热成像仪原理

第十六届上海大学生电视节已经圆满落幕，以9月22日-23日接连两日的光影秀为预热，主持人大赛、视频广告大赛等专业比赛顺利举行。为记录这场三年来首次回归线下的大学生电视盛事，华东师范大学传播学院组建起多路摄影小队，展开多种形式的影像记录和成片摄制实践，除了普通常见的摄录设备，同学们还使用热成像设备、测温仪，深入探究散发着光与热的大学生电视节。传院学生正用测温仪和红外成像仪拍摄观察在成片正式与大家见面之前，让我们一起来看看来自学生摄影团队的“热成像回顾”：可见光-热成像拍摄对比图之一－樱桃河畔，桥边行人左侧的图片常见普通，而右侧的热成像对比图则是另一个光影世界。为了试验器材，拍摄一部校园热力学科普短片，我们将器材对准校园一角，果然是同一个场景不同的观感。红外热成像仪可以根据不同的场景，支持多种热图显示，包括多种伪彩色和热黑、热白模式；右图采用的成像模式就是伪彩色。类比摄像机镜头画面里明暗的对比，热成像视野的灰度差异表示热成像仪所接收物体发出红外线量的多少，即可反映物体的温差：颜色越深灰度越高说明相对温度越低，反之则越高；若要观察此时绝对温度还需要采用全画幅显示。镜头里，洒水车的扫帚旋转轴、后轮主轮轴温度最高，骑车的同学也呈现出高亮温感。试验成功，且让我们等待光影秀的搭建和开场吧。行驶中的货车的热成像-发动机和轮胎装载大视节光影秀器材的卡车从校门口缓缓驶入传播楼侧，开启热成像视频记录仪，货车发动机的热量扩散到了汽车车盖表面，画面中最亮的光点呈现亮黄色，温差对比非常明显；而因为导热性、摩擦情况、热传递情况差异，轮轴的温度可达到近50℃，而橡胶车胎表面温度只有约20.5℃。强温差下的伪彩红外视野十分瑰丽奇幻，是天然的视觉特效。可见光-热成像拍摄对比图之二－传播楼前，铺设调试团队和传播学院学生来到樱桃河畔大型投影仪的架设布线现场，我们的摄像团队正围绕工作人员拍摄。通过更近距离的红外拍摄，我们得到了更为清晰的人体热成像轮廓。需要声明的是，热成像仪画面呈现的只是传感器接收到的热辐射，而并非所谓“透视”，之所以能够在画面中辨别人的轮廓外形，是因为相对于现在的环境温度，人体散发的热量极为显著，若是在炎炎夏日，空气温度达到接近人体温度时，我们可能更难从一堆清晰度低、颜色相近的色块辨认画面。带队教师用热成像仪拍摄搭建器材的工作人员带队教师用热成像仪拍摄搭建器材的工作人员布置现场时，下起了淅沥小雨，我们的衣服上也淋上了斑驳的雨点，为探究此时人体的热成像图变化。得到工作人员同意后，我们近身靠前，边测温边拍摄了热成像照片。在观察的时候我们发现，集中淋在衣服上雨滴形成了一个个明显的“蓝点”，这是因为雨滴温度要比人体温度低，在短时间一直处于淋雨环境时，衣服表面温度会因并不均匀地沾上雨滴而出现温度差异，通过红外热成像视野能为人眼观测到。华师大物理系同学讲解上海大视节的光和热效应光影秀开始前（左）光影秀开始后20分钟（右）在进行多组热成像拍摄后，天色已晚，我们还想探究背后更多的物理原理。在22日光影秀正式公映第一天，我们特邀了物理与电子科学学院的夏冉同学一同在传播楼前拍摄观察。此前，我们在光影秀试投屏前后不同时刻拍摄了多张传院照片，但并没有见拍摄画面中有明显的变化。夏冉同学为我们解释，画面中两个热点分别是工作中的空调外机和投影仪，而打到传院外墙的灯光虽然有视觉震撼力，但相隔数十米的投映，并不能给墙体增热多少。在绵绵秋雨中，跨学科的“专业混搭”，对比强烈的差异化影像记录，配合着有趣的现场讲解，不仅为制作一部校园热力学科普短片打下基础，同时还是华师大传播学院“融媒体大传播”的小小探索。用热成像记录传院和大视节大视节主持人大赛现场的热成像拍摄23日下午，我们还参与了大视节主持人大赛的热力学摄影，透过热成像镜头，比赛正酣的音乐厅果然热力非凡。在上海大学生电视节开幕式各项活动结束后，我们为各摄制组团队拍摄了热力学头像，并制作成传播学院院标。关于大视节，关于传院，关于光和热，我们传院学子热力学影像实践还在继续，敬请期待！传播学院的学生拍摄团队热成像照片拼图

随着红外热像仪在工作中的应用越来越普遍，越来越多的企业明白在工作项目中添加热成像传感器，可以发现很多肉眼看不到的东西。如果你正要将热像仪加入到目前的工作中去，以下这些事情一定要弄清楚！01红外热像仪的工作原理红外热像仪捕捉红外波段的能量（热量），并将这些能量通过数字或模拟视频图像输送出来。红外热像仪由镜头、热传感器、处理电子设备和机械外壳组成。镜头将红外能量聚焦到传感器（也称为探测器）上。探测器实际上是一组像元构成的，可以有多种像素配置，其中最常见探测器的分辨率是320x256和640x512像素。夜视图像与热图像对比可知：热成像完全不受可见光照的影响与可见光相机相比，红外热像仪的分辨率似乎较低，但这是有原因的。在红外热成像仪中，单个的探测器元件本身比在可见光相机中要大得多。可见相机的像素只有1-2μm，而红外热成像仪的探测器像元每个有12-17μm！这是因为热探测器需要感应波长比可见光大得多的能量，这就要求每个探测器像元都要大得多。因此，与相同机械尺寸的可见光相机相比，热像仪通常具有更低的分辨率（更少的像素）。当热能到达探测器后，读出的电子设备将其转换成信号，该信号既可以从热像仪中传出，也可以通过像FLIR Boson这样的热像仪直接进入系统芯片电路。这为FLIR热像仪提供了图像处理和分析等内置功能，而这些功能曾经需要集成商开发后端电子设备。02分辨率决定细节程度首先问问自己，你需要什么样的红外图片？你需要看多远？以及你需要在图像中呈现的细节程度。如果你只需要检测一个物体，一个像素就足够了。如果你需要识别物体（如人、动物或车辆），你需要更高的分辨率。甚至可能需要更多的像素来识别物体的细节(例如，如果它是一个武装的人，是狗而不是鹿，或卡车而不是汽车)。分辨率决定了热像仪可以检测到的细节红外热像仪的范围从成本较低的成像仪（比如FLIR ONE Pro）到用于救生任务的高性能红外热像仪。像Boson这样的FLIR红外热像仪有qVGA（320x256）分辨率和VGA（640x512）分辨率，视场角（FOV）从4°到92°不等。像有些低成本解决方案可以选择使用80x60和160x120这样的低分辨率热像仪。03热灵敏度数值越低，性能越好热像仪的灵敏度被指定为噪声等效温差（NETD）。NETD是一种信噪比指标，它告诉您产生与热像仪时间噪声相等的信号所需的温差，以及热像仪可以分辨的最小温差。对于需要检测细微温差和精细细节的应用，NETD较低非常重要。NETD通常以毫开尔文（mK）表示，数字越小表示性能越好。FLIR热像仪的灵敏度普遍低于50mK，处于行业良好水平（低成本制造商的热像仪可能会将NETD设置在测试环境温度50℃，而不是行业标准的测试环境温度30℃，从而隐藏其低灵敏度。）需要数值低的NETD来检测电路板上的细节04中波or长波红外热像仪热像仪通常只对两个波段之一敏感：3-5μm的中波红外（MWIR）或8-14μm的长波红外（LWIR）。尽管也有例外，但大多数MWIR热像仪需要使用车载低温冷却器将红外探测器冷却至约77开尔文，以便生成图像。制冷型热像仪比非制冷型热像仪更敏感，但冷却器增加了尺寸、重量、复杂性和成本，并且需要定期维护。像Lepton和Boson这样的非制冷型长波热像仪可以在环境温度下成像，因此它们比制冷型长波热像仪更小、更轻、更简单、成本更低。05辐射测量过程与标准热灵敏度、波长以及辐射测量都是我们必须要考虑的因素并不一定性能越好越适合更要考虑项目的侧重点

2020年，由于新冠爆发，中国的红外热成像仪在测温领域取得了惊人增长。那么，2021年随着国内疫情趋于稳定，测温需求下滑，国内厂商的业绩表现如何呢？目前，我国红外热成像仪的生产厂家众多，本次将主要了解市场份额排在前列的四家国内厂商——高德红外、海康威视、睿创微纳和大立科技在2021年的业绩表现。核心技术方面，高德红外拥有完全自主知识产权的“中国红外芯”全套研制、批产技术，一举打破了西方多年的技术封锁、实现了完全自主可控，建成了三条8英寸（制冷碲镉汞、Ⅱ类超晶格、非制冷）红外焦平面探测器批产线。海康威视自建一条自主可控的8寸MEMS生产线及封装线，具备年产晶圆1万片，探测器百万颗的生产能力，在非制冷红外热成像传感器的先进集成电路设计、MEMS微桥结构设计、MEMS及封装制程开发、高真空封装技术等方面具备优势。睿创微纳自主研发的非制冷红外传感器焦平面阵列敏感材料制备、非制冷红外焦平面阵列设计与制备、非制冷红外焦平面探测器晶圆级封装技术、基于非制冷红外技术的高精度非接触式测温技术研发等均实现了量产。大立科技拥有国内唯一的非制冷红外焦平面探测器（非晶硅）产业化基地，发布的业内首款600万像素非制冷红外焦平面探测器，至今仍是国内最高分辨率的非制冷红外焦平面探测器。红外热成像仪国产厂商核心技术红外热成像仪国产厂商高德红外海康威视睿创微纳大立科技核心技术建成了三条8英寸（制冷碲镉汞、Ⅱ类超晶格、非制冷）红外焦平面探测器批产线非制冷红外热成像传感器技术(自建8寸MEMS 生产线及封装线)非制冷红外传感器焦平面阵列敏感材料制备；非制冷红外焦平面阵列设计、制备；非制冷红外焦平面探测器晶圆级封装技术；基于非制冷红外技术的高精度非接触式测温技术研发国内唯一的非制冷红外焦平面探测器（非晶硅）产业化基地，国内最高分辨率的非制冷红外焦平面探测器营业收入方面，截至2021年第三季度，高德红外、海康威视、睿创微纳年初至报告期末营业收入均有不同程度增长——高德红外营业收入24.54亿元，比同期增长26.26%；海康威视营业收入556.30亿元，比同期增长32.38%；睿创微纳营业收入12.09亿元，比同期增长12.15%。大立科技截至2021年第三季度期末，防疫类产品收入975.23万元，较上年同期减少98.18%，非防疫类产品业务收入实现161.22%的大幅增长，防疫类产品收入大幅减少是影响其营收的重要因素。2021年第三季度财报中营收情况红外热像仪国产厂商年初至报告期末营业收入（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外2,444,778,946.4126.26海康威视55,629,267,490.8832.38睿创微纳1,208,508,540.9412.15大立科技741,397,083.44-9.37净利润方面，截至2021年第三季度，高德红外和海康威视归属于上市公司股东的净利润及归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润增加，而睿创微纳和大立科技归属于上市公司股东的净利润及归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润减少。相比同期，高德红外研发投入2.38亿元，增加15.15%；海康威视研发投入60.64亿元，增加27.90%；睿创微纳研发投入2.09亿，增加67.11%；大立科技研发投入2175.20亿，增加27.10%。2021年第三季度财报中归属于上市公司股东的净利润情况红外热像仪国产厂商归属于上市公司股东的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外919,328,504.1615.49海康威视10,965,641,158.1129.94睿创微纳423,682,306.65-8.84大立科技250,845,311.53-25.962021年第三季度财报中归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润情况红外热像仪国产厂商归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外898,761,131.0914.26海康威视10,693,898,565.4433.01睿创微纳392,696,685.26-10.29大立科技190,528,629.69-42.05综合来看，截至2021年第三季度，国内红外热成像仪厂商总体营收呈增长态势，尽管不同程度受到防疫产品需求下滑带来的不利影响，但在非防疫类的红外热成像仪市场也各自通过规划布局取得了大幅增长。此外，在研发投入上，各大厂商也纷纷加大了研发力度，力求通过提升技术水平，稳固当前占据的市场份额，并加速进入红外热成像仪应用的新兴领域。2021年第三季度财报中营收和净利润情况红外热像仪国产厂商年初至报告期末营业收入（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)归属于上市公司股东的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外2,444,778,946.4126.26919,328,504.1615.49898,761,131.0914.26海康威视55,629,267,490.8832.3810,965,641,158.1129.9410,693,898,565.4433.01睿创微纳1,208,508,540.9412.15423,682,306.65-8.84392,696,685.26-10.29大立科技741,397,083.44-9.37250,845,311.53-25.96190,528,629.69-42.05