熱成像應用和操作——它們是如何工作的！
Thermal Imaging Application and Operation – How they work!
通常不透明的包裝塑料在 SWIR（短波紅外線） 中的透射率，通常高於在可見光範圍內的透射率，這使 SWIR 攝影機能夠輕鬆檢測對 SWIR 波長透射率較低，甚至吸收能力強的內容物的填充情形（左）。偽調色板用於突出或強調人類觀察者的溫度變化，而不改變底層像素的溫度值（右）。由 MoviTHERM 提供。
儘管如此，紅外線和熱成像對於許多最終使用者來說仍然是個謎。即使是熟練的機器視覺整合商，也可能難以實施不可見成像技術。這並不奇怪，因為人類缺乏視覺感知溫度的能力。
為了更好地理解紅外線和熱像儀可以做什麼，使用者必須了解攝影機的工作原理，以及所涉及的物理原理。與主要在 400 和 700 nm 之間的可見光譜中，運行的標準機器視覺攝影機相比，紅外線和熱像儀技術涵蓋了更寬的光譜範圍，細分為三個區域：0.9 和 1.7 µm 之間的短波紅外線 (SWIR)、中波紅外線 (MWIR) 介於 3 和 5 µm 之間，長波紅外線 (LWIR) 介於 8 和 14 µm 之間。
光譜帶規格，由用於各種攝影機的檢測器技術的特性定義。光譜帶源自檢測器材料，對其敏感的波長。物理學文獻可能會根據科學原理，以不同的方式分離這些紅外線光譜帶。
進入 SWIR
許多常見應用都可以從每個波段的檢測中受益。並非所有都涉及溫度測量。有些人在光譜選擇性反射、吸收和/或透射方面利用材料科學的物理學。
例如，通常不透明的塑膠包裝，在 SWIR 中的透射率，比在可見光範圍內的透射率更高，這使 SWIR 攝影機能夠輕鬆檢測對 SWIR 波長透射率較低，甚至吸收能力強的內容物的填充情形。結果是 SWIR 圖像的對比度足夠好，可以進行檢查。
SWIR 技術也適用於農業，它可以監測作物和植物的健康狀況、檢測瘀傷或測量水果的含糖量。所有這些應用都使用某種形式的光譜反射率、吸收率或透射率，作為基本檢測方法的基礎。
使用 SWIR 相機測量溫度時，重要的是要了解，在 SWIR 光譜區域中，大部分信號仍由反射光產生，而不是由輻射的紅外能量產生。這可以通過依賴可見日光的標準機器視覺應用來說明。
使用 SWIR 相機測量溫度需要大量的熱能來克服反射光並在傳感器處記錄為輻射能量。因此，在帶有 SWIR 探測器的相機上執行溫度校准通常對於低於 400 °C 的溫度沒有意義。這使 SWIR 相機有資格用於高溫應用，例如對熔融金屬進行成像或檢查工藝焊縫等。
在壓力下冷卻
室溫或更低溫度下的真正熱效應，在 3 µm 及以上波長處表現出來。能夠捕捉到這些效果的成像設備，通常被認為是真正的熱像儀。不再使用「紅外線攝影機」一詞來指代這些成像儀，因為大多數被捕獲的信號，都來自輻射的紅外線熱能。
電磁光譜概述，包括適用的紅外線波長。由 MoviTHERM 提供。
科學家和攝影機製造商，對紅外線光譜的光譜帶有不同的定義。後者定義的界限，取決於熱像儀所採用的檢測器技術的特性。MCT：碲化鎘汞。由 FLIR Systems Inc. 提供。
MWIR 熱像儀非常適合各種熱成像應用。但是，它們有一個缺點。它們非常昂貴，640 × 512 像素探測器的中位價約為 70,000 美元。這些探測器成本高昂，因為它們必須低溫冷卻至約 75 K 或 -198.15 °C。探測器材料對熱輻射非常敏感，以至於感測器在室溫下會立即飽和。在現代攝影機中，低溫冷卻是由位於攝影機機身內部的閉路斯特林冷卻器完成的。過去，這類攝影機的冷卻是使用裝滿液氮的大氣瓶來實現的。
更實惠的選擇，是配備微測輻射熱計型探測器的熱像儀。根據像素解析度、探測器噪聲程度和溫度精度，這些攝影機的起價低於 1000 美元，並提供 80 × 60 像素的解析度。微測輻射熱計的工作方式與典型的光子捕獲探測器完全不同。它的操作基於微型熱阻像素。當這些像素暴露於紅外線輻射（熱）時，它們會改變它們的電阻，不需要低溫冷卻。這種類型的一些攝影機使用熱電冷卻元件，它比低溫冷卻更容易操作且成本更低。
LWIR 攝影機中的每個像素都有一個物理質量，需要透過捕捉到的物體的熱輻射對其進行加熱。這強加了一個固定的時間常數，該時間常數由每個像素在攝影機讀出電阻變化之前，正確預熱所需的時間來描述。該常數通常在 8 到 14 毫秒之間，具體取決於像素大小。不利的一面是，在對移動物體進行成像時，時間常數帶來了挑戰。
八毫秒似乎很短。但是，根據攝影機的視野和所成像物體的速度，捕獲的圖像中可能會出現明顯的運動模糊偽影。當物體的一部分在積分時間內（即時間常數）經過檢測器像素時，就會產生運動模糊。換句話說，在物體移動到相鄰像素之前，像素可能無法完全整合它試圖捕獲的熱輻射。反過來，這會導致溫度平均效應，從而導致測量誤差和其他問題。
非製冷微測輻射熱計探測器，為低溫冷卻 MWIR 攝影機提供了更實惠的替代方案。微測輻射熱計捕獲熱圖像數據的能力，是基於微型熱阻像素，當暴露於紅外線輻射（熱量）時，它們的電阻會發生變化。由 MoviTHERM 提供。
運動模糊並不是熱成像中唯一出現的模糊類型。由於熱圖像中的對比度是由溫度變化引起的，因此大多數熱圖像顯得模糊。這種模糊不是焦點或缺乏焦點的影響。它是物理學的一個函數 —— 更準確地說是熱力學。
熱能從較高能量的較熱區域，流向較低能量的較冷區域。這種行為是完全動態的，它會產生溫度轉變或熱梯度。因為熱圖像中的溫度表示為亮度變化 —— 白色代表較熱的區域，黑色代表較冷的區域 —— 灰色過渡發生在較暖和較冷的區域之間。
透電電子電路的熱圖像。這種圖像看起來清晰的唯一情況，是當發射率發生變化時，或者當較暖的區域與其周圍區域熱隔離時。由於這種由熱擴散引起的動態行為，熱成像可能更多地與信號處理有關，而不是與圖像處理有關。輸入/輸出：輸入/輸出。由 MoviTHERM 提供。
這些過渡給人一種模糊邊緣的外觀。這種效應通常不會出現在標準機器視覺應用中，後者更多地依賴於從表面或特徵反射的光的影響。這種反射圖案是恆定的，就像它在圖像中產生的對比度一樣。熱圖像看起來清晰的唯一情況，是當發射率發生變化時，或者當較暖的區域與其周圍區域熱隔離時。由於這種由熱擴散引起的動態行為，熱成像可能更多地與信號處理有關，而不是與圖像處理有關。
了解發射率
在處理紅外線或熱像儀時，發射率的特性可能是要了解的最重要的現象。因此，它通常是熱成像課程和研討會中談論最多的主題之一。簡而言之，發射率描述了固體輻射紅外線能量的能力。發射率由三個主要部分組成：反射能量、透射能量和輻射能量。所有這些組件的總和必須等於 1。
由於大多數材料不允許紅外線輻射傳輸，因此成像主要關注反射和輻射能量。在這種情況下，得出一個總和可能會使測量熱反射物體的溫度變得困難，如果不是不可能的話。例如，試圖辨別閃亮的不銹鋼罐的溫度，不被認為是熱成像的可行應用 —— 除非罐表面的發射率可以改變。如果允許，可以在水箱的某個區域塗上暗黑色塗層，以將其發射率提高到 0.9 或更高。透過熱傳導，這種高發射率塗層會承受水箱皮膚的溫度。然後，塗層將有利地向熱像儀輻射能量，從而實現準確的溫度測量。
涉及無法改變的低發射率表面的應用，可能需要透過接觸方法進行測量，例如透過連接物理熱電偶。
將熱像儀用於機器視覺時的另一個考慮因素，是熱像儀的可用空間解析度。對於商業應用，最高解析度約為 1.3 MP，更實惠的攝影機提供 640 × 480 或 640 × 512 MP。與可以提供 70 甚至 100 MP 解析度的最先進的機器視覺攝影機相比，這些功能相形見絀。紅外線攝影機還有一些工作要做。
用於熱像儀的鏡頭材料是奇特的，最典型的是鍺。標準硼矽酸鹽玻璃阻擋中波和長波紅外光，因此不是合適的光學材料。
熱像儀製造商必須將鏡頭校準到它所在的攝影機。許多製造商兼任其熱像儀的鏡頭供應商。因此，他們為每個攝影機只提供一到五個鏡頭選擇並不罕見，這使成像系統的設計進一步複雜化。
如果熱像儀需要一個外殼來保護它免受惡劣環境的影響，情況就會變得更加複雜。在這種情況下，觀察窗還必須配備紅外線透射玻璃，例如鍺或其他合適的材料。
熱膨脹
儘管存在這些挑戰和缺點，熱像儀在工業和非工業成像應用中都變得越來越突出。有幾個因素促成了這種成長。成本的降低可以說是最大的貢獻者。其次是引入標準通信協議 —— GenICAM —— 以及標準實體接口。首先是火線，現在大多數攝影機都配備了千兆乙太網。
不久前，使用者不得不在軟體開發工具包的幫助下，使用他們最好的編程技能，來實現專有的通信協議，結果卻發現產品陣容中的下一個攝影機型號不相容。攝影機製造商向更統一的通信標準邁進，這有利於攝影機銷售，並導致系統整合商和最終客戶等更廣泛採用。儘管熱像儀製造商繼續努力完全遵守這些標準，但情況肯定有所改善。
最近也出現了熱敏智慧攝影機的推出。儘管熱成像和標準機器視覺之間存在差異，但智慧攝影機將有助於進一步推動熱成像的採用。然而，這種採用僅適用於，不需要複雜圖像或信號處理的簡單應用。
認識作者
Markus Tarin 是 MoviTHERM 的總裁兼首席執行官。他在可見和不可見成像方面擁有豐富的經驗，並且是許多國防、研究、醫療和工業應用開發項目的首席架構師。
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