网络摄像机与红外摄像机的共同点

在红外线区域的中央，热辐射仅能聚集在采用锗、锗合金、锌盐制成的或带有平面镜的光学器件上。相比一般器件而言，这些带有涂层的光学器件仍然是热像仪及大体积（可见光专用）光学器件中的主要成本所在。它们被设计为球面三镜头或非球面双镜头的样式。在配备了可替换光学器件的摄像机中，为了实现准确的测定，每个器件都须针对各个单像素接受相应的校准。

在全世界通用的大多数热成像系统中，这些摄像机的核心是焦平面阵列（FPA），一种集成式图像传感器，规格从20.000到1百万像素不等。各像素本身为17 x 17 μm²至35 x 35 μm²大小的微测辐射热仪。这些150mm厚的热探测器能够在10 ms内，经热辐射加热升温至被测物体与芯片之温差的五分之一。这种极高的灵敏度是借助极低的热容（与其对硅电路和真空环境的良好绝缘有关）来实现的。因在读出电路表面受到传导干扰（以后续光波实现反射），半透明接受器区域中的吸收有所提升。[2]

为了利用这种自干扰效应，测辐射热仪区域须定位在其与读出电路相距约2 μm的位置。在此，需使用特殊的蚀刻技术来加工所采用的氧化钒或非晶硅材料。上述FPA的比探测能力能够达到109 cm Hz1/2/ W的数值。因此，较之其它的热探测器（例如用于高温计），FPA更优一档。

在测辐射热仪的固有温度影响下，它的电阻是变化的。这种变化产生了一个电压信号。采用快速14位模数转换器，能够实现对放大后的序列化视频信号的数字化。随后，数字信号被处理、计算成各个像素对应的温度值。接着，它又即时生成常见的假彩色图像。对热成像摄像机而言，应进行相对广泛的校准；其中，需要将许多灵敏度数值分配至不同芯片与黑体温度下的各个像素。为了提高测辐射热仪的测温准确度，通常将FPA设定在指定的芯片温度（控制精度高）。

随着科技的发展，许多高性能、小体积、质优价廉的设备得以问世，诸如笔记本电脑、超便携移动个人电脑（UMPC）、上网本、平板电脑等等；借助这些设备，我们能够实现：

• 在大尺寸显示器上显示清晰的热像图；
• 使用锂离子充电电池作为电源；
• 借助其运算能力来实现灵活、高值的实时信号显示；
• 借助其大容量存储器来存储红外录像资料，不再受限；以及
• 借助以太网、蓝牙、无线局域网和软件接口，将热成像系统集成到具体应用环境中。

标准且通用的USB 2.0接口可确保实现如下图像传输：

• 以30 Hz（传输率）传输320 x 340像素（图像分辨率）的图像；以及
  
• 以120 Hz（传输率）传输20,000像素（图像尺寸）的图像。

2009年引进的USB 3.0技术则更适用于高达100 Hz（视频率）的XGA热像图分辨率。在热成像领域，对网络摄像机原理的使用催生出了一批具有全新性能与高性价比的产品。红外摄像机是通过一个480 MegaBaud接口来实现与电脑Windows系统的实时连接的，且该连接同时为摄像机提供了所需电源。

USB红外摄像机的硬件

在过去，USB一直被视为单纯的办公通信媒介。但与火线（FireWire）不同的是，对USB 2.0的广泛使用提升了一系列开发活动，以此来提升USB 2.0终端设备（尤其是USB摄像机）的工业适用性与易用性。这些新产品开发包括：

• 可在高达200°C环境中使用的USB数据线，长达10m，且同样适用于电缆载体 [3]
• CAT5E（以太网）100 m超长线缆，带有信号放大器
  
• 用于USB调制解调器的光纤，线缆长达10 km [4]

基于USB总线的高带宽（高达六个120 Hz），红外摄像机能够通过标准的集线器（覆盖100 m以太网线缆）连接至笔记本电脑。

防水抗震的热成像装置属于NEMA 4类产品，因此也同样适用于实验室中要求较为严苛的应用。45 x 45 x 62mm³的小巧尺寸和200g的轻盈质量都大大减轻了进行外壳冷却和空气吹扫的工作量。

由于测辐射热仪存在热漂移现象，考虑到其对芯片信号处理的影响，目前世界范围内出售的测温红外摄像机都需要每隔数分钟进行一次偏差校正。这种校正是通过图像传感器前方的一个黑色金属件在电机驱动下的运动来实现的。这样一来，每个像素都在同一温度下得到参考。当然，在进行这些偏差校正时，热成像摄像机是不予摄像的。为了最大程度地减少干扰效应，可在适当的时刻使用外部控制销来启动偏差校正。

与此同时，摄像机的设计也将其自身的校正时长大幅下降：在此处所说的USB红外摄像机中，通过使用相应的快速作用物件，可允许进行耗时不超过250 ms的自我参考。这种行为的耗时如此之短，堪比一次眨眼的时间，因此，它在许多测定过程中都是可接受的。在使用传送带的程序中，由于需要及时检测到突然出现的热点，故而所生成的“良好”参考图像扫描通常被用作动态温差图。这样一来，便能够在无需任何机械运动部件的情况下，实现连续测温。

尤其是在使用10.6 μm-CO2激光时，对光通道的外控闭合较为常用，这与该自我保护模式的单独信号作用相关。由于对800 nm至2.6 μm光谱范围内的所有其它波长实现了充分过滤，作业激光即可允许在其运行中进行测温。

上述热成像装置的主要应用领域为：

• 用于分析产品与工艺开发过程中的动态热过程；
  
• 固定用于持续监测并控制加热和冷却程序；以及
• 偶尔用于电气/机械维修，以及对建筑物热漏失的检测。

在研发领域的应用中，120 Hz录像的可行性受到了青睐。借助这种功能，可以对那些仅在摄像机视场中短暂显示的热过程进行慢镜头分析。然后，会从这样的视频序列中生成全几何分辨率与热分辨率的单幅图像。此外，为了使摄像机适应不同的测定工作，可替换的光学器件（包括显微镜配件）也因此提供了许多可能性。9°的光学器件更适用于长距离的细节监测，而显微镜配件则可用于测定5.5 x 4.2mm²大小的物体（几何分辨率为35 x 35 μm2）。

在对USB红外摄像机进行线上应用时，通常更倾向于使用光隔离过程接口。热像图上生成的温度信息可以被转化为电压信号。此外，区域参考辐射率和接触/非接触测温的参考温度也可通过电压输入传输给摄像机系统。为了生成文件资料，可以使用额外的数字输入来初始化抓拍与视频序列功能。这些热像图能够自动存储在中央服务器上。进而，在同一个网络中，便可以在不同的计算机上监测到大量温度生成信息中的每一项，尤其是统一信息。

热分析软件确保充分的灵活性

由于USB红外摄像机使用的是已安装于Windows XP系统中的高度集成标准USB视频类HID驱动，因此无需再进行驱动安装。对视频资料与温度计算的实时校正（单像素相关）可在PC（个人电脑）上实现。对于只有20,000传感器像素的图像质量，可使用复杂软件结合绘制算法（用于计算VGA格式的温度阵列）进行处理。该应用软件具有较高的灵活性与可移植性。除了具备一般热成像软件的常规功能外，其还具有以下特征：

• 可扩展的混合调色板（带有等温线）；
• 各种数据输出与热像图输出功能，以支持报告和线下分析；
• 水平线/垂直线显示；
• 数量不受限制的测定区（带有单独的报警选项）；
• 基于参考图像的差异视频显示；
• 各个兴趣区域的温度/时间图。

此外，该软件还提供布局模式，从而省去了对差异显示进行调节的繁琐。借助集成视频软件，可以对AVI格式的辐射测量文件进行编辑。对于此类文件，同样可使用多组并联的适用软件进行线下分析。在视频采集模式下，也能够对热过程进行非连续的慢速录制和快速显示。

通过采用记录的DLL（软件开发工具包的一部分），可以将实时数据传输给其它程序。借助该DLL接口，也可实现对摄像机所有其它功能的控制。或者，该软件可以与串行端口进行通信。采用这一数据链路，便可直接连接RS422适配器。

应用案例

下一章将对三个典型应用进行探讨。它们是从摄像机的广泛应用领域中挑选出来的代表性案例。

优化生产流程

在生产塑料零件（诸如PET瓶）时，需要将瓶胚加热至指定温度，以便在吹塑工艺中保证材料的均匀厚度。为此，需要选用少量20 mm厚的瓶胚进行试运行（以约为1 m/s的速度进行全速加工）。在测定瓶胚的温度曲线时，须记录120 Hz的视频序列，因为该时刻会随瓶胚在视场中的位置而有所变化。摄像机的定位应确保使其跟随着倾斜角度下的材料移动——其视角类似于运行列车中的末端一节车厢。一切就绪后，红外视频序列便可输出准确的温度曲线，而该曲线对所有加热参数的调整都十分重要。

玻璃钢化生产线上的线扫描

在多数情况下，当建筑玻璃被切割至最后形状后，须对其表面做钢化处理。这种处理是在玻璃钢化炉中完成的：在其中，需要将切割后的玻璃加热至600°C左右。加热完毕后，这些材料将由游动辊从钢化炉中运出至冷却区。在这里，各个玻璃表面能够匀速且快速的实现冷却。随后，便形成了细晶强化结构，而这正是安全玻璃的重要结构。要使玻璃形成这种细晶结构，尤其是获得较高的断裂强度，就须在玻璃材料的所有局部区域实现均匀加热和冷却。

由于钢化炉房和冷却区彼此相邻较近，因此只能在小槽孔中监测离开钢化炉的玻璃表面温度。故而，玻璃材料的红外图像仅显示为几条线。软件上显示的玻璃表面温度是从线条或线组中生成的图像。这些线条取自以间隔8 ms记录的热像图。摄像机以对角线模式测定槽孔温度，且该模式支持60°的全视场（配备48°的光学器件）。玻璃因其涂层的不同而具有不同的辐射率。红外测温仪用来测定未涂层玻璃表面下方的准确温度（波长为5 μm）。随后，便可计算出整体测定图像的半球辐射率。接下来，借助这些测定图像，就可以对炉中的所有加热区进行准确调整，以确保实现理想的均温性。

结论

红外成像新技术是对其潜力应用之灵活性与范围的拓展和创新。除了复杂的温度分析外，当与平板电脑相连后，成像装置也可适用于简单的维修工作。除了USB红外摄像机测量头本身的硬件以外，上述两类热成像系统（Windows软件与PC硬件）的其它重要部件也能在以后得到实现。一方面而言，通过简单地下载软件更新与扩展即可实现这一目的；而另一方面，借助标准的USB接口，测温系统可以随时从进一步开发的PC硬件上实现技术与功能互补。

参考文献

1. VDI/VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
2. Trouilleau, C. et al.: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17 μm pixel-pitch; “Infrared technologies and applications XXXV”, Proc. SPIE 7298, 2009
3. Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219
4. Icron Technology Corp.; Options for Extending USB, White Paper, Burnaby; Canada, 2009