(jī)不同，紅外相機(jī)和熱像儀技術(shù)覆蓋的光譜范圍更為寬廣，該光譜主要細(xì)分為三個(gè)波段：0.9 μm至1.7 μm波段屬于短波紅外（SWIR），3 μm至5 μm波段屬于中波紅外（MWIR），8 μm至14 μm波段屬于長波紅外（LWIR）。

光譜波段主要由各類相機(jī)中的探測器技術(shù)的特性來定義。光譜帶則來自探測器材料的敏感波長。根據(jù)科學(xué)原理，物理學(xué)文獻(xiàn)可能會以不同的方式對紅外光譜進(jìn)行分類。

深入了解短波紅外（SWIR）

許多常見應(yīng)用可從不同波段的探測中受益，并非所有紅外探測都涉及溫度測量。研究人員利用材料物理特性來探究光譜的選擇性反射率、吸收率和透射率。

例如，通常不透明的塑料包裝在SWIR的透射率比在可見光范圍更高，因此SWIR相機(jī)能夠輕松探測出塑料桶中對SWIR光波低透射率甚至強(qiáng)吸收率的物質(zhì)。結(jié)果為SWIR圖像的對比度足以完成檢查。

SWIR技術(shù)也適用于農(nóng)業(yè)，它可以監(jiān)測作物和植物健康狀況，檢測碰傷或測量水果的含糖量。這些應(yīng)用均使用了某種光譜的反射率、吸收率或透射率作為基礎(chǔ)檢查方法。

當(dāng)用SWIR相機(jī)測量溫度時(shí)，了解SWIR光譜區(qū)域非常重要，該光譜產(chǎn)生的大多數(shù)信號是由反射光形成，而非紅外輻射能量所產(chǎn)生。通過可見光標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺應(yīng)用可以清晰闡述這一點(diǎn)。

用SWIR相機(jī)測量溫度需要大量的熱能來克服反射光，并在傳感器上記錄為輻射能量。因此，在溫度低于400℃情況下，使用搭載SWIR探測器的相機(jī)來完成溫度校準(zhǔn)，通常沒有任何意義。該特點(diǎn)使得SWIR相機(jī)適用于高溫應(yīng)用（如成像熔融金屬或檢查工藝焊縫等）。

微測輻射熱計(jì)：一種更加經(jīng)濟(jì)的熱成像技術(shù)

室溫及室溫以下的真正熱效應(yīng)表現(xiàn)在3 μm及以上波段。能夠捕捉這些熱效應(yīng)的成像設(shè)備通常被認(rèn)為是真正的熱像儀。術(shù)語“紅外相機(jī)”則不僅指代這部分熱成像設(shè)備——因?yàn)樗鼈兯东@的大部分信號來自輻射的長波紅外。

圖為包含紅外波段的電磁波譜（來源：MoviTHERM）

科學(xué)家和相機(jī)制造商對紅外光譜波段的界定并不相同。相機(jī)制造商的界定邊界取決于熱像儀中探測器的技術(shù)特點(diǎn)。（圖中MCT表示碲鎘汞，來源：FLIR）

MWIR探測器也可以應(yīng)用于熱成像領(lǐng)域。然而，它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是非常昂貴。640 × 512像素探測器的中位數(shù)售價(jià)約在70，000美元。這些探測器成本高昂，這是因?yàn)檫@類探測器必須冷卻至約75 K（或 -198.15 ℃）。探測器材料本身對熱輻射非常敏感，因此導(dǎo)致傳感器在室溫下會立即飽和。在現(xiàn)代MWIR熱像儀中，低溫冷卻是由位于相機(jī)機(jī)身內(nèi)部的閉路式斯特林制冷器實(shí)現(xiàn)。在過去，這類相機(jī)的冷卻需要利用裝滿液氮的大氣瓶來實(shí)現(xiàn)。

更為經(jīng)濟(jì)的選擇是集成微測輻射熱計(jì)探測器的熱像儀。根據(jù)像素分辨率、探測器噪聲水平以及測溫精度的不同，這些熱像儀的起始售價(jià)可低于1000美元，分辨率為80 × 60像素。微測輻射熱計(jì)的工作原理與典型光子捕獲探測器完全不同，它主要基于微型熱阻像素。這類熱像儀有些主要使用熱電制冷元件，更易操作。當(dāng)這些像素暴露于紅外輻射（熱量）中時(shí)，會使其電阻發(fā)生改變。無需低溫制冷，操作更簡單，成本更低。

LWIR相機(jī)中的每個(gè)像素都有其物理質(zhì)量，需要捕獲所指向物體的熱輻射來對其進(jìn)行加熱。這為相機(jī)讀取電阻變化之前每個(gè)像素預(yù)熱所需要的時(shí)間，給定了一個(gè)固定的時(shí)間常數(shù)。該常數(shù)通常在8到14毫秒之間，具體數(shù)值取決于像素大小。這種探測器的缺點(diǎn)是，當(dāng)涉及運(yùn)動物體成像時(shí)，時(shí)間常數(shù)會帶來不小的挑戰(zhàn)。

8毫秒似乎時(shí)間很短。但是，根據(jù)相機(jī)的視場角和成像對象的速度不同，所捕獲的圖像中可能會出現(xiàn)明顯的運(yùn)動模糊現(xiàn)象。在積分時(shí)間（即時(shí)間常數(shù)）內(nèi)，當(dāng)部分物體經(jīng)過探測器像素時(shí)，就會產(chǎn)生運(yùn)動模糊。換句話說，在物體移動到相鄰像素之前，該像素可能還沒有完全整合它試圖捕獲的熱輻射。因此，這會導(dǎo)致溫度平均效應(yīng)，從而導(dǎo)致測量誤差和其他問題。

非制冷型微測輻射熱計(jì)探測器是制冷型MWIR相機(jī)的一種更加經(jīng)濟(jì)的替代方案。微測輻射熱計(jì)探測器捕獲熱成像數(shù)據(jù)的能力主要基于微型熱阻像素，當(dāng)暴露于紅外輻射（熱量）中時(shí)，會使其電阻發(fā)生改變。（來源：MoviTHERM）

運(yùn)動模糊并非熱成像中唯一的模糊類型。由于熱圖像中的對比度是由溫度變化引起的，所以大多數(shù)熱圖像看起來都是模糊不清的。這種模糊并非對焦或缺乏對焦的結(jié)果。更準(zhǔn)確地講，這是物理熱力學(xué)函數(shù)導(dǎo)致的。

熱能會從能量較高的較暖區(qū)域流向能量較低的較冷區(qū)域。這種行為完全是動態(tài)的，由此產(chǎn)生了溫度轉(zhuǎn)變或熱梯度。熱圖像中將溫度變化表現(xiàn)為亮度變化：白色代表較熱的區(qū)域，黑色代表較冷的區(qū)域，較暖和較冷區(qū)域之間會出現(xiàn)灰色過渡。

圖為通電電路的熱圖像。只有當(dāng)輻射率（發(fā)射率）發(fā)生變化時(shí)，或當(dāng)較溫暖區(qū)域與周圍區(qū)域熱隔離時(shí)，熱圖像才會顯得比較清晰。正是這種由熱擴(kuò)散引起的動態(tài)行為，表示熱成像可能與信號處理關(guān)系更大，而非圖像處理。（來源：MoviTHERM）

這些過渡使圖像邊緣看起來很模糊。這種效果通常不會出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺應(yīng)用中，后者更多地依賴于表面或特征反射光所產(chǎn)生的效果。這種反射模式是恒定的，它在圖像中產(chǎn)生的對比度也是恒定的。只有當(dāng)輻射率發(fā)生變化時(shí)，或當(dāng)較溫暖區(qū)域與周圍區(qū)域熱隔離時(shí)，熱圖像才會顯得比較清晰。正是這種由熱擴(kuò)散引起的動態(tài)行為，表示熱成像可能與信號處理關(guān)系更大，而非圖像處理。

理解輻射率（發(fā)射率）

在研究紅外熱像儀時(shí)，輻射率可能是需要了解的最重要的現(xiàn)象。因此在熱成像課程和研討會中，它往往是最熱門的話題之一。簡言之，輻射率表征了固體輻射紅外能量的能力。輻射率主要由三部分組成部：反射、透射和輻射能。這些因素的總和必須等于1。

由于大多數(shù)材料不透射紅外輻射，因此成像主要與反射和輻射能量有關(guān)。在這種情況下，推導(dǎo)過程會使測量熱反射物體的溫度變得困難。例如，試圖分辨一個(gè)閃閃發(fā)光不銹鋼罐的溫度被認(rèn)為是無法完成的熱成像應(yīng)用，除非罐體表面的輻射率可以改變。如果允許，可將漆黑色涂料涂抹在罐體的某個(gè)區(qū)域，以將其輻射率提高到0.9甚至更高。利用熱導(dǎo)，這種高輻射率涂層將吸收罐體表面的溫度。然后，涂層可幫助將能量發(fā)射到熱像儀，從而實(shí)現(xiàn)精確的溫度測量。

當(dāng)涉及無法改變的低輻射率表面的應(yīng)用時(shí)，則可能需要通過接觸法（如連接物理熱電偶）進(jìn)行測量。

在機(jī)器視覺中使用熱像儀時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是熱像儀的可用空間分辨率。就商業(yè)應(yīng)用而言，熱像儀最高分辨率約為1.3 MP，更經(jīng)濟(jì)的熱像儀可提供 640 × 480或640 × 512像素。與最先進(jìn)的機(jī)器視覺相機(jī)相比，這種分辨率就顯得相形見絀，機(jī)器視覺相機(jī)可提供70 MP甚至100 MP的分辨率。因此，紅外相機(jī)還有很大的進(jìn)步空間。

用于熱像儀的鏡頭材料很特殊。最典型的一種材料是鍺（Ge）。標(biāo)準(zhǔn)硼硅酸鹽玻璃會阻擋中波紅外光和長波紅外光，因此并不適合作為熱像儀的光學(xué)材料。

熱像儀制造商必須根據(jù)相機(jī)本身來校準(zhǔn)鏡頭，因此，許多熱像儀制造商同時(shí)也是其鏡頭供應(yīng)商。因此，每臺熱像儀只提供1~5種鏡頭選擇并不罕見，這使得成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

如果熱像儀還需要外殼來保護(hù)其免受惡劣環(huán)境侵害，情況就變得更為復(fù)雜。這種情況下，觀察窗還必須配備由鍺或其他合適材料制成的紅外透射玻璃。

成本降低，接口標(biāo)準(zhǔn)，智能相機(jī)

盡管存在這些挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)，熱像儀在工業(yè)和非工業(yè)成像應(yīng)用中的重要性仍變得越來越突出。多個(gè)因素的存在促成了這種增長。成本降低可以說是其中最重要的因素。其次是標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議GenICAM和標(biāo)準(zhǔn)物理接口的引入。GenICam的目標(biāo)是為所有類型的相機(jī)提供統(tǒng)一的編程接口，由歐洲機(jī)械視覺協(xié)會（EMVA）頒布。最先出現(xiàn)的是FireWire（這是在IEEE-1394標(biāo)準(zhǔn)制定之前，蘋果公司賦予數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的名字），現(xiàn)在是大多數(shù)相機(jī)都配備的千兆以太網(wǎng)。

不久前，用戶還不得不發(fā)揮他們最好的編程技能，并在軟件開發(fā)套件的幫助下，來實(shí)現(xiàn)專有的通信接口，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)下一款相機(jī)型號并不兼容。相機(jī)制造商朝向更統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)，使相機(jī)銷售受益匪淺，同時(shí)也促使系統(tǒng)集成商和終端客戶更廣泛地采用這些標(biāo)準(zhǔn)。雖然熱像儀制造商還在繼續(xù)努力完全遵守這些標(biāo)準(zhǔn)，但情況確實(shí)有所改善。

最近熱成像智能相機(jī)也破土而出。盡管熱成像與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺還存在很大差距，但熱成像智能相機(jī)將進(jìn)一步推動熱成像的廣泛應(yīng)用，綻放美麗的“紅外之花”。

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