德國耶拿弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)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(tái)高速、高分辨率單色成像儀和一臺(tái)GOBO投影儀對物體進(jìn)行三維檢測。在碰撞測試、安全氣囊展開等典型動(dòng)態(tài)應(yīng)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。
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熱成像系統(tǒng)的工作原理
德國耶拿弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所（簡稱“IOF”）主要從事光子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)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(tái)立體排列的高速立體黑白成像儀和一臺(tái)自行研發(fā)的主動(dòng)照明GOBO投影儀組成。自2019年以來，其還引入FLIR科學(xué)成像儀（FLIR X6900sc 超晶格 長波熱像儀，該熱像儀支持高達(dá)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)。
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(tái)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(shí)現(xiàn)更高幀速率。但兩臺(tái)成像儀尚無法以所需質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生有意義的3D數(shù)據(jù)。此外還要借助一種復(fù)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(huì)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(tái)成像儀均經(jīng)過校準(zhǔn)
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(yùn)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(huì)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(xué)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(jìn)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(qiáng)的記錄能力，無論是在實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dá)1,004幀/秒，在最小局部圖像格式下，記錄速率最高可達(dá)29 kHz。使用這些熱像儀，可以在內(nèi)置內(nèi)存中記錄長達(dá)26秒的全幀格式數(shù)據(jù)，圖像絲毫無損。憑借應(yīng)變超晶格(SLS) 長波紅外探測器，F(xiàn)LIR X6900sc SLS可實(shí)現(xiàn)比其他X6900s型號約短12倍的積分時(shí)間和更大的動(dòng)態(tài)范圍。
新型系統(tǒng)的測量與計(jì)算
在測量過程中，三臺(tái)成像儀同時(shí)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(shí)際3D圖像，然后計(jì)算出10對一組的圖序列，以形成3D圖像。這種“3D重建”會(huì)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(biāo)。
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(dāng)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(jìn)行校準(zhǔn)。為此，IOF團(tuán)隊(duì)使用了帶有規(guī)則的開環(huán)和閉環(huán)網(wǎng)格的校準(zhǔn)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(zhǔn)：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(shí)際應(yīng)用
IOF的新型高速3D熱成像測量系統(tǒng)旨在將高動(dòng)態(tài)空間3D與紅外數(shù)據(jù)結(jié)合起來。運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)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(shí)捕獲這些變化，該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
目前，該系統(tǒng)已經(jīng)過各種情景的測試，其中包括籃球運(yùn)動(dòng)員運(yùn)球（不僅會(huì)使球變形，還會(huì)引起熱量）：
以籃球?yàn)槔郎y量：258毫秒后，在籃球上可以看見球員的手印，是一種熱標(biāo)記
還有用于測量安全氣囊展開時(shí)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(shí)間點(diǎn)和空間坐標(biāo)信息。借助這些信息可以減少和防止安全氣囊展開導(dǎo)致駕駛員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。
以安全氣囊測量為例：僅在視覺信息上方，在計(jì)算所得3D熱圖像序列示例圖下方，安全氣囊以高達(dá)50米/秒的速度展開，耗時(shí)僅20毫秒
IOF研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)用場景十分廣泛。MartinLandmann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(shí)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。”他強(qiáng)調(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(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(gè)四插槽電動(dòng)濾片輪，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下和測試范圍內(nèi)對高速事件實(shí)現(xiàn)畫面定格功能。
