作者：Hasan Gadjali，Meridian Innovation聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)官，以及科學(xué)家 Markov Stanislav Nikolaev 博士

概述

電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，有望使我們的生活更加舒適和安全。新冠肺炎爆發(fā)后，熱成像攝像機(jī)應(yīng)用日益普及。新冠病毒在全球的迅速傳播給公共衛(wèi)生、食品系統(tǒng)和工作領(lǐng)域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，在全世界造成了巨大的生命損失。這場(chǎng)疫情摧毀了就業(yè)機(jī)會(huì)，使數(shù)百萬人的生計(jì)受到影響。面對(duì)這場(chǎng)危機(jī)，一個(gè)重大需求是遠(yuǎn)距離快速探測(cè)個(gè)人或群體體溫而不影響正常活動(dòng)。因?yàn)榘l(fā)燒是病毒感染的常見癥狀之一，有效識(shí)別發(fā)燒人士有助于限制病毒的傳播。熱成像傳感器是實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用的核心技術(shù)。

熱成像傳感器

什么是熱成像傳感器？熱成像攝像機(jī)如何從遠(yuǎn)處測(cè)量核心體溫？熱成像傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片，是一個(gè)對(duì)8至14微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)波紅外電磁輻射（LWIR）敏感的探測(cè)器陣列。開爾文0度以上的所有物體和所有生物都在這個(gè)光譜范圍內(nèi)發(fā)出輻射，這種輻射的強(qiáng)度代表了它們的表面溫度。與波長(zhǎng)在400到700納米之間的可見光不同，長(zhǎng)波紅外輻射對(duì)人眼是不可見的。然而，形成熱成像陣列的探測(cè)器能夠通過可測(cè)量的方式改變其特性（例如，通過改變其電阻或由于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電壓輸出）來對(duì)入射的紅外熱發(fā)出響應(yīng)。這些變化被讀出電路放大和數(shù)字化，最終產(chǎn)生的數(shù)字代碼被轉(zhuǎn)換成溫度值。因此，每個(gè)熱探測(cè)器依照時(shí)序在其可測(cè)角度范圍內(nèi)測(cè)量物體的表面溫度。然后，二維探測(cè)器陣列有序生成一個(gè)二維像素陣列——類似于灰度視覺圖像。但在這種情況下，每個(gè)像素表示場(chǎng)景的該部分的溫度，而不是亮度。這個(gè)簡(jiǎn)單的類比告訴我們，一定程度上，熱圖像也可以通過標(biāo)準(zhǔn)視覺圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理和分析。它還可以顯示為熱信息圖，每個(gè)溫度值都有一個(gè)特定的相關(guān)顏色。圖一是同一場(chǎng)景的視覺圖像、彩色熱圖像和灰度熱圖像的對(duì)比實(shí)例。

圖1：視覺攝像機(jī)圖像與熱攝像機(jī)圖像（包括彩色和灰度熱圖像） (來源: Meridian Innovation)

以上熱圖像是由一個(gè)特殊的熱攝像相機(jī)拍攝的。這個(gè)相機(jī)是使用以下圖2所示的熱成像芯片組成的模組。

圖2： Meridian Innovation 8062 分辨率 LWIR 熱成像芯片和模組 (來源: Meridian Innovation)

人體體溫的測(cè)量

我們之前說過，熱成像儀測(cè)量視野中物體或物體的表面溫度?，F(xiàn)在的問題是——在熱像圖中，我們?nèi)绾螠y(cè)量人體的體溫。在回答這個(gè)問題之前，讓我們回顧一下傳統(tǒng)的體溫測(cè)量方法。人體體溫是通過水銀溫度計(jì)或數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量的 （如圖3所示），該溫度計(jì)必須與身體的隱蔽區(qū)域進(jìn)行物理接觸，該區(qū)域的溫度與內(nèi)部器官的溫度非常接近或相同。典型的接觸部位是直腸內(nèi)（直腸溫度計(jì)，最準(zhǔn)確）、舌頭下（口腔溫度計(jì)，約低0.3攝氏度）或腋窩（腋窩溫度計(jì)，約比直腸溫度讀數(shù)低0.6攝氏度）。接觸式溫度計(jì)的實(shí)際局限性已被不同類型的非接觸式紅外傳感溫度計(jì)所克服。該溫度計(jì)可通過其形狀系數(shù)和進(jìn)行測(cè)量時(shí)的定位的方式進(jìn)行區(qū)分——例如，位于遠(yuǎn)耳道的鼓室溫度計(jì)，顳動(dòng)脈溫度計(jì)（滑過前額側(cè)面的顳淺動(dòng)脈），或前額溫度計(jì)（置于前額正前方）（如圖4所示）。這些溫度計(jì)有三個(gè)共同因素：1）它們有一個(gè)感測(cè)皮膚溫度的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，由硅基熱電堆技術(shù)制造；2）根據(jù)測(cè)量的皮膚溫度、環(huán)境溫度和熱傳導(dǎo)方程，在設(shè)備中計(jì)算人體體溫；3）溫度計(jì)必須接觸皮膚或者放置在離皮膚非常近的位置（例如：最多幾厘米距離）。

圖3：接觸式溫度計(jì) 圖4：額溫槍

用于檢測(cè)高溫的熱成像攝像機(jī)

如前所述，熱成像相機(jī)是圍繞多像素?zé)岢上駛鞲衅鳂?gòu)建的。探測(cè)器制造過程中使用的設(shè)計(jì)和制造工藝可以將探測(cè)器微型化——這有利于每個(gè)模組封裝更多的探測(cè)器，例如5000個(gè)像素點(diǎn)或更多。而且還可以產(chǎn)生更靈敏的探測(cè)器:響應(yīng)時(shí)間短，不僅可以捕捉靜態(tài)場(chǎng)景，也可以拍攝幀速率在每秒1到30幀之間的熱視頻流。配合使用視野超過40度的可見光鏡頭，它允許人們?cè)?0厘米到幾米的距離內(nèi)同時(shí)拍攝復(fù)雜、動(dòng)態(tài)多人熱場(chǎng)景。