行业动态

美研究人员开发长波红外热成像新应用

发布:HPLSElaser阅读:1858时间:2018-1-30 21:57:58

长波红外(LWIR)成像也被称为热成像,近几十年来在**和安全领域中扮演着至关重要的角色,因为长波红外能够用于检测与环境照明无关的任何温热的或有生命的物体。最近,热成像探测器制造工艺的进步和成本的降低使得长波红外成像技术更加深入消费者和工业市场。

长波红外探测器虽然无法观测到可见光的散射和反射,但是能够对物体本身散发的红外热量进行响应。远红外光在生活中的主要用途是室外加热器,以及在餐馆使托盘中的食物保持温度的红外加热灯。它们都是通过发射大量的红外辐射来提高室温或加热食物。

长波红外传感器能够指示出物体在何处以及物体发射热辐射的程度。这一特点提供了两个明显的优点:长波红外的探测能够独立于外界照明条件,并且传感器能够很容易地识别出任何类型的发热体。长期以来,长波红外的这一重要优势已成为现代战争中的关键技术。


胶水滴在一块泡沫上的可见光图像(左)和长波红外图像(右)。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

长波红外技术的其他应用还包括纯粹的成像应用,其仅取决于热量分布的可见性;以及辐射测量应用,其依赖于经过特殊校准的长波红外摄像机拍摄得到场景中物体的绝对温度。有些测量场景中必须已知物体表面光洁度的信息,因为这决定了物体能够反射或吸收多少辐射。

基于纯影像的热成像应用还有很多,而且数量还会继续增长。印刷电路板制造中的热点定位、检测水的存在以及检测绝缘断裂已经成为长波红外成像最为广泛的几大用途。几十年来,这些类型的检测设备已经在商业上得到了广泛应用。除了以上这些用途广泛的应用外,还有两种不常见的应用分别是胶滴检测和皮革检测。


利用长波红外成像对相机电路板进行电路检查。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

一种商业胶滴检测应用,主要用于检查和测量产品上新加胶滴的位置。该应用的主要问题在于所检测的胶水是完全透明的并且胶滴所在的背景非常暗,所以在传统的可见光成像中胶滴很难被分辨和成像。幸运的是,液体胶水具有与背景物体完全不同的散热率和发射率,胶滴的表面特性决定了物体的长波红外发射特性。这使得胶滴在热图像中很容易被检测为明显的黑点。

而皮革检查应用的目标是在新加工的牛皮皮革中找到“硬点”。这些硬点在可见光下是无法被观察到的,目前只能通过拍动皮革的整个表面进行人工检测。为了使这个过程自动化,就必须测量材料的密度。在一般情况下,长波红外检测也无法直接获得材料的密度信息。但是,如果将生牛皮的温度升高然后被动地冷却,那么经过一定时间之后,材料密度的差异会显示为温度差异。这种类型的间接检查在工业应用中很常见。如果通过观察传热或热量分布能够检测到缺陷,那么就可以用长波红外成像技术来解决这一问题。


鸡肉条的可见光图像(左)和长波红外图像(右)。长波红外图像能够显示温度的变化。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

长波红外成像的辐射测量应用已经成为食品和材料加工等行业的重要检测手段,因为该应用能够提供对随机位置上的任何形状物体进行远距离和非接触式温度测量的能力。这样的优势使得过程控制中能够获得更大的检测范围,并减少产能损失。例如,鸡块加工工厂一般需要在鸡块从烤箱出炉时检测所有鸡块的温度。使用经过适当校准的相机,输入关于目标物表面光洁度和发射率以及环境条件如湿度和温度等信息后,就能够进行精确的测量。

多年来,用液氮或其他手段主动冷却探测器的需要提高了检测成本,并使摄像机变得越来越笨重。这是在工业环境中使用长波红外成像技术的主要难题。在20世纪90年代中期,德州仪器公司(TI)采用钛酸钡锶(BST)传感器将长波红外技术引入商业市场。铁电器件在经过第一轮技术优化之后被舍弃,因为它的信噪比较之其替代品钒氧化物低大约2.5倍。因为这两种技术最初都是由美国军方开发的,所以在放弃了钛酸钡锶转而使用钒氧化物之后,钛酸钡锶传感器在大多数应用中很快就被替代了,因为缺乏更新的研究,它已经在性能上落后于钒氧化物传感器。


细长的针脚(右)将红外检测元件悬挂在辐射热测量计的传感器基板(左)上方。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

使用钛酸钡锶和氧化钒以及后来的非晶硅制造的微测辐射热计都是冷却光电子的替代品,并且能够大大降低这些探测器的价格和尺寸。一台辐射热测量计就相当于一个热敏电阻,而使用一系列微测辐射热计就能够对物体成完整的像。其中大部分辐射热测量计都暴露在热辐射中,而几列未曝光或“盲”电阻器用于提供基线读数。

通过读出并整合这些热敏电阻的阻值变化,并与未曝光的电阻阻值相比较,就能够重新生成一幅热图像。这种测量过程是通过将针脚悬挂在传感器基板上方的众多电阻来完成的。将电阻器隔离在真空中并且避免与任何表面接触,从而通过改变粒子或能量在给定表面上的转移速率而使温度的变化幅度最大化。

使用基于微测辐射热计的检测器进行测量的主要困难是测量过程中需要两个元件,即将曝光的电阻器与未曝光的电阻器之间进行比较,阵列中这些器件的准确电阻值的变化将导致图像中产生高固定模式噪声(FPN)。测量电阻器的这种微小差异,高固定模式噪声效应实际上与像素响应相当,从而导致来自检测器的原始图像在大多数情况下看起来很模糊。


固定模式噪声校正前(左)和校正后(右)的人手臂长波红外图像。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

由于每个像素点的这种差异大部分是基于偏移的,因此可以通过使用简单的快门来校正固定模式噪声。使用安装在检测器前的快门,测量每个像素与目标的差异并进行校正,因为由快门提供的均匀表面应当使所有像素输出相同的像素值。进行固定模式噪声校正将得到更加干净的热图像。

然而困难在于,噪声校正依赖于当前的传感器温度。这种依赖性导致需要在照相机内部集成机械快门,这无疑增加了照相机的复杂性和成本。为此,长波红外成像公司生产的产品一直使用的是无快门校正。

理论上,因为施加给任意给定像素的校正量需要由基板上当前传感器的温度确定,所以即使在摄像机的温度改变时,也应该能够预测并存储所需的校正量。随着嵌入式电子设备计算能力的提升以及将这些校正集成到专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑器件(FPGA)的设计中,越来越多的无快门校正技术将在市场上出现。由于快门动作将在一定时间内阻挡光路,从而阻碍当时照相机的视野,因此,在丢帧问题的连续检查应用中,快门照相机将难以使用。对于大多数监视和检测系统而言,例如在自主无人机上其情况也是如此。无快门相机将是解决这些问题的优秀方法。


两台水泵的可见光图像(左)和长波红外图像(右)。打开的水泵温度高,因此在长波红外图像中显示为黄色。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

为了使这种类型探测器的响应更加灵敏,探测器中的热敏元件需要被封装在高真空的封装中,以保证不会通过对流将热量传递到周围环境中。这种“老式”封装方法被称为模具级封装(DLP),需要将元件阵列切割并将其封装在单独的真空封壳中。

这个封装过程是十分昂贵的,大大增加了给定像素或分辨率尺寸所需的封装大小。研究人员正在开发的另一种能够降低成本和缩小尺寸的封装策略被称为晶圆级封装(WLP)。该方法涉及将整个测辐射热计阵列晶圆粘合到具有集成窗口的真空胶囊晶圆上。晶圆级封装工艺对微制造水平要求更高,但是使每个模具的价格和尺寸更加合理。但是这种改进在降低成本的前提下必须保证相机的可用性不能打折扣。这种封装工艺还将有利于辐射热测量仪以全新的尺寸进行大规模生产,从而能够进一步融入汽车、无人驾驶飞机和手机等大众市场设备中。


晶圆级包装微测辐射热计。图片来源:Teledyne Dalsa公司。

无论是通过直接观察热量分布、间接观察热量变化,还是通过绝对温度测量,热成像摄像机都将在未来的自动化检测中占据重要的一席之地。这种技术的自身优势和存在的困难并不能使其成为最全面的解决方案。但是对于可见光无法提供检测或被检查目标的性质特殊时,热像仪提供了一种有效而便捷的选择。随着这些热成像设备的价格和体积不断下降,它们将在不久的将来成为机器视觉市场中的重要一员。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62894&PID=20&VID=151&IID=990

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