下面跟大家分享一個使用FLIR紅外熱像儀做實驗的有趣案例：德國耶拿弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的研究人員開發(fā)了一套成像系統(tǒng)，通過兩臺高速、高分辨率單色成像儀和一臺GOBO投影儀對物體進行三維檢測。在碰撞測試、安全氣囊展開等典型動態(tài)應用中，除快速空間變化過程以外，溫度變化也扮演著重要的作用。

實驗過程

高速3D熱成像系統(tǒng)的工作原理

德國耶拿弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所（簡稱“IOF”）主要從事光子學領(lǐng)域應用型研究，早在2016年就開發(fā)了一款高速3D成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩臺立體排列的高速立體黑白成像儀和一臺自行研發(fā)的主動照明GOBO投影儀組成。自2019年以來，其還引入FLIR科學成像儀（FLIR X6900sc 超晶格 長波熱像儀，該熱像儀支持高達1000 Hz的幀速率和640×512像素的分辨率），推出了一款高速3D熱成像系統(tǒng)。

研究人員使用自己的GOBO系統(tǒng)投射必要的非周期性條紋圖案

高速3D成像系統(tǒng)基于能靈敏感知可見光譜范圍(VIS)的兩臺單色成像儀。二者以12,000 Hz的幀速率和1百萬像素的分辨率工作——較低分辨率下還可實現(xiàn)更高幀速率。但兩臺成像儀尚無法以所需質(zhì)量標準產(chǎn)生有意義的3D數(shù)據(jù)。此外還要借助一種復雜的照明系統(tǒng)，超快投射條紋圖案序列，這些圖案類似于常規(guī)正弦條紋，只是其寬度會不定期變化。

來自LWIR熱像儀的2D紅外數(shù)據(jù)可與3D數(shù)據(jù)合并，后續(xù)形成3D紅外圖像，且3臺成像儀均經(jīng)過校準

將重建的3D數(shù)據(jù)與來自FLIR X6900sc SLS高速熱像儀的2D數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成三維高速紅外圖像。FLIR X6900sc超晶格探測器在長波紅外范圍內(nèi)運行，因此在GOBO投影儀光源發(fā)出輻射的可見和近紅外波長范圍內(nèi)不敏感。由于投射的非周期性正弦圖案對物體的加熱也無關(guān)緊要，因此GOBO投影儀不會影響紅外成像。

FLIR X6900sc SLS丨LWIR高速紅外熱像儀

FLIR X6900sc SLS是一款面向科學家、研究人員和工程師的超快速、高靈敏度的紅外熱像儀。這款熱像儀擁有先進的快門釋放功能，搭載額外SSD硬盤后，其內(nèi)置內(nèi)存能發(fā)揮出超強的記錄能力，無論是在實驗室，還是測試現(xiàn)場，它都能捕捉到質(zhì)量超群的高速事件定格圖像。可謂一機在手，萬事無憂。

FLIR X6900sc超晶格長波紅外熱像儀在640×512像素的全尺寸格式下，記錄速率最高可達1,004幀/秒，在最小局部圖像格式下，記錄速率最高可達29 kHz。使用這些熱像儀，可以在內(nèi)置內(nèi)存中記錄長達26秒的全幀格式數(shù)據(jù)，圖像絲毫無損。憑借應變超晶格(SLS) 長波紅外探測器，F(xiàn)LIR X6900sc SLS可實現(xiàn)比其他X6900s型號約短12倍的積分時間和更大的動態(tài)范圍。

新型系統(tǒng)的測量與計算

在測量過程中，三臺成像儀同時記錄圖像數(shù)據(jù)。來自黑白成像儀的數(shù)據(jù)與GOBO投影儀的非周期性條紋投影相結(jié)合，產(chǎn)生實際3D圖像，然后計算出10對一組的圖序列，以形成3D圖像。這種“3D重建”會形成空間形狀，然后將FLIR長波熱像儀的紅外圖像數(shù)據(jù)疊加到該空間形狀上，以便在映射過程中將溫度值分配給空間坐標。

3D熱成像系統(tǒng)示意：可見光成像儀（綠色）使用GOBO投影儀（綠色）記錄3D信息。來自長波熱像儀（紅色）的紅外數(shù)據(jù)與重構(gòu)的3D形狀相結(jié)合，形成3D熱圖像。

當然，在測量之前，需要對由可見光成像儀和長波熱像儀組成的系統(tǒng)進行校準。為此，IOF團隊使用了帶有規(guī)則的開環(huán)和閉環(huán)網(wǎng)格的校準板。為確保即使在溫度分布均勻的條件下，仍能在可見光譜范圍和長波紅外中檢測到這些結(jié)構(gòu)，圓和背景選用了具有不同反射率(可見光)發(fā)射率(長波紅外)的材料。耶拿的研究人員通過印刷電路板找到了解決該問題的方法。為此，他們開發(fā)了一款非同尋常的電路板，由規(guī)則的開環(huán)和閉環(huán)網(wǎng)格組成，而不是由電氣組件之間的電氣連接組成。

校準：在可見光和長波紅外范圍內(nèi)都能輕松識別電路板上的規(guī)則開環(huán)和閉環(huán)

高速3D熱成像系統(tǒng)的實際應用

IOF的新型高速3D熱成像測量系統(tǒng)旨在將高動態(tài)空間3D與紅外數(shù)據(jù)結(jié)合起來。運動中的運動員、碰撞測試、安全氣囊展開等超快速流程不僅有表面形狀的快速變化，也有局部溫度的變化，過去無法同時捕獲這些變化，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了這一目標。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)過各種情景的測試，其中包括籃球運動員運球（不僅會使球變形，還會引起熱量）：

以籃球為例測量：258毫秒后，在籃球上可以看見球員的手印，是一種熱標記

還有用于測量安全氣囊展開時的溫度變化和空間表示，系統(tǒng)在距離3米處對高速過程記錄半秒鐘。將三維數(shù)據(jù)與熱成像信息結(jié)合后，不僅可以清楚地看到安全氣囊展開后的溫度，還能獲得時間點和空間坐標信息。借助這些信息可以減少和防止安全氣囊展開導致駕駛員受傷的風險。

以安全氣囊測量為例：僅在視覺信息上方，在計算所得3D熱圖像序列示例圖下方，安全氣囊以高達50米/秒的速度展開，耗時僅20毫秒

IOF研究團隊的Martin Landmann確信：高分辨率3D數(shù)據(jù)和快速熱成像圖像相結(jié)合的應用場景十分廣泛。Martin Landmann解釋道：“舉例來說，通過觀察碰撞測試，研究變形和摩擦過程，或者研究超快速的熱相關(guān)事件，比如安全氣囊觸發(fā)時的爆炸或者開關(guān)柜中的爆炸，我們可以獲得非常有用的信息?！彼麖娬{(diào)稱，他們正在不斷地開發(fā)和優(yōu)化系統(tǒng)。可見，將來我們有望看到弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所團隊的更多創(chuàng)新研究成果。

FLIR X6900sc熱像儀對于目前的長波紅外或中波紅外探測器，應變層超晶格（SLS）探測器提供更快的快照速度、更寬的溫度頻段和更好的均勻性。這款熱像儀具有高級觸發(fā)功能和內(nèi)置RAM/SSD記錄功能，配有一個四插槽電動濾片輪，可以在實驗室環(huán)境下和測試范圍內(nèi)對高速事件實現(xiàn)畫面定格功能。