Basics of Infrared Thermography
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0935-970-603 施正偉
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本文是關於紅外線成像技術的。 有關稱為熱敏列印的列印技術，請參見熱敏列印https://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_printing。
有關醫學熱成像的資訊，請參見非接觸式熱成像https://en.wikipedia.org/wiki/Non-contact_thermography。
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| 禾企 熱成像攝影機 http://www.shany.com.tw/index.php |
紅外線熱成像（IRT），熱成像和熱影像是紅外線成像科學的示例。熱像攝影機通常檢測電磁波譜的遠紅外線範圍（大約 9,000-14,000 奈米或 9-14 μm）中的輻射，並產生該輻射的圖像，稱為熱譜圖。
由於根據黑體輻射定律，所有溫度高於絕對零的物體都會發出紅外線輻射，因此熱成像技術可以查看，有無可見照明的環境。物體發出的輻射量，隨溫度增加而增加。因此，熱成像可以使人們看到溫度的變化。
透過紅外線熱像攝影機觀察時，溫暖的物體在較冷的背景下，表現得很好。無論白天還是黑夜，人類和其他溫血動物在環境中，都很容易看見。結果，熱成像對軍事和監視攝影機的其他使用者特別有用。
在臨床診斷過程中，還可以透過熱成像，監測人類和其他溫血動物的某些生理變化。熱成像技術用於過敏檢測和獸藥。
儘管 FDA 警告說，「那些選擇這種方法，而不是乳房 X 線照相術的人，可能會錯過在早期階段發現癌症的機會」，但一些替代醫學從業者，仍將其用於乳腺篩檢。
在 2009 年大流行期間，政府和機場工作人員使用熱成像技術，檢測了疑似豬流感病例。
儘管過去五十年來，隨著商業和工業應用的迅速發展，熱成像技術的歷史已久。消防員使用熱像攝影機觀察煙霧，尋找人員並定位火源。
維護技術人員使用熱成像技術，來定位過熱的接頭和電力線的各個部分，這表示即將發生故障。建築施工技術人員可以看到熱信號，這些熱信號指示，隔熱層出現故障時出現熱洩漏，並可以使用這些結果，來提高採暖和空調設備的效率。
背景為傳統建築，前景為「被動房」的熱分析圖
現代熱像攝影機的外觀和操作，通常類似於便攜式攝影機機。通常，即時溫度記錄圖清楚地顯示出溫度變化，以至於不需要分析照片。因此，記錄模組並非總是內置的。
非專用 CCD 和 CMOS 影像感測器，在可見光波長范圍內，具有大部分光譜靈敏度。但是，透過利用其光譜靈敏度的「拖尾」區域，即被稱為近紅外線（NIR）的紅外線光譜部分，並透過使用現成的 CCTV 攝影機，在某些情況下，有可能獲得真實的熱圖像。溫度約為280°C（536°F）或更高的物體。
專門的熱成像攝影機，使用焦平面陣列（FPA），它們可響應更長的波長（中波長和長波長紅外）。最常見的類型是 InSb、InGaAs、HgCdTe，和 QWIP FPA。
最新技術將低成本，未冷卻的測微輻射熱計，用作 FPA 感測器。它們的解析度大大低於光學攝影機的解析度，大多數為 160 x 120 或 320 x 240 像素，對於最昂貴的型號，攝影最高為 1280 x 1024。
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| 貓的熱像圖 |
熱像攝影機比其可見光譜攝影機昂貴得多，並且由於該技術在軍事上的使用，高端型號經常受到出口限制。較早的輻射熱計或更敏感的模型（例如 InSb）需要低溫冷卻，通常透過微型斯特林循環製冷機，或液氮進行。
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| 紅外線熱像攝影機和螢幕。 熱成像可以檢測到體溫升高，這是 H1N1 病毒（豬流感）的標誌之一。 |
Thermal energy 熱能量
熱圖像或熱分析圖，實際上是對象發射、傳輸和反射的紅外線能量的可視顯示。因為紅外線能量有多種來源，所以使用這種方法，很難獲得物體的準確溫度。
熱像攝影機能夠執行算法，來解釋該數據並生成圖像。儘管該圖像向觀察者顯示了，物體在該溫度下的近似溫度，但攝影機實際上是根據物體周圍的區域，使用多個數據源，來確定該值，而不是檢測實際溫度。
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| 熱像圖（上圖）和普通照片（下圖）的比較表明，垃圾袋是透明的，但是玻璃（男人的眼鏡）在長波紅外中是不透明的。 |
考慮以下公式，這種現象可能會變得更加清楚：
入射輻射功率 = 輻射輻射功率 + 透射輻射功率 + 反射輻射功率；
其中入射輻射功率，是透過熱像攝影機，觀察時的輻射功率曲線。輻射輻射功率通常是要測量的；傳輸的輻射功率，是從遠端熱源穿過對象的輻射功率，並且；反射輻射功率，是從遠端熱源反射到對象表面的輻射功率。
這種現象無時無刻不在發生。這是一個稱為輻射熱交換的過程，因為輻射功率 x 時間等於輻射能。
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| 該熱分析圖顯示了工業電氣保險絲盒中，端子上的過熱。 |
但是，在紅外線熱成像的情況下，可以使用上述方程式，來描述所使用的熱像端的光譜波長，通過頻段內的輻射功率。等式中描述的輻射熱交換要求，同樣適用於電磁光譜中的每個波長。
如果物體以比其周圍環境，更高的溫度輻射，則將按照熱力學第二定律中，所述的原理進行功率傳輸，並且功率將從暖到冷輻射。因此，如果熱譜圖中有一個涼爽的區域，則該物體將吸收由溫暖物體發出的輻射。
對象的發射能力稱為發射率，吸收輻射的能力稱為吸收率。在室外環境下，當試圖獲得準確的溫度讀數時，可能還需要考慮風的對流冷卻。
接下來，熱像攝影機將採用一系列數學算法。由於攝影機只能看到，肉眼無法檢測到的電磁輻射，因此它將在查看器中建立圖片，並記錄通常為 JPG 格式的可見圖片。
為了執行非接觸式溫度記錄的作用，攝影機將透過其發射率設置，來更改被查看對象的溫度。
可以使用其他算法來影響測量，包括傳輸媒介（通常是空氣）的傳輸能力，和該傳輸媒介的溫度。所有這些設置，將影響所查看對象溫度的最終輸出。
此功能使熱像攝影機，成為工業和商業中，維護機電系統的絕佳工具。透過小心使用正確的攝影機設置，以及在捕獲圖像，可以掃描電氣系統並發現問題。蒸汽加熱系統中，疏水閥的故障，很容易找到它的位置。
在節能領域，紅外線熱像攝影機可以做更多的事情。因為它可以看到物體的有效輻射溫度，以及該物體所輻射的方向，所以它還可以幫助定位熱洩漏源和過熱區域。
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| 人類所持蛇的熱像圖 |
Emissivity 發射率
發射率是一個經常被誤解和濫用的術語。它代表了材料發出熱輻射的能力，是物質的光學特性。
每種材料具有不同的發射率，可能隨溫度和紅外線波長而變化。例如，清潔的金屬表面的發射率，在更長的波長下會降低；石英（SiO2）、藍寶石（Al2O3）、氟化鈣（CaF2）等許多電材料媒介的發射率，會隨著波長的增加而增加；諸如氧化鐵（Fe2O3）之類的簡單氧化物，在紅外線光譜中，顯示出相對平坦的發射率。
材料的發射率的範圍，可以從理論 0.00（完全不發光）到同樣理論 1.00（完全發光）。低發射率物質的一個例子是銀，發射係數為 .02。具有高發射率的物質的案例是瀝青，其發射率係數為 0.98。
黑體是發射率為 1 的理論物體，它輻射出其接觸溫度的熱輻射特性。即，如果熱均勻的黑體輻射器的接觸溫度為 50°C（122°F），則黑體將發出 50°C（122°F）的熱輻射特性。
普通物體發出的紅外線輻射，少於理論上的黑體。它的實際發射量，與（黑體的）理論發射量的比例，是其發射率（或發射率係數）。
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| 風箏空中熱像圖揭示了草地運動場上/下的特徵。 涉及熱慣性和不同的蒸騰作用/蒸發作用 |
為了使用紅外線成像攝影機，對物體進行溫度測量，有必要估算或確定物體的發射率。為了快速工作，熱成像人員可以參考，給定類型的物體的發射率表，並將該值輸入到成像器中。然後，成像儀將根據從表中輸入的值，和成像儀檢測到的物體紅外輻射的發射量，計算出物體的接觸溫度。
為了獲得更準確的溫度測量，操作熱成像人員，可以將已知高發射率的標準材料，施加到物體表面。標準材料可能與專門為此目的，生產的工業發射率噴霧一樣複雜，也可能像標準黑色絕緣帶一樣簡單，發射率約為 0.97。
然後可以使用標準發射率，測量對象的已知溫度。如果需要，可以透過將成像器的設置，調整到已知溫度，來確定對象的實際發射率（在對象的未被標準材料覆蓋的部分上）。
但是，在某些情況下，由於危險或無法進入的條件，而無法進行這種發射率測試。在這種情況下，熱成像師必須依靠溫度表列。
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| UAS 瑞士太陽能電池板陣列的熱成像 |
與紅外膠片的區別
IR 膠片對 250 至 500°C（482 至 932°F）範圍內的紅外線（IR）輻射敏感，而熱成像範圍約為 -50 至 2,000°C（-58 至 3,632°F）。 因此，要使 IR 膠片進行熱敏成像，必須高於 250°C（482°F）或反射至少熱的東西的紅外線輻射。
夜視紅外線設備，在近紅外線範圍內成像，僅在視覺光譜範圍之外，並且可以在完全可見的黑暗中，看到發射或反射的近紅外圖像。 但是，由於高溫的要求，它們通常不用於熱成像，而是與有源近紅外線光源一起使用。
星光型夜視設備，通常只能放大環境光。
被動與主動熱成像
高於絕對零溫度（0 K）的所有物體，都會發出紅外線輻射。因此，測量熱變化的一種極好的方法，是使用紅外線視覺設備，通常是焦平面陣列（FPA）紅外線攝影機，能夠檢測中波（ 3 至 5μm）和長波（ 7 至 14μm）的輻射，對應於兩個高透射率紅外線窗口的波段，表示為 MWIR 和 LWIR。物體表面的溫度曲線異，常表示存在潛在問題。
在被動式熱成像中，感興趣的特徵，自然處於比背景更高，或更低的溫度下。被動式熱成像技術有很多應用，例如現場人員監視和醫學診斷（特別是熱學）。
在主動熱成像中，需要能量源，以在感興趣的特徵和背景之間，產生熱反差。鑑於被檢查的零件，通常與周圍環境處於平衡狀態，因此在許多情況下，必須採用主動方法。
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| 安裝在 AR-15 步槍上的 AN / PAS-13 步槍熱瞄準鏡 |
考慮到黑體輻射的超線性，有源熱成像技術，還可用於提高成像系統的解析度，使其超過衍射極限，或實現超解析度顯微鏡。
優點
它顯示了可視圖像，因此可以比較大面積的溫度。它能夠即時捕獲運動目標。它能夠發現變質，即在失效之前，具有較高溫度的組件。 它可用於測量或觀察其他方法，無法接近或危險的區域。
這是一種非破壞性的測試方法。 它可用於查找軸、管道，以及其他金屬或塑料零件中的缺陷。 它可用於檢測黑暗區域中的物體。 它具有一些醫學應用，主要是在物理治療中。
局限和缺點
各種攝影機有的很便宜，有的卻更貴。由於較大的像素陣列（最先進的 1280 x 1024 ）的代價，高品質的攝影機，通常具有較高的價格範圍（通常為 3,000 美元或更高），而較便宜的型號（具有 40 x 40 至 160 x 120 像素的像素陣列）的價格範圍通常較低。較少的像素會降低圖像品質，從而使在同一視場內，分辨附近目標更加困難。
刷新率也有所不同。在無全螢幕模式下，某些攝影機的刷新值，可能僅為 5 –15 Hz，其他（例如 FLIR X8500sc）為 180 Hz 甚至更高。
鏡頭也可以是整合式或非整合式。
許多型號不提供，用於建構輸出圖像的輻照度測量值。在沒有正確校準發射率、距離、環境溫度和相對濕度的情況下，丟失這些資訊，將導致所得圖像，本質上是對溫度的不正確測量。
當基於某些物體（尤其是溫度不穩定的物體）時，圖像可能難以準確地解釋，儘管在主動熱成像中，可以減少此問題。
熱像攝影機根據接收到的輻射熱能，創建熱圖像。由於輻射水準受輻射（例如來自被測表面的太陽光）的發射率和反射的影響，因此會導致測量誤差。
大多數攝影機的溫度測量精度，為 ±2％ 或更差，並且不如接觸方法準確。方法和儀器僅限於直接檢測表面溫度。
熱成像攝影機的應用領域
狀態監測\低坡度和平屋頂檢查\建築物診斷(包括建築物圍護結構檢查，濕度檢查和建築物中的能量損失)\熱圖\醫療保健中的數位紅外線熱成像\醫學影像\非接觸式熱成像，接觸式熱成像和動態血管熱成像\周圍血管疾病的篩查\神經肌肉骨骼疾病\顱外腦血管和麵部血管疾病\甲狀腺異常\其他各種贅生性，代謝性和炎症性疾病\考古風箏航空熱像儀\熱學\獸醫熱成像\夜視和瞄準\無人機監視\立體視覺研究\過程控制\非破壞性測試\安全，執法和國防監督\化學成像\火山學\建築
本影片為禾企電子提供
紅外線熱像攝影機，將紅外線波長的能量轉換為可見光。 絕對值零以上的所有物體，都會發射熱紅外線能量，因此，無論環境光線如何，熱像攝影機都可以被動地，看到所有物體。 但是，大多數熱像攝影機只能看到比 -50°C（-58°F）高的物體。
熱輻射的光譜和數量，在很大程度上，取決於物體的表面溫度。 這使得熱像攝影機可以顯示物體的溫度。但是，其他因素也會影響輻射，從而限制了此技術的準確性。
例如，輻射不僅取決於物體的溫度，而且還取決於物體的發射率。 而且，輻射來自周圍環境並在物體中反射，並且來自物體的輻射和反射的輻射，也將受到大氣吸收的影響。
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