好久沒(méi)有為大家?guī)?lái)裝備方面的信息了，今天我們繼續(xù)了解熱成像儀相關(guān)知識(shí)。
熱成像原理
紅外熱成像設(shè)備探測(cè)紅外光譜成像，而普通攝像機(jī)利用可見(jiàn)光譜（0.4～0.76μm）和近紅外光譜（0.76～1μm）。紅外熱成像有長(zhǎng)波熱像儀和短波熱像儀之分，長(zhǎng)波熱像儀工作于8～14μm（這也是目前商用熱像儀使用最多的波段），短波熱像儀工作于3～5μm。使用這兩個(gè)波段是因?yàn)槠鋵儆诖髿獯翱诰哂蟹€(wěn)定的大氣透射率，在大氣層中較少被反射、吸收和散射，進(jìn)行紅外測(cè)量效果較好。
紅外熱成像設(shè)備的設(shè)備結(jié)構(gòu)與常規(guī)可見(jiàn)光攝像機(jī)類(lèi)似，主要是由鏡頭、擋片、熱紅外探測(cè)器、處理電路、顯示單元構(gòu)成。關(guān)鍵技術(shù)是熱紅外探測(cè)器、信號(hào)處理技術(shù)、圖成處理算法、測(cè)溫算法與校正技術(shù)、熱成像鏡頭。熱像儀使用的鏡頭特性與材質(zhì)不同于普通可見(jiàn)光鏡頭，專(zhuān)用鏡頭只能通過(guò)紅外光線通常采用鍺鏡頭材質(zhì)并做鍍膜處理，所以成本比較高。
紅外鍺鏡頭同樣有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭之分，中高檔的熱像儀鏡頭像單反相機(jī)一樣是可更換的，以適合不同的應(yīng)用需要，低端的熱像儀鏡頭則是固定的。低端熱像儀一般搭配定焦鏡頭也被稱(chēng)為免調(diào)焦鏡頭，中檔熱像儀一般搭配手動(dòng)鏡頭，高端熱像儀會(huì)搭配自動(dòng)對(duì)焦鏡頭。具有焦距可調(diào)的鏡頭可以使得目標(biāo)區(qū)域成像更為清晰銳利?，F(xiàn)在智能手機(jī)的后置主攝像頭和數(shù)碼相機(jī)都具有自動(dòng)對(duì)焦功能。
熱像儀鏡頭與探測(cè)器之間通常有一塊活動(dòng)擋片，這是一些熱像儀所特有的部件和結(jié)構(gòu)，作用是用于內(nèi)部校準(zhǔn)。也就是因?yàn)榇嬖谠摶顒?dòng)擋片機(jī)械裝置所以熱像儀在工作時(shí)會(huì)發(fā)出擋片開(kāi)合的輕微咔嗒聲噪音?，F(xiàn)在新技術(shù)電路的熱像儀已可以省略擋片部件，使得熱像儀在工作時(shí)完全安靜也避免了檔片機(jī)械機(jī)構(gòu)的故障。
熱像儀的熱紅外探測(cè)器作用是將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是熱像儀關(guān)鍵技術(shù)所在。早期的紅外探測(cè)器以光伏探測(cè)器為基礎(chǔ)基于光子探測(cè)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是成像質(zhì)量?jī)?yōu)秀熱靈敏度高，缺點(diǎn)是需要專(zhuān)門(mén)的制冷器確保期間熱噪聲低于成像信號(hào)，由此產(chǎn)品很難小型化、低功耗且成本高昂。光子探測(cè)技術(shù)的熱紅外探測(cè)器稱(chēng)為制冷型熱紅外探測(cè)器?，F(xiàn)在主流商用熱像儀大多采用非制冷型熱紅外探測(cè)器，以微測(cè)輻射熱計(jì)為基礎(chǔ)，雖然成像質(zhì)量和熱靈敏度比光子探測(cè)略差一些但不需要低溫制冷器體積也小，產(chǎn)品容易小型化、低功耗且成本相對(duì)較低。而且現(xiàn)代不斷改進(jìn)的圖成算法與校準(zhǔn)技術(shù)使得非制冷型熱紅外探測(cè)器成像效果大為提升，彌補(bǔ)了產(chǎn)品自身的一些不足之處。
目前主流非制冷型熱紅外探測(cè)器有氧化釩和非晶硅兩種技術(shù)，美國(guó)以FLIR公司為代表主推氧化釩技術(shù)，法國(guó)以ULIS公司為代表主推非晶硅技術(shù)。從技術(shù)上講氧化釩熱紅外探測(cè)器在成像質(zhì)量方面有一定優(yōu)勢(shì)，不過(guò)非晶硅熱紅外探測(cè)器近年來(lái)在技術(shù)上也有很大的進(jìn)步。
熱成像設(shè)備重要參數(shù)
選購(gòu)紅外熱成像設(shè)備從技術(shù)指標(biāo)上可關(guān)注以下參數(shù)。
熱紅外探測(cè)器分辨率
熱紅外探測(cè)器作為熱像儀核心部件其分辨率越高越好，就像手機(jī)攝像頭一樣，熱紅外探測(cè)器物理分辨率往往是熱像儀檔次的首要標(biāo)志。熱紅外探測(cè)器分辨率直接關(guān)系到最終熱像圖的有效分辨率和成像效果，在同樣的光學(xué)系統(tǒng)中熱紅外探測(cè)器分辨率越高成像分辨率也越高，目標(biāo)可分辨度也越高。限于技術(shù)目前熱紅外探測(cè)器分辨率比可見(jiàn)光的普通攝像頭CCD/CMOS動(dòng)則幾百萬(wàn)像素甚至上千萬(wàn)像素要低得多，在民用領(lǐng)域640×480的熱紅外探測(cè)器分辨率就算是高端器件了，一部具有640×480紅外分辨率的國(guó)際大牌熱像儀價(jià)格基本都在20萬(wàn)以上，目前主流中檔產(chǎn)品大多采用320×240、384×288級(jí)別的熱紅外探測(cè)器。在入門(mén)級(jí)的產(chǎn)品中則更多采用60×60、80×60、80×80、120×120、160×120級(jí)別的熱紅外探測(cè)器。別小看了這些看似分辨率不高的熱紅外探測(cè)器如果用于近距離觀測(cè)，例如電子行業(yè)的電路板探查和家庭管線檢查還是非常實(shí)用的，最主要是其價(jià)格低廉，令大眾用戶容易接受。如FLUKE最新款279FC具有熱成像功能的萬(wàn)用表采用的熱紅外探測(cè)器分辨率為80×60，實(shí)際使用中成像效果不錯(cuò)，價(jià)格也不到10000元人民幣。
NETD熱靈敏度
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為噪聲等效溫差也稱(chēng)為溫度分辨率。熱像儀對(duì)測(cè)試圖樣進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號(hào)電壓峰值與器件固有噪聲電壓的均方根之比為1時(shí)，黑體目標(biāo)與黑體背景的溫差稱(chēng)為噪聲等效溫差。理論上NETD越小成像畫(huà)質(zhì)會(huì)越好。制冷型的紅外探測(cè)器NETD可做到小于30mK，中高檔的非制冷型的紅外探測(cè)器NETD可做到小于50mK，主流入門(mén)級(jí)低價(jià)位非制冷型的紅外探測(cè)器NETD大多在100～150mK水平。這里的mK單位是溫度單位千分之一開(kāi)爾文，50mK相當(dāng)于0.05℃。
隨著科技的發(fā)展熱成像算法和信號(hào)處理的不斷改進(jìn)，逐漸彌補(bǔ)了非制冷型的紅外探測(cè)器NETD不及制冷型的紅外探測(cè)器的短板，目前民用市場(chǎng)主流的非制冷型紅外探測(cè)器熱像儀成像質(zhì)量都非常不錯(cuò)，一般日常商業(yè)應(yīng)用小于150mK的紅外探測(cè)器性能勝任工作，對(duì)于一些特殊的領(lǐng)域如建筑和化工則推薦使用NETD性能更好一些的產(chǎn)品。
熱紅外探測(cè)器類(lèi)型
目前民用市場(chǎng)主流的非制冷型紅外探測(cè)器使用氧化釩和非晶硅兩大技術(shù)。從技術(shù)上講氧化釩熱紅外探測(cè)器在成像質(zhì)量方面有一定優(yōu)勢(shì)，尤其是中高端產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)更為明顯。同技術(shù)的熱紅外探測(cè)器探測(cè)元像元越小成像質(zhì)量越好。新技術(shù)不帶檔片的熱像儀工作安靜且故障率低。
溫度測(cè)量范圍
不同的熱像儀設(shè)計(jì)測(cè)量溫度范圍不同，這與熱像儀的軟件和硬件都有關(guān)，主流產(chǎn)品為-20～120℃，也有溫度測(cè)量范圍更寬的產(chǎn)品。
熱像儀鏡頭
熱像儀鏡頭分為固定型和可更換型。常規(guī)鏡頭類(lèi)型有微距、標(biāo)準(zhǔn)、廣角、長(zhǎng)焦。另外從聚焦的角度有定焦、手動(dòng)調(diào)焦、電動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)聚焦之分。一般觀察近距離物體建議使用標(biāo)準(zhǔn)或廣角鏡頭產(chǎn)品，觀察遠(yuǎn)距離物體建議使用長(zhǎng)焦鏡頭產(chǎn)品。采用哪種特性的鏡頭沒(méi)有檔次高低之分，只有適合不同的應(yīng)用。長(zhǎng)焦鏡頭適合分辨遠(yuǎn)距離的物體但是視角窄不適合觀測(cè)近距離物體。
圖像捕捉頻率
熱像圖顯示的刷新率與電路中圖像處理性能密切相關(guān)，常見(jiàn)幀頻有9Hz、30Hz、60Hz、120Hz各個(gè)檔次。一般入門(mén)級(jí)低價(jià)位產(chǎn)品都只提供9Hz幀頻（低端機(jī)芯一般提供8.7Hz幀頻都被近似標(biāo)稱(chēng)9Hz幀頻），中檔以上檔次產(chǎn)品可提供60Hz幀頻。對(duì)于觀測(cè)諸如電路板、電器設(shè)備、管線之類(lèi)靜態(tài)物體低價(jià)位的9Hz幀頻產(chǎn)品完全適用，對(duì)于觀測(cè)被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速率大于20km/h的快速移動(dòng)物體或作為夜視儀使用那就需要60Hz幀頻的產(chǎn)品。
熱像圖成像技術(shù)
目前市場(chǎng)上熱像儀成像有純熱像圖和紅外/可見(jiàn)光融合增強(qiáng)圖像。純熱像圖全部由被測(cè)量面溫度特征構(gòu)成，體現(xiàn)溫度差異定位熱源都沒(méi)有問(wèn)題，但對(duì)于低分辨率的熱紅外探測(cè)器物體的識(shí)別率較差。紅外/可見(jiàn)光融合追求圖像技術(shù)是通過(guò)可見(jiàn)光圖像進(jìn)行輔助，將可見(jiàn)光圖像與熱像技術(shù)性疊加，增強(qiáng)物體包括物體邊緣顯示使最終熱像圖上對(duì)物體的分辨效果大大提升。該技術(shù)對(duì)于低分辨率熱像儀的圖像增強(qiáng)效果顯著，甚至圖像品質(zhì)可以趕超擁有更高一級(jí)硬件分辨率熱紅外探測(cè)器的純熱向顯示效果。使用紅外/可見(jiàn)光融合圖像技術(shù)的熱像儀配備有紅外和可見(jiàn)光兩顆鏡頭，業(yè)界巨頭FLIR、FLUKE、TESTO都有使用這項(xiàng)技術(shù)。
測(cè)量精度
熱像儀的測(cè)量精度除了與產(chǎn)品所用熱紅外探測(cè)器有關(guān)外與電子處理電路和測(cè)溫算法與校正技術(shù)密切相關(guān)。大牌的熱像儀在軟件上內(nèi)功深厚同樣的硬件最終的實(shí)際性能會(huì)有差異。目前主流的商用熱像儀精度指標(biāo)大多為±2℃或讀數(shù)的±2%。
熱像儀產(chǎn)品形式
用于便攜探測(cè)的熱像儀主流形式為槍型握把手持式，高端產(chǎn)品一些具備自動(dòng)/電動(dòng)對(duì)焦功能的熱像儀外形多采用攝像機(jī)外形并搭配較大的彩色顯示屏。此外還有一些家用和趣味級(jí)熱像儀做成手機(jī)外置攝像頭形式與智能手機(jī)配合使用以降低成本。
