微测辐射热计：一种更加经济的热成像技术

随着红外热成像相机迈向更直观、更经济、标准化和智能化，其收益愈加可观，红外热成像市场正发展地如火如荼。

红外热成像技术曾经仅用于国防、军事等高端应用，但在过去几十年的发展中，已逐渐变为更为主流的技术。据麦姆斯咨询介绍，随着维护和电气故障排除应用中手持式红外热像仪越来越受欢迎，人们对该技术的工业效益的认识日益提升。2020年又遭遇了新冠疫情，大量红外热成像解决方案顺理成章地涌入市场。各种红外热成像传感器技术和相机被用于发热检测，尽管从技术上讲，红外热成像传感器仅能测量皮肤表面温度。

通常不透明的塑料包装在短波红外（SWIR）的透射率比在可见光范围更高，因此SWIR相机能够轻松探测出塑料桶中对SWIR光波低透射率甚至强吸收率的物质。（左图）。伪色彩可以为观察者提供突出的温度变化，而无需改变基础像素的温度值（右图）（来源：MoviTHERM）

尽管如此，红外热成像对于许多终端用户仍然非常神秘。即便是技术娴熟的机器视觉集成人员也可能对非可见光成像技术束手无策。这并不稀奇，因为人类缺乏视觉感知温度的视觉能力。

为了更好地了解红外相机和热像仪的性能，用户必须了解红外热成像相机的工作原理和所涉及的物理原理。与在可见光谱（400 nm到700 nm波段）工作的标准机器视觉相机不同，红外相机和热像仪技术覆盖的光谱范围更为宽广，该光谱主要细分为三个波段：0.9 μm至1.7 μm波段属于短波红外（SWIR），3 μm至5 μm波段属于中波红外（MWIR），8 μm至14 μm波段属于长波红外（LWIR）。

光谱波段主要由各类相机中的探测器技术的特性来定义。光谱带则来自探测器材料的敏感波长。根据科学原理，物理学文献可能会以不同的方式对红外光谱进行分类。

深入了解短波红外（SWIR）

许多常见应用可从不同波段的探测中受益，并非所有红外探测都涉及温度测量。研究人员利用材料物理特性来探究光谱的选择性反射率、吸收率和透射率。

例如，通常不透明的塑料包装在SWIR的透射率比在可见光范围更高，因此SWIR相机能够轻松探测出塑料桶中对SWIR光波低透射率甚至强吸收率的物质。结果为SWIR图像的对比度足以完成检查。

SWIR技术也适用于农业，它可以监测作物和植物健康状况，检测碰伤或测量水果的含糖量。这些应用均使用了某种光谱的反射率、吸收率或透射率作为基础检查方法。

当用SWIR相机测量温度时，了解SWIR光谱区域非常重要，该光谱产生的大多数信号是由反射光形成，而非红外辐射能量所产生。通过可见光标准机器视觉应用可以清晰阐述这一点。

用SWIR相机测量温度需要大量的热能来克服反射光，并在传感器上记录为辐射能量。因此，在温度低于400℃情况下，使用搭载SWIR探测器的相机来完成温度校准，通常没有任何意义。该特点使得SWIR相机适用于高温应用（如成像熔融金属或检查工艺焊缝等）。

微测辐射热计：一种更加经济的热成像技术

室温及室温以下的真正热效应表现在3 μm及以上波段。能够捕捉这些热效应的成像设备通常被认为是真正的热像仪。术语“红外相机”则不仅指代这部分热成像设备——因为它们所捕获的大部分信号来自辐射的长波红外。

图为包含红外波段的电磁波谱（来源：MoviTHERM）

科学家和相机制造商对红外光谱波段的界定并不相同。相机制造商的界定边界取决于热像仪中探测器的技术特点。（图中MCT表示碲镉汞，来源：FLIR）

MWIR探测器也可以应用于热成像领域。然而，它们有一个共同的缺点，就是非常昂贵。640 × 512像素探测器的中位数售价约在70，000美元。这些探测器成本高昂，这是因为这类探测器必须冷却至约75 K（或 -198.15 ℃）。探测器材料本身对热辐射非常敏感，因此导致传感器在室温下会立即饱和。在现代MWIR热像仪中，低温冷却是由位于相机机身内部的闭路式斯特林制冷器实现。在过去，这类相机的冷却需要利用装满液氮的大气瓶来实现。

更为经济的选择是集成微测辐射热计探测器的热像仪。根据像素分辨率、探测器噪声水平以及测温精度的不同，这些热像仪的起始售价可低于1000美元，分辨率为80 × 60像素。微测辐射热计的工作原理与典型光子捕获探测器完全不同，它主要基于微型热阻像素。这类热像仪有些主要使用热电制冷元件，更易操作。当这些像素暴露于红外辐射（热量）中时，会使其电阻发生改变。无需低温制冷，操作更简单，成本更低。

LWIR相机中的每个像素都有其物理质量，需要捕获所指向物体的热辐射来对其进行加热。这为相机读取电阻变化之前每个像素预热所需要的时间，给定了一个固定的时间常数。该常数通常在8到14毫秒之间，具体数值取决于像素大小。这种探测器的缺点是，当涉及运动物体成像时，时间常数会带来不小的挑战。

8毫秒似乎时间很短。但是，根据相机的视场角和成像对象的速度不同，所捕获的图像中可能会出现明显的运动模糊现象。在积分时间（即时间常数）内，当部分物体经过探测器像素时，就会产生运动模糊。换句话说，在物体移动到相邻像素之前，该像素可能还没有完全整合它试图捕获的热辐射。因此，这会导致温度平均效应，从而导致测量误差和其他问题。

非制冷型微测辐射热计探测器是制冷型MWIR相机的一种更加经济的替代方案。微测辐射热计探测器捕获热成像数据的能力主要基于微型热阻像素，当暴露于红外辐射（热量）中时，会使其电阻发生改变。（来源：MoviTHERM）

运动模糊并非热成像中唯一的模糊类型。由于热图像中的对比度是由温度变化引起的，所以大多数热图像看起来都是模糊不清的。这种模糊并非对焦或缺乏对焦的结果。更准确地讲，这是物理热力学函数导致的。

热能会从能量较高的较暖区域流向能量较低的较冷区域。这种行为完全是动态的，由此产生了温度转变或热梯度。热图像中将温度变化表现为亮度变化：白色代表较热的区域，黑色代表较冷的区域，较暖和较冷区域之间会出现灰色过渡。

图为通电电路的热图像。只有当辐射率（发射率）发生变化时，或当较温暖区域与周围区域热隔离时，热图像才会显得比较清晰。正是这种由热扩散引起的动态行为，表示热成像可能与信号处理关系更大，而非图像处理。（来源：MoviTHERM）

这些过渡使图像边缘看起来很模糊。这种效果通常不会出现在标准机器视觉应用中，后者更多地依赖于表面或特征反射光所产生的效果。这种反射模式是恒定的，它在图像中产生的对比度也是恒定的。只有当辐射率发生变化时，或当较温暖区域与周围区域热隔离时，热图像才会显得比较清晰。正是这种由热扩散引起的动态行为，表示热成像可能与信号处理关系更大，而非图像处理。

理解辐射率（发射率）

在研究红外热像仪时，辐射率可能是需要了解的最重要的现象。因此在热成像课程和研讨会中，它往往是最热门的话题之一。简言之，辐射率表征了固体辐射红外能量的能力。辐射率主要由三部分组成部：反射、透射和辐射能。这些因素的总和必须等于1。

由于大多数材料不透射红外辐射，因此成像主要与反射和辐射能量有关。在这种情况下，推导过程会使测量热反射物体的温度变得困难。例如，试图分辨一个闪闪发光不锈钢罐的温度被认为是无法完成的热成像应用，除非罐体表面的辐射率可以改变。如果允许，可将漆黑色涂料涂抹在罐体的某个区域，以将其辐射率提高到0.9甚至更高。利用热导，这种高辐射率涂层将吸收罐体表面的温度。然后，涂层可帮助将能量发射到热像仪，从而实现精确的温度测量。

当涉及无法改变的低辐射率表面的应用时，则可能需要通过接触法（如连接物理热电偶）进行测量。

在机器视觉中使用热像仪时，另一个需要考虑的因素是热像仪的可用空间分辨率。就商业应用而言，热像仪最高分辨率约为1.3 MP，更经济的热像仪可提供 640 × 480或640 × 512像素。与最先进的机器视觉相机相比，这种分辨率就显得相形见绌，机器视觉相机可提供70 MP甚至100 MP的分辨率。因此，红外相机还有很大的进步空间。

用于热像仪的镜头材料很特殊。最典型的一种材料是锗（Ge）。标准硼硅酸盐玻璃会阻挡中波红外光和长波红外光，因此并不适合作为热像仪的光学材料。

热像仪制造商必须根据相机本身来校准镜头，因此，许多热像仪制造商同时也是其镜头供应商。因此，每台热像仪只提供1~5种镜头选择并不罕见，这使得成像系统的设计更加复杂。

如果热像仪还需要外壳来保护其免受恶劣环境侵害，情况就变得更为复杂。这种情况下，观察窗还必须配备由锗或其他合适材料制成的红外透射玻璃。

成本降低，接口标准，智能相机

尽管存在这些挑战和缺点，热像仪在工业和非工业成像应用中的重要性仍变得越来越突出。多个因素的存在促成了这种增长。成本降低可以说是其中最重要的因素。其次是标准通信协议GenICAM和标准物理接口的引入。GenICam的目标是为所有类型的相机提供统一的编程接口，由欧洲机械视觉协会（EMVA）颁布。最先出现的是FireWire（这是在IEEE-1394标准制定之前，苹果公司赋予数据传输技术的名字），现在是大多数相机都配备的千兆以太网。

不久前，用户还不得不发挥他们最好的编程技能，并在软件开发套件的帮助下，来实现专有的通信接口，结果却发现下一款相机型号并不兼容。相机制造商朝向更统一的通信标准迈进，使相机销售受益匪浅，同时也促使系统集成商和终端客户更广泛地采用这些标准。虽然热像仪制造商还在继续努力完全遵守这些标准，但情况确实有所改善。

最近热成像智能相机也破土而出。尽管热成像与标准机器视觉还存在很大差距，但热成像智能相机将进一步推动热成像的广泛应用，绽放美丽的“红外之花”。

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