摘要

毫无疑问，你在过去几年的某个时候，购买了数位相机来更换旧的胶卷相机。你的购买可能受到你的信念的影响，即在尝试判断提供的所有相机选择之间的图像质量时，像素数是最重要的规格。

任何阅读过消费者报告及其对数位相机的详细评估的人都会明白，相机性能包括对像素数之外的仔细分析。因为热像仪基本上是一个图像转换器（将辐射热能转换为可见图像），你只需要了解决定热图像质量的几个属性；分辨率、热灵敏度和固定模式噪声。通常，热像仪手册会提供你，作为使用者可能永远无法确认，甚至无法理解的列表规格。本文的目的是帮助你简化对如何确定图像质量的理解。

我们将讨论直接影响热图像质量的三个主题，并讨论一些相关主题。

话题：

• 像素分辨率

• 热敏感度

· 不均匀校正

像素分辨率

首先要考虑的是像素数。今天有三种分辨率标准（一些制造商的摄影机略有偏差）：

• 低分辨率 – ≤ 160x120（19,600 像素）

• 中等分辨率 – 320x240（76,800 像素） 

• 高分辨率 – 640x480（307,200 像素）

你需要多少分辨率主要取决于你的应用，和你赋予图像质量的价值。在评估具有 5 与 10 兆像素的数位相机时，大多数使用者永远不会从购买具有 1000 万像素的摄影机中受益，因为他们永远不会在足够大的纸张上打印图像，因为分辨率可以提供更好的打印质量。而你始终打印和显示红外线摄影机的全分辨率，因为可用的最高分辨率，按照当今的数位摄影机标准相对适中。即使在 640x480 像素分辨率下，高清热图像也只占当今计算机显示器的一小部分，因此热成像打印质量，将始终得到充分体现。 因此，在评估热像仪时，像素数是相关的，提高分辨率是提高图像质量的最重要考虑因素。

高分辨率的另一个好处是能够放大场景，并保持良好的图像质量。 大多数热像仪都配备标准光学元件，水平视场角约为 25°。 无论像素分辨率如何，设置为 2X 数码变焦的 640x480 摄影机的性能，将与配备可选（通常价格昂贵）12° (2X) 镜头的 320x240 分辨率摄影机机的性能相当。 如果你预计需要在 20 英尺以外的距离，对物体进行成像，则在比较 320x240 和 640x480 系统的总成本时，你应该考虑为 320x240 热像仪增加 2X 镜头的成本。

 

影响图像质量的第二个主要问题是热敏感性。虽然有许多测试用于量化这一规格，但热灵敏度基本上，定义了当你增加图像对比度时，摄影机的成像效果。热灵敏度随物体温度而变化，因为物体温度升高，检测器的信号输出斜率，随温度升高而增加。这意味着当你查看较热的物体时，信号（增加）与噪声（固定）的比率会提高。然而，这通常不是一个好处，因为可以利用更好的热灵敏度的应用是低温（室温）应用，其中热对比度（图像中的温度增量）非常低。典型的低热对比度应用包括建筑物诊断，其中摄影机对温度变化或发射率，差异很小的内墙进行成像，而湿度或绝缘质量等问题，只能透过将对比度提高，到摄影机热灵敏度限制有用的温度跨度设置。

 

当你查看已发布的摄影机规格时，你会看到热敏度规格介于 0.25°C (250mK) 和 0.05°C (50mK) 之间。当你看到低对比度场景时，你可能会认为 1/4 度足够热敏度，但你会发现图像质量，会对图像质量不利影响，因为噪声开始主导图像。

 

热像仪通常以调色板显示图像，调色板由 256 种离散颜色或灰度级组成。想象一下，你目标有 0°C 和 256°C 之间的温差，每个灰度或颜色级别代表 1 度的温差。现在将相同的颜色映射应用到，温度在 25°C 到 35°C 或 10 度之间的场景中。现在，每种颜色代表 0.03°C (10°C ÷256)，该值低于最敏感的非制冷摄影机。结果是一些噪音的显示。在许多应用中，将跨度设置得尽可能窄以查看可能的最小温度变化非常重要。如果你使用的是 0.25°C 灵敏度的摄影机，并希望保持相同的水平，你必须将温度范围设置为 65°C (150°F)，这可能会导致图像对比度非常低。你应该认识到，具有 50mK 灵敏度的摄影机，与具有 100mK 灵敏度的摄影机之间的差异要好 100%，而不是好 0.05°C。

 

 

参考图片

 

  

160x120

100mK 灵敏度

100mK 的灵敏度足以满足大多数图像温度跨度 >10°C 的应用，但

如果将跨度缩小超过 10°C，图像会降低。

 

320x240

70mK 灵敏度

70mK 灵敏度让你可以将更窄的跨度设置为 5°C，同时保持良好的图像质量。

 

640x480

50mK 灵敏度

50mK 灵敏度可创建最平滑的无噪声图像。 这种敏感度可与对手媲美一些冷却（昂贵）摄影机的热敏感性。

 

热敏性测试

NETD – 噪声等效温差：定量测量

NETD 是场景温差，等于探测器的内部噪声（探测器 NETD）或测量系统的总电子噪声（系统 NETD）。 作为摄影机买家，你需要评估系统 NETD。

 

测试设置（如图 1 所示）由温度控制黑体，参考和某种类型的环境（无源）对象组成，这些对象为摄影机创建一个简单的狭缝目标，以进行可视化。 调整黑体的温度，直到它几乎等于环境目标温度。 示波器测量一条水平线的类比影像输出，在参考点和环境目标之间的温差不再产生可测量信号的点，NETD 由参考点和目标点之间的测量温差确定。 环境参考目标。 （图 1 – NETD 测试设置）

 

MRTD – 最小可分辨温差：定性测量

这是一个系统测试。要求观察者透过观看显示为参考温度设定点的影像输出，来评估 4 bar 目标（参见插图 2 – MRTD设置）的最小温差，环境目标靠得很近。这个最小差异，将随着所使用的条形目标的空间频率而变化。获得了 MRTD 对空间频率的曲线，该曲线表征了成像系统的性能。现代红外线成像系统可以具有几十毫开尔文的低空间频率 MRTD。

大画幅摄影机的好处是显著的，我们在查看高空间频率的同时，结合了对高灵敏度的需求。

为了简化对热灵敏度的基本原理的解释，让我们关注非制冷红外线摄影机红外线传感器的单个像素。非制冷焦平面阵列图像传感器中的每个像素，本质上是一个使用 MEMS（微机电系统）制造的电阻器。

图 2

MRTD 测试设置温度控制

随着参考温度越来越接近，对于环境目标，操作员不再能看到的点，将发生温度增量。 操作员丢失网格图像之前的温差就是 MRTD。

 

 

热非制冷摄影机的基本结构（如上图所示）是一种微观桥结构，其上沉积了薄电阻材料和吸收层。腿将桥板悬挂在集成电路上方，并在电阻桥和硅读出电路之间提供电连接。读出 IC 控制偏置电压薄膜电阻器，并将所有像素信号多路复用到摄影机成像电子设备。

由于红外线辐射被每个像素吸收，其温度会随着光子能量（8-14 微米波长）转化为热量而发生变化，而热量又会改变像素薄膜电阻器的电阻。读出 IC 在每个「微测辐射热计」元件上发送一个电压，一个与每个探测器吸收的热量，成比例的信号是实时影像图像的基础。

红外线传感器的电路非常简单，对每个像素接通一个电压，然后对薄膜电阻基于像素温度的电阻变化，进行采样并转换为数位值。所有类比信号都带有一定程度的噪声，以及传感器产​​生的信号。信噪比会强烈影响相机的图像质量，因为噪声水平通常是一个固定值，并且随着检测器增益的增加，系统将开始显示信号噪声，你将开始看到「下雪」图片。

这种噪声的信号电平通常被指定为噪声等效温差。

 

热灵敏度，因为几乎所有相机开发人员，都可以使用相同的电子元件来创建摄影机。 因此，热灵敏度在很大程度上，取决于红外线成像仪阵列的质量。

 

镜头的 f 值等其他问题也会影响热灵敏度。你的摄影机镜头可能是 ƒ1.0（焦距等于镜头直径），这被认为是「快速」镜头。相比之下，你的数位摄影机中的 f 值可能在 ƒ3 和 ƒ5 之间，而手机和其他低成本系统中使用的摄影机可能高达 ƒ20！由于应用需求导致镜头焦距更长，因此使用「更慢」的光学元件，以减小远摄镜头的尺寸、重量和成本并权衡一些热敏感度是切实可行的。例如，F1.4 光学元件会使热灵敏度降低 2 倍，而 F2.0 光学元件会使热灵敏度降低 4 倍。因此，使用标准镜头的 50mK 灵敏度系统在将 ƒ1.4 远摄镜头连接到摄影机时，仍将保持良好的灵敏度 (100mK)，而另一台摄影机的热灵敏度从 100mK 开始，当透过「较慢」观看时变为 200mK ( ƒ 大于 1 的数字）。

 

正如你从本文提出的各种问题中看到的那样，热敏感度的性质非常复杂，但在现实世界中，当你看见人眼非常擅长区分图像质量的微小差异。

 

非均匀性校正

随着像素数量的增加和它们的灵敏度提高，图像质量越来越依赖于称为非均匀性校准或 NUC 的过程。正如我们之前所描述的，微测辐射热计成像阵列本质上是一个微型电阻阵列，并且由于这些设备的微观尺度，每个像素对来自物体的红外线能量的反应方式存在差异。

 

在制造过程中，红外线热像仪的传感器必须标准化，这意味着每个探测器的响应和直流输出差异必须归零。这里有两个来自摄影机的图像。第一个是没有任何校正的典型图像的样子，另一个是校准校正的结果。热像仪通常具有一个内部标志或光圈，该内部标志或光圈周期性地放置在探测器前面，作为恒定温度参考，以将像素之间的差异归零。这是工厂 NUC 流程的微调，有时被称为「修饰」。

 

 

由于补漆源位于镜头内部，因此在透过镜头执行补漆校准时，无论是使用镜头盖还是将摄影机暴露在一个大的均匀表面上，都可以提高图像质量。 随着相机性能的提高，将开始看到由镜头产生的不均匀性，并且为了获得最终的图像质量，简单的镜头校准步骤将确保摄影机能够生成的最高图像质量。

 

提高图像质量的好处：

• 检查目标的更大灵活性是不同的距离

• 能够可视化低热对比度目标

• 更直观地诊断与热相关的问题

• 由于红外线和可见摄影机分辨率的更好匹配，提高了红外线可见融合图像质量。

• 可灵活整合成本更低、重量更轻的可选镜头 

• 更直观地诊断温度异常