熱成像應用和操作——它們是如何工作的！

Thermal Imaging Application and Operation – How they work!

摘要

毫無疑問，你在過去幾年的某個時候，購買了數位相機來更換舊的膠卷相機。你的購買可能受到你的信念的影響，即在嘗試判斷提供的所有相機選擇之間的圖像品質時，像素數是最重要的規格。

任何閱讀過消費者報告及其對數位相機的詳細評估的人都會明白，相機性能包括對像素數之外的仔細分析。因為熱像儀基本上是一個圖像轉換器（將輻射熱能轉換為可見圖像），你只需要了解決定熱圖像品質的幾個屬性；解析度、熱靈敏度和固定模式噪聲。通常，熱像儀手冊會提供你，作為使用者可能永遠無法確認，甚至無法理解的列表規格。本文的目的是幫助你簡化對如何確定圖像品質的理解。

我們將討論直接影響熱圖像品質的三個主題，並討論一些相關主題。

話題：

• 像素解析度

• 熱敏感度

· 不均勻校正

像素解析度

首先要考慮的是像素數。今天有三種解析度標準（一些製造商的攝影機略有偏差）：

• 低解析度 – ≤ 160x120（19,600 像素）

• 中等解析度 – 320x240（76,800 像素）

• 高解析度 – 640x480（307,200 像素）

你需要多少解析度主要取決於你的應用，和你賦予圖像品質的價值。在評估具有 5 與 10 兆像素的數位相機時，大多數使用者永遠不會從購買具有 1000 萬像素的攝影機中受益，因為他們永遠不會在足夠大的紙張上列印圖像，因為解析度可以提供更好的列印品質。而你始終列印和顯示紅外線攝影機的全解析度，因為可用的最高解析度，按照當今的數位攝影機標準相對適中。即使在 640x480 像素解析度下，高清熱圖像也只佔當今電腦顯示器的一小部分，因此熱成像列印品質，將始終得到充分體現。因此，在評估熱像儀時，像素數是相關的，提高解析度是提高圖像品質的最重要考慮因素。

高解析度的另一個好處是能夠放大場景，並保持良好的圖像品質。大多數熱像儀都配備標準光學元件，水平視場角約為 25°。無論像素解析度如何，設置為 2X 數碼變焦的 640x480 攝影機的性能，將與配備可選（通常價格昂貴）12° (2X) 鏡頭的 320x240 解析度攝影機機的性能相當。如果你預計需要在 20 英尺以外的距離，對物體進行成像，則在比較 320x240 和 640x480 系統的總成本時，你應該考慮為 320x240 熱像儀增加 2X 鏡頭的成本。

影響圖像品質的第二個主要問題是熱敏感性。雖然有許多測試用於量化這一規格，但熱靈敏度基本上，定義了當你增加圖像對比度時，攝影機的成像效果。熱靈敏度隨物體溫度而變化，因為物體溫度升高，檢測器的信號輸出斜率，隨溫度升高而增加。這意味著當你查看較熱的物體時，信號（增加）與噪聲（固定）的比率會提高。然而，這通常不是一個好處，因為可以利用更好的熱靈敏度的應用是低溫（室溫）應用，其中熱對比度（圖像中的溫度增量）非常低。典型的低熱對比度應用包括建築物診斷，其中攝影機對溫度變化或發射率，差異很小的內牆進行成像，而濕度或絕緣品質等問題，只能透過將對比度提高，到攝影機熱靈敏度限制有用的溫度跨度設置。

當你查看已發布的攝影機規格時，你會看到熱敏度規格介於 0.25°C (250mK) 和 0.05°C (50mK) 之間。當你看到低對比度場景時，你可能會認為 1/4 度足夠熱敏度，但你會發現圖像品質，會對圖像品質不利影響，因為噪聲開始主導圖像。

熱像儀通常以調色板顯示圖像，調色板由 256 種離散顏色或灰度級組成。想像一下，你目標有 0°C 和 256°C 之間的溫差，每個灰度或顏色級別代表 1 度的溫差。現在將相同的顏色映射應用到，溫度在 25°C 到 35°C 或 10 度之間的場景中。現在，每種顏色代表 0.03°C (10°C ÷256)，該值低於最敏感的非製冷攝影機。結果是一些噪音的顯示。在許多應用中，將跨度設置得盡可能窄以查看可能的最小溫度變化非常重要。如果你使用的是 0.25°C 靈敏度的攝影機，並希望保持相同的水準，你必須將溫度範圍設置為 65°C (150°F)，這可能會導致圖像對比度非常低。你應該認識到，具有 50mK 靈敏度的攝影機，與具有 100mK 靈敏度的攝影機之間的差異要好 100%，而不是好 0.05°C。

參考圖片

160x120

100mK 靈敏度

100mK 的靈敏度足以滿足大多數圖像溫度跨度 >10°C 的應用，但

如果將跨度縮小超過 10°C，圖像會降低。

320x240

70mK 靈敏度

70mK 靈敏度讓你可以將更窄的跨度設置為 5°C，同時保持良好的圖像品質。

640x480

50mK 靈敏度

50mK 靈敏度可創建最平滑的無噪聲圖像。這種敏感度可與對手媲美一些冷卻（昂貴）攝影機的熱敏感性。

熱敏性測試

NETD – 噪聲等效溫差：定量測量

NETD 是場景溫差，等於探測器的內部噪聲（探測器 NETD）或測量系統的總電子噪聲（系統 NETD）。作為攝影機買家，你需要評估系統 NETD。

測試設置（如圖 1 所示）由溫度控制黑體，參考和某種類型的環境（無源）對象組成，這些對象為攝影機創建一個簡單的狹縫目標，以進行可視化。調整黑體的溫度，直到它幾乎等於環境目標溫度。示波器測量一條水平線的類比影像輸出，在參考點和環境目標之間的溫差不再產生可測量信號的點，NETD 由參考點和目標點之間的測量溫差確定。環境參考目標。（圖 1 – NETD 測試設置）

圖 1

NETD 測試設置

MRTD – 最小可分辨溫差：定性測量

這是一個系統測試。要求觀察者透過觀看顯示為參考溫度設定點的影像輸出，來評估 4 bar 目標（參見插圖 2 – MRTD設置）的最小溫差，環境目標靠得很近。這個最小差異，將隨著所使用的條形目標的空間頻率而變化。獲得了 MRTD 對空間頻率的曲線，該曲線表徵了成像系統的性能。現代紅外線成像系統可以具有幾十毫開爾文的低空間頻率 MRTD。

大畫幅攝影機的好處是顯著的，我們在查看高空間頻率的同時，結合了對高靈敏度的需求。

為了簡化對熱靈敏度的基本原理的解釋，讓我們關注非製冷紅外線攝影機紅外線感測器的單個像素。非製冷焦平面陣列圖像感測器中的每個像素，本質上是一個使用 MEMS（微機電系統）製造的電阻器。

圖 2

MRTD 測試設置溫度控制

隨著參考溫度越來越接近，對於環境目標，操作員不再能看到的點，將發生溫度增量。操作員丟失網格圖像之前的溫差就是 MRTD。

熱非製冷攝影機的基本結構（如上圖所示）是一種微觀橋結構，其上沉積了薄電阻材料和吸收層。腿將橋板懸掛在積體電路上方，並在電阻橋和矽讀出電路之間提供電連接。讀出 IC 控制偏置電壓薄膜電阻器，並將所有像素信號多路復用到攝影機成像電子設備。

由於紅外線輻射被每個像素吸收，其溫度會隨著光子能量（8-14 微米波長）轉化為熱量而發生變化，而熱量又會改變像素薄膜電阻器的電阻。讀出 IC 在每個「微測輻射熱計」元件上發送一個電壓，一個與每個探測器吸收的熱量，成比例的信號是即時影像圖像的基礎。

紅外線感測器的電路非常簡單，對每個像素接通一個電壓，然後對薄膜電阻基於像素溫度的電阻變化，進行採樣並轉換為數位值。所有類比信號都帶有一定程度的噪聲，以及感測器產生的信號。信噪比會強烈影響相機的圖像品質，因為噪聲水平通常是一個固定值，並且隨著檢測器增益的增加，系統將開始顯示信號噪聲，你將開始看到「下雪」圖片。

這種噪聲的信號電平通常被指定為噪聲等效溫差。

熱靈敏度，因為幾乎所有相機開發人員，都可以使用相同的電子元件來創建攝影機。因此，熱靈敏度在很大程度上，取決於紅外線成像儀陣列的品質。

鏡頭的 f 值等其他問題也會影響熱靈敏度。你的攝影機鏡頭可能是 ƒ1.0（焦距等於鏡頭直徑），這被認為是「快速」鏡頭。相比之下，你的數位攝影機中的 f 值可能在 ƒ3 和 ƒ5 之間，而手機和其他低成本系統中使用的攝影機可能高達 ƒ20！由於應用需求導致鏡頭焦距更長，因此使用「更慢」的光學元件，以減小遠攝鏡頭的尺寸、重量和成本並權衡一些熱敏感度是切實可行的。例如，F1.4 光學元件會使熱靈敏度降低 2 倍，而 F2.0 光學元件會使熱靈敏度降低 4 倍。因此，使用標準鏡頭的 50mK 靈敏度系統在將 ƒ1.4 遠攝鏡頭連接到攝影機時，仍將保持良好的靈敏度 (100mK)，而另一台攝影機的熱靈敏度從 100mK 開始，當透過「較慢」觀看時變為 200mK ( ƒ 大於 1 的數字）。

正如你從本文提出的各種問題中看到的那樣，熱敏感度的性質非常複雜，但在現實世界中，當你看見人眼非常擅長區分圖像品質的微小差異。

非均勻性校正

隨著像素數量的增加和它們的靈敏度提高，圖像品質越來越依賴於稱為非均勻性校準或 NUC 的過程。正如我們之前所描述的，微測輻射熱計成像陣列本質上是一個微型電阻陣列，並且由於這些設備的微觀尺度，每個像素對來自物體的紅外線能量的反應方式存在差異。

在製造過程中，紅外線熱像儀的感測器必須標準化，這意味著每個探測器的響應和直流輸出差異必須歸零。這裡有兩個來自攝影機的圖像。第一個是沒有任何校正的典型圖像的樣子，另一個是校準校正的結果。熱像儀通常具有一個內部標誌或光圈，該內部標誌或光圈週期性地放置在探測器前面，作為恆定溫度參考，以將像素之間的差異歸零。這是工廠 NUC 流程的微調，有時被稱為「修飾」。