一、顯微熱像儀的工作原理

顯微熱像儀是一種結(jié)合了顯微技術(shù)和熱成像技術(shù)的儀器，能夠在微觀尺度下對(duì)物體進(jìn)行熱成像檢測(cè)和分析，以下是關(guān)于它的詳細(xì)介紹：

1、紅外熱成像原理：基于普朗克黑體定律，任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)向外輻射紅外線。顯微熱像儀中的紅外探測(cè)器可以接收物體發(fā)出的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理和圖像處理，生成物體的熱圖像，從而反映出物體表面的溫度分布情況。

2、顯微成像原理：通過光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡的成像系統(tǒng)，將微小物體或物體的微小部分進(jìn)行放大，使觀察者能夠清晰地看到物體的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。在顯微熱像儀中，顯微成像系統(tǒng)與熱成像系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀物體的熱成像觀測(cè)。

二、顯微熱像儀的應(yīng)用場景

1、材料科學(xué)研究：用于研究材料的熱性能、熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散等特性，以及材料在加熱或冷卻過程中的相變、結(jié)晶、熔融等現(xiàn)象。

2、電子設(shè)備檢測(cè)：可檢測(cè)半導(dǎo)體器件、集成電路、印刷電路板等電子設(shè)備在工作過程中的熱分布情況，幫助工程師發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)、熱短路等問題，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和散熱方案。

3、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：在生物醫(yī)學(xué)研究中，可用于觀察細(xì)胞、組織等生物樣品在不同生理狀態(tài)下的熱變化，為疾病診斷、藥物研發(fā)等提供重要的參考依據(jù)。

4、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）檢測(cè)：用于檢測(cè) MEMS 器件的熱性能和工作狀態(tài)，如微傳感器、微執(zhí)行器、微流體器件等，確保其在微小尺度下的正常運(yùn)行和可靠性。

三、如何選擇顯微熱像儀

1、分辨率：既要考慮熱像儀主機(jī)探測(cè)器的分辨率，還要考慮顯微鏡頭的空間分辨率，即顯微熱像儀能夠分辨的最小物體尺寸，通常用微米（μm）表示。結(jié)合熱像儀主機(jī)的分辨率，空間分辨率越高，能夠觀察到的物體細(xì)節(jié)就越清晰。

（1）探測(cè)器類型：640*512, 17um表示探測(cè)器上分布水平640顆*垂直512顆像元=327680顆像元，每顆像元尺寸是17um 。

（2）空間分辨率：100um表示每顆像元可分辨的最小尺寸是100um。

（3）拍攝距離：98mm表示顯微熱像儀鏡頭到目標(biāo)物的距離。顯微鏡頭的景深很淺，且只能在固定距離才可清晰成像。又因?yàn)槲⑿∧繕?biāo)物的能量較弱，越小越清晰就需要隔得越近。所以我們?cè)谶x擇顯微熱像儀型號(hào)的時(shí)候也要考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合適。（如有特殊情況，可以定制特殊顯微鏡頭）

（4）視野范圍：64*51.2 表示采集到的整個(gè)畫面尺寸是水平64mm*垂直51.2mm，從計(jì)算公式來說就是640*100um ,512*100um。

上圖為640*512分辨率配17um鏡頭，下圖為384*288分辨率配17um鏡頭。清晰度對(duì)比明顯。因此我們?cè)谶x擇顯微熱像儀的時(shí)候要同時(shí)考慮主機(jī)及顯微鏡頭。

2、熱靈敏度：也稱為噪聲等效溫差（NETD）指顯微熱像儀能夠分辨的最小溫度變化，通常用毫開爾文（mk)為單位。熱靈敏度數(shù)值越低，靈敏度越高，就越能夠檢測(cè)到物體表面微小的溫度差異，成像越清晰。

我們經(jīng)常在熱像儀參數(shù)里面看到NETD≤50mk。表示熱像儀能分辨的最小溫差是50mk即0.05℃。很多客戶在咨詢熱像儀的時(shí)候容易把測(cè)溫精度與靈敏度弄混淆。比如我們?cè)谘芯坎牧媳砻鏈囟确植嫉臅r(shí)候，更多的會(huì)需要靈敏度高，可以分辨材料熱傳導(dǎo)性的細(xì)微差別，即我們說的相對(duì)精度，而測(cè)溫精度就是我們常說的絕對(duì)精度，因?yàn)闊嵯駜x是非接觸式測(cè)溫，跟材料絕對(duì)物理溫度相比，我們的測(cè)溫精度一般在±2℃或±2%℃。

上面兩張圖片使用設(shè)備分辨率都是640*512，左圖NETD≤50mk，右圖NETD≤30mk，我們從圖像上就可以直觀地看到右圖圖像的靈敏度高，畫質(zhì)越細(xì)膩。

3、測(cè)溫范圍：指顯微熱像儀能夠測(cè)量的溫度范圍，不同的顯微熱像儀具有不同的測(cè)溫范圍，由于顯微熱像儀拍攝距離過近，溫度過高的話無法標(biāo)定。一般可以從 - 20℃到600℃。再根據(jù)需求定制這個(gè)范圍內(nèi)的不同測(cè)溫區(qū)間。

我們?cè)诟蛻魷贤嵯駜x具體配置的時(shí)候有個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是測(cè)溫范圍，很多不太了解熱像儀的客戶會(huì)認(rèn)為測(cè)溫范圍是不是越大越好，這樣可以覆蓋更多的測(cè)試需求？其實(shí)不是的。我們?cè)谶x擇測(cè)溫范圍時(shí)，盡可能根據(jù)測(cè)量需求選擇能滿足的小量程范圍。比如測(cè)量需求是室溫到100℃左右，就選擇-20~150的測(cè)量范圍，相較于0~300的測(cè)量范圍，采集圖像會(huì)更清晰，測(cè)溫精度更高，更能精準(zhǔn)捕捉目標(biāo)物的溫度細(xì)節(jié)，避免量程過大造成的圖像畫質(zhì)較差。

上圖使用設(shè)備為同一臺(tái)設(shè)備的不同測(cè)溫檔，左圖測(cè)溫量程為0-300℃，右圖量程為160-1600℃。

4、測(cè)溫精度：指測(cè)量值與真實(shí)值之間的最大差異，通常用最大絕對(duì)誤差表示，±2℃或±2%℃。

前面我們講到顯微鏡頭選擇要考慮最小分辨率及視野范圍，還有個(gè)不得不考慮的問題是顯微熱像儀的測(cè)溫精度相較于常規(guī)鏡頭會(huì)不會(huì)有差別？

（1）獨(dú)立顯微鏡頭：市面上很多顯微熱像儀是在常規(guī)鏡頭前面加裝倍鏡，可以起到放大圖像的效果，但同時(shí)會(huì)增加紅外能量衰減，降低成像質(zhì)量。且不能保證測(cè)溫精度。格物優(yōu)信顯微熱像儀采用獨(dú)立顯微鏡頭，無能量衰減，保障成像質(zhì)量。

（2）獨(dú)立標(biāo)定模式：格物優(yōu)信顯微鏡頭與主機(jī)做一對(duì)一標(biāo)定，在顯微鏡頭的固定距離做溫度標(biāo)定與校準(zhǔn)，且獨(dú)創(chuàng)4個(gè)環(huán)溫標(biāo)定模型，保障顯微熱像儀在環(huán)境溫度發(fā)生±10℃左右的偏差時(shí)依然可以精準(zhǔn)測(cè)溫，穩(wěn)定性一流。

5、幀頻：指顯微熱像儀每秒能夠采集和處理的熱圖像幀數(shù)，幀頻越高，就能夠更快速地捕捉到物體的溫度變化動(dòng)態(tài)過程。

我們通常討論的一個(gè)概念是幀頻越高代表一定時(shí)間內(nèi)采集到越多的圖像數(shù)據(jù)。比如50HZ代表1秒鐘可以采集50幀圖像。但是不是幀率越高就越好呢？這就涉及到一個(gè)熱時(shí)間常數(shù)的概念。

熱像儀的熱時(shí)間常數(shù)(thermalresponse time)是衡量探測(cè)器對(duì)溫度變化響應(yīng)速度的關(guān)鍵參數(shù)，通常以毫秒(ms)為單位。非制冷型紅外熱像儀的熱時(shí)間常數(shù)一般為8-12ms，制冷型熱像儀則具有更短的熱時(shí)間常數(shù)，一般以微秒（us)為單位。

（1）響應(yīng)速度:熱時(shí)間常數(shù)越小，熱像儀捕捉快速溫度變化的能力越強(qiáng)，適用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)場景(如高速移動(dòng)目標(biāo)物-軌道交通)。

（2）幀率匹配:為確保溫度讀數(shù)準(zhǔn)確，幀率需大于熱時(shí)間常數(shù)。例如，若熱時(shí)間常數(shù)為8-12ms：幀率需高于30Hz以避免圖像模糊。

如果一味地提高幀率而忽略熱時(shí)間常數(shù)這個(gè)概念，采集到的圖像數(shù)據(jù)都是拖影就無法保障測(cè)溫精度。

同樣三臺(tái)640*512分辨率的設(shè)備，左上是格物優(yōu)信640F系列，熱時(shí)間常數(shù)12ms，幀率50hz，快速移動(dòng)就會(huì)有拖影，左下是格物優(yōu)信640H系列，熱時(shí)間常數(shù)4ms，幀率75hz，快速移動(dòng)只有非常輕微的拖影，右邊是格物優(yōu)信制冷型熱像儀，微秒級(jí)積分時(shí)間，幀率120HZ，快速移動(dòng)沒有任何拖影。

責(zé)編：陳方

一審：陳方

二審：湯世明

三審：田從梅

來源：華聲在線

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