好久沒(méi)有為大家帶來(lái)裝備方面的信息了，今天我們繼續了解熱成像儀相關(guān)知識。
熱成像原理
紅外熱成像設備探測紅外光譜成像，而普通攝像機利用可見(jiàn)光譜（0.4～0.76μm）和近紅外光譜（0.76～1μm）。紅外熱成像有長(cháng)波熱像儀和短波熱像儀之分，長(cháng)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)波段是因為其屬于大氣窗口具有穩定的大氣透射率，在大氣層中較少被反射、吸收和散射，進(jìn)行紅外測量效果較好。
紅外熱成像設備的設備結構與常規可見(jiàn)光攝像機類(lèi)似，主要是由鏡頭、擋片、熱紅外探測器、處理電路、顯示單元構成。關(guān)鍵技術(shù)是熱紅外探測器、信號處理技術(shù)、圖成處理算法、測溫算法與校正技術(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(xiàn)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準鏡頭、廣角鏡頭、長(cháng)焦鏡頭之分，中高檔的熱像儀鏡頭像單反相機一樣是可更換的，以適合不同的應用需要，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)對焦鏡頭。具有焦距可調的鏡頭可以使得目標區域成像更為清晰銳利?，F在智能手機的后置主攝像頭和數碼相機都具有自動(dòng)對焦功能。
熱像儀鏡頭與探測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構，作用是用于內部校準。也就是因為存在該活動(dòng)擋片機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械機構的故障。
熱像儀的熱紅外探測器作用是將紅外輻射轉換為電信號，是熱像儀關(guān)鍵技術(shù)所在。早期的紅外探測器以光伏探測器為基礎基于光子探測技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是成像質(zhì)量?jì)?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，由此產(chǎn)品很難小型化、低功耗且成本高昂。光子探測技術(shù)的熱紅外探測器稱(chēng)為制冷型熱紅外探測器?，F在主流商用熱像儀大多采用非制冷型熱紅外探測器，以微測輻射熱計為基礎，雖然成像質(zhì)量和熱靈敏度比光子探測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、低功耗且成本相對較低。而且現代不斷改進(jìn)的圖成算法與校準技術(shù)使得非制冷型熱紅外探測器成像效果大為提升，彌補了產(chǎn)品自身的一些不足之處。
目前主流非制冷型熱紅外探測器有氧化釩和非晶硅兩種技術(shù)，美國以FLIR公司為代表主推氧化釩技術(shù)，法國以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器在成像質(zhì)量方面有一定優(yōu)勢，不過(guò)非晶硅熱紅外探測器近年來(lái)在技術(shù)上也有很大的進(jìn)步。
熱成像設備重要參數
選購紅外熱成像設備從技術(shù)指標上可關(guān)注以下參數。
熱紅外探測器分辨率
熱紅外探測器作為熱像儀核心部件其分辨率越高越好，就像手機攝像頭一樣，熱紅外探測器物理分辨率往往是熱像儀檔次的首要標志。熱紅外探測器分辨率直接關(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)系統中熱紅外探測器分辨率越高成像分辨率也越高，目標可分辨度也越高。限于技術(shù)目前熱紅外探測器分辨率比可見(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級別的熱紅外探測器。在入門(mén)級的產(chǎn)品中則更多采用60×60、80×60、80×80、120×120、160×120級別的熱紅外探測器。別小看了這些看似分辨率不高的熱紅外探測器如果用于近距離觀(guān)測，例如電子行業(yè)的電路板探查和家庭管線(xiàn)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(hù)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器分辨率為80×60，實(shí)際使用中成像效果不錯，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。熱像儀對測試圖樣進(jìn)行觀(guān)測，當系統的基準電子濾波器輸出的信號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。制冷型的紅外探測器NETD可做到小于30mK，中高檔的非制冷型的紅外探測器NETD可做到小于50mK，主流入門(mén)級低價(jià)位非制冷型的紅外探測器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相當于0.05℃。
隨著(zhù)科技的發(fā)展熱成像算法和信號處理的不斷改進(jìn)，逐漸彌補了非制冷型的紅外探測器NETD不及制冷型的紅外探測器的短板，目前民用市場(chǎng)主流的非制冷型紅外探測器熱像儀成像質(zhì)量都非常不錯，一般日常商業(yè)應用小于150mK的紅外探測器性能勝任工作，對于一些特殊的領(lǐng)域如建筑和化工則推薦使用NETD性能更好一些的產(chǎn)品。
熱紅外探測器類(lèi)型
目前民用市場(chǎng)主流的非制冷型紅外探測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器在成像質(zhì)量方面有一定優(yōu)勢，尤其是中高端產(chǎn)品優(yōu)勢更為明顯。同技術(shù)的熱紅外探測器探測元像元越小成像質(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。
溫度測量范圍
不同的熱像儀設計測量溫度范圍不同，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。常規鏡頭類(lèi)型有微距、標準、廣角、長(cháng)焦。另外從聚焦的角度有定焦、手動(dòng)調焦、電動(dòng)調焦、自動(dòng)聚焦之分。一般觀(guān)察近距離物體建議使用標準或廣角鏡頭產(chǎn)品，觀(guān)察遠距離物體建議使用長(cháng)焦鏡頭產(chǎn)品。采用哪種特性的鏡頭沒(méi)有檔次高低之分，只有適合不同的應用。長(cháng)焦鏡頭適合分辨遠距離的物體但是視角窄不適合觀(guān)測近距離物體。
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)級低價(jià)位產(chǎn)品都只提供9Hz幀頻（低端機芯一般提供8.7Hz幀頻都被近似標稱(chēng)9Hz幀頻），中檔以上檔次產(chǎn)品可提供60Hz幀頻。對于觀(guān)測諸如電路板、電器設備、管線(xiàn)之類(lèi)靜態(tài)物體低價(jià)位的9Hz幀頻產(chǎn)品完全適用，對于觀(guān)測被測物體的運動(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)光融合增強圖像。純熱像圖全部由被測量面溫度特征構成，體現溫度差異定位熱源都沒(méi)有問(wèn)題，但對于低分辨率的熱紅外探測器物體的識別率較差。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，增強物體包括物體邊緣顯示使最終熱像圖上對物體的分辨效果大大提升。該技術(shù)對于低分辨率熱像儀的圖像增強效果顯著(zhù)，甚至圖像品質(zhì)可以趕超擁有更高一級硬件分辨率熱紅外探測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都有使用這項技術(shù)。
測量精度
熱像儀的測量精度除了與產(chǎn)品所用熱紅外探測器有關(guān)外與電子處理電路和測溫算法與校正技術(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大多為±2℃或讀數的±2%。
熱像儀產(chǎn)品形式
用于便攜探測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)對焦功能的熱像儀外形多采用攝像機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熱像儀做成手機外置攝像頭形式與智能手機配合使用以降低成本。
