隨著紅外熱成像相機邁向更直觀、更經濟、標準化和智能化，其收益愈加可觀，紅外熱成像市場正發展地如火如荼。

紅外熱成像技術曾經僅用于國防、軍事等高端應用，但在過去幾十年的發展中，已逐漸變為更為主流的技術。據麥姆斯咨詢介紹，隨著維護和電氣故障排除應用中手持式紅外熱像儀越來越受歡迎，人們對該技術的工業效益的認識日益提升。2020年又遭遇了新冠疫情，大量紅外熱成像解決方案順理成章地涌入市場。各種紅外熱成像傳感器技術和相機被用于發熱檢測，盡管從技術上講，紅外熱成像傳感器僅能測量皮膚表面溫度。

通常不透明的塑料包裝在短波紅外（SWIR）的透射率比在可見光范圍更高，因此SWIR相機能夠輕松探測出塑料桶中對SWIR光波低透射率甚至強吸收率的物質。（左圖）。偽色彩可以為觀察者提供突出的溫度變化，而無需改變基礎像素的溫度值（右圖）（來源：MoviTHERM）

盡管如此，紅外熱成像對于許多終端用戶仍然非常神秘。即便是技術嫻熟的機器視覺集成人員也可能對非可見光成像技術束手無策。這并不稀奇，因為人類缺乏視覺感知溫度的視覺能力。

為了更好地了解紅外相機和熱像儀的性能，用戶必須了解紅外熱成像相機的工作原理和所涉及的物理原理。與在可見光譜（400 nm到700 nm波段）工作的標準機器視覺相機不同，紅外相機和熱像儀技術覆蓋的光譜范圍更為寬廣，該光譜主要細分為三個波段：0.9 μm至1.7 μm波段屬于短波紅外（SWIR），3 μm至5 μm波段屬于中波紅外（MWIR），8 μm至14 μm波段屬于長波紅外（LWIR）。

光譜波段主要由各類相機中的探測器技術的特性來定義。光譜帶則來自探測器材料的敏感波長。根據科學原理，物理學文獻可能會以不同的方式對紅外光譜進行分類。

深入了解短波紅外（SWIR）

許多常見應用可從不同波段的探測中受益，并非所有紅外探測都涉及溫度測量。研究人員利用材料物理特性來探究光譜的選擇性反射率、吸收率和透射率。

例如，通常不透明的塑料包裝在SWIR的透射率比在可見光范圍更高，因此SWIR相機能夠輕松探測出塑料桶中對SWIR光波低透射率甚至強吸收率的物質。結果為SWIR圖像的對比度足以完成檢查。

SWIR技術也適用于農業，它可以監測作物和植物健康狀況，檢測碰傷或測量水果的含糖量。這些應用均使用了某種光譜的反射率、吸收率或透射率作為基礎檢查方法。

當用SWIR相機測量溫度時，了解SWIR光譜區域非常重要，該光譜產生的大多數信號是由反射光形成，而非紅外輻射能量所產生。通過可見光標準機器視覺應用可以清晰闡述這一點。

用SWIR相機測量溫度需要大量的熱能來克服反射光，并在傳感器上記錄為輻射能量。因此，在溫度低于400℃情況下，使用搭載SWIR探測器的相機來完成溫度校準，通常沒有任何意義。該特點使得SWIR相機適用于高溫應用（如成像熔融金屬或檢查工藝焊縫等）。

微測輻射熱計：一種更加經濟的熱成像技術

室溫及室溫以下的真正熱效應表現在3 μm及以上波段。能夠捕捉這些熱效應的成像設備通常被認為是真正的熱像儀。術語“紅外相機”則不僅指代這部分熱成像設備——因為它們所捕獲的大部分信號來自輻射的長波紅外。

圖為包含紅外波段的電磁波譜（來源：MoviTHERM）

科學家和相機制造商對紅外光譜波段的界定并不相同。相機制造商的界定邊界取決于熱像儀中探測器的技術特點。（圖中MCT表示碲鎘汞，來源：FLIR）

MWIR探測器也可以應用于熱成像領域。然而，它們有一個共同的缺點，就是非常昂貴。640 × 512像素探測器的中位數售價約在70，000美元。這些探測器成本高昂，這是因為這類探測器必須冷卻至約75 K（或 -198.15 ℃）。探測器材料本身對熱輻射非常敏感，因此導致傳感器在室溫下會立即飽和。在現代MWIR熱像儀中，低溫冷卻是由位于相機機身內部的閉路式斯特林制冷器實現。在過去，這類相機的冷卻需要利用裝滿液氮的大氣瓶來實現。

更為經濟的選擇是集成微測輻射熱計探測器的熱像儀。根據像素分辨率、探測器噪聲水平以及測溫精度的不同，這些熱像儀的起始售價可低于1000美元，分辨率為80 × 60像素。微測輻射熱計的工作原理與典型光子捕獲探測器完全不同，它主要基于微型熱阻像素。這類熱像儀有些主要使用熱電制冷元件，更易操作。當這些像素暴露于紅外輻射（熱量）中時，會使其電阻發生改變。無需低溫制冷，操作更簡單，成本更低。

LWIR相機中的每個像素都有其物理質量，需要捕獲所指向物體的熱輻射來對其進行加熱。這為相機讀取電阻變化之前每個像素預熱所需要的時間，給定了一個固定的時間常數。該常數通常在8到14毫秒之間，具體數值取決于像素大小。這種探測器的缺點是，當涉及運動物體成像時，時間常數會帶來不小的挑戰。

8毫秒似乎時間很短。但是，根據相機的視場角和成像對象的速度不同，所捕獲的圖像中可能會出現明顯的運動模糊現象。在積分時間（即時間常數）內，當部分物體經過探測器像素時，就會產生運動模糊。換句話說，在物體移動到相鄰像素之前，該像素可能還沒有完全整合它試圖捕獲的熱輻射。因此，這會導致溫度平均效應，從而導致測量誤差和其他問題。

非制冷型微測輻射熱計探測器是制冷型MWIR相機的一種更加經濟的替代方案。微測輻射熱計探測器捕獲熱成像數據的能力主要基于微型熱阻像素，當暴露于紅外輻射（熱量）中時，會使其電阻發生改變。（來源：MoviTHERM）

運動模糊并非熱成像中唯一的模糊類型。由于熱圖像中的對比度是由溫度變化引起的，所以大多數熱圖像看起來都是模糊不清的。這種模糊并非對焦或缺乏對焦的結果。更準確地講，這是物理熱力學函數導致的。

熱能會從能量較高的較暖區域流向能量較低的較冷區域。這種行為完全是動態的，由此產生了溫度轉變或熱梯度。熱圖像中將溫度變化表現為亮度變化：白色代表較熱的區域，黑色代表較冷的區域，較暖和較冷區域之間會出現灰色過渡。

圖為通電電路的熱圖像。只有當輻射率（發射率）發生變化時，或當較溫暖區域與周圍區域熱隔離時，熱圖像才會顯得比較清晰。正是這種由熱擴散引起的動態行為，表示熱成像可能與信號處理關系更大，而非圖像處理。（來源：MoviTHERM）

這些過渡使圖像邊緣看起來很模糊。這種效果通常不會出現在標準機器視覺應用中，后者更多地依賴于表面或特征反射光所產生的效果。這種反射模式是恒定的，它在圖像中產生的對比度也是恒定的。只有當輻射率發生變化時，或當較溫暖區域與周圍區域熱隔離時，熱圖像才會顯得比較清晰。正是這種由熱擴散引起的動態行為，表示熱成像可能與信號處理關系更大，而非圖像處理。

理解輻射率（發射率）

在研究紅外熱像儀時，輻射率可能是需要了解的最重要的現象。因此在熱成像課程和研討會中，它往往是最熱門的話題之一。簡言之，輻射率表征了固體輻射紅外能量的能力。輻射率主要由三部分組成部：反射、透射和輻射能。這些因素的總和必須等于1。

由于大多數材料不透射紅外輻射，因此成像主要與反射和輻射能量有關。在這種情況下，推導過程會使測量熱反射物體的溫度變得困難。例如，試圖分辨一個閃閃發光不銹鋼罐的溫度被認為是無法完成的熱成像應用，除非罐體表面的輻射率可以改變。如果允許，可將漆黑色涂料涂抹在罐體的某個區域，以將其輻射率提高到0.9甚至更高。利用熱導，這種高輻射率涂層將吸收罐體表面的溫度。然后，涂層可幫助將能量發射到熱像儀，從而實現精確的溫度測量。

當涉及無法改變的低輻射率表面的應用時，則可能需要通過接觸法（如連接物理熱電偶）進行測量。

在機器視覺中使用熱像儀時，另一個需要考慮的因素是熱像儀的可用空間分辨率。就商業應用而言，熱像儀最高分辨率約為1.3 MP，更經濟的熱像儀可提供 640 × 480或640 × 512像素。與最先進的機器視覺相機相比，這種分辨率就顯得相形見絀，機器視覺相機可提供70 MP甚至100 MP的分辨率。因此，紅外相機還有很大的進步空間。

用于熱像儀的鏡頭材料很特殊。最典型的一種材料是鍺（Ge）。標準硼硅酸鹽玻璃會阻擋中波紅外光和長波紅外光，因此并不適合作為熱像儀的光學材料。

熱像儀制造商必須根據相機本身來校準鏡頭，因此，許多熱像儀制造商同時也是其鏡頭供應商。因此，每臺熱像儀只提供1~5種鏡頭選擇并不罕見，這使得成像系統的設計更加復雜。

如果熱像儀還需要外殼來保護其免受惡劣環境侵害，情況就變得更為復雜。這種情況下，觀察窗還必須配備由鍺或其他合適材料制成的紅外透射玻璃。

成本降低，接口標準，智能相機

盡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的重要性仍變得越來越突出。多個因素的存在促成了這種增長。成本降低可以說是其中最重要的因素。其次是標準通信協議GenICAM和標準物理接口的引入。GenICam的目標是為所有類型的相機提供統一的編程接口，由歐洲機械視覺協會（EMVA）頒布。最先出現的是FireWire（這是在IEEE-1394標準制定之前，蘋果公司賦予數據傳輸技術的名字），現在是大多數相機都配備的千兆以太網。

不久前，用戶還不得不發揮他們最好的編程技能，并在軟件開發套件的幫助下，來實現專有的通信接口，結果卻發現下一款相機型號并不兼容。相機制造商朝向更統一的通信標準邁進，使相機銷售受益匪淺，同時也促使系統集成商和終端客戶更廣泛地采用這些標準。雖然熱像儀制造商還在繼續努力完全遵守這些標準，但情況確實有所改善。

最近熱成像智能相機也破土而出。盡管熱成像與標準機器視覺還存在很大差距，但熱成像智能相機將進一步推動熱成像的廣泛應用，綻放美麗的“紅外之花”。

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