显微热像仪：探索微观尺度热世界的科研利器

一、显微热像仪的工作原理

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显微热像仪是一种结合了显微技术和热成像技术的仪器，能够在微观尺度下对物体进行热成像检测和分析，以下是关于它的详细介绍：

1、红外热成像原理：基于普朗克黑体定律，任何物体只要温度高于绝对零度，都会向外辐射红外线。显微热像仪中的红外探测器可以接收物体发出的红外线，并将其转化为电信号，再经过信号处理和图像处理，生成物体的热图像，从而反映出物体表面的温度分布情况。

2、显微成像原理：通过光学显微镜或电子显微镜的成像系统，将微小物体或物体的微小部分进行放大，使观察者能够清晰地看到物体的微观结构和形貌。在显微热像仪中，显微成像系统与热成像系统相结合，实现了对微观物体的热成像观测。

二、显微热像仪的应用场景

1、材料科学研究：用于研究材料的热性能、热传导、热扩散等特性，以及材料在加热或冷却过程中的相变、结晶、熔融等现象。

北京**大学 光敏树脂热传导研究使用设备：X640F150UM25

安徽**大学石蜡与碳纤维混合材料研究使用设备：X640F150UM8

四川**大学聚酯纤维丝熔断研究 图像为1000根10um的纤维丝

使用设备：X640F300UM8

四川**飞行学院 液滴结冰放热研究 图像为直径2mm液滴

使用设备：X640H150UM25

2、电子设备检测：可检测半导体器件、集成电路、印刷电路板等电子设备在工作过程中的热分布情况，帮助工程师发现热点、热短路等问题，优化产品设计和散热方案。

清*大学芯片热传导研究使用设备：X640F300UM17

3、生物医学领域：在生物医学研究中，可用于观察细胞、组织等生物样品在不同生理状态下的热变化，为疾病诊断、药物研发等提供重要的参考依据。

4、微机电系统（MEMS）检测：用于检测 MEMS 器件的热性能和工作状态，如微传感器、微执行器、微流体器件等，确保其在微小尺度下的正常运行和可靠性。

福州*大学 多参数协同调制增强光热电效应，图像为4UL,MOS2测温

使用设备：X640F150UM17

三、如何选择显微热像仪

1、分辨率：既要考虑热像仪主机探测器的分辨率，还要考虑显微镜头的空间分辨率，即显微热像仪能够分辨的最小物体尺寸，通常用微米（μm）表示。结合热像仪主机的分辨率，空间分辨率越高，能够观察到的物体细节就越清晰。

（1）探测器类型：640*512, 17um表示探测器上分布水平640颗*垂直512颗像元=327680颗像元，每颗像元尺寸是17um 。

（2）空间分辨率：100um表示每颗像元可分辨的最小尺寸是100um。

（3）拍摄距离：98mm表示显微热像仪镜头到目标物的距离。显微镜头的景深很浅，且只能在固定距离才可清晰成像。又因为微小目标物的能量较弱，越小越清晰就需要隔的越近。所以我们在选择显微热像仪型号的时候也要考虑实验设计是否合适。（如有特殊情况，可以定制特殊显微镜头）

（4）视野范围：64*51.2 表示采集到的整个画面尺寸是水平64mm*垂直51.2mm，从计算公式来说就是640*100um ,512*100um。

上图为640*512分辨率配17um镜头，下图为384*288分辨率配17um镜头。清晰度对比明显。因此我们在选择显微热像仪的时候要同时考虑主机及显微镜头。

2、热灵敏度：也称为噪声等效温差（NETD）指显微热像仪能够分辨的最小温度变化，通常用毫开尔文（mk)为单位。热灵敏度数值越低，灵敏度越高，就越能够检测到物体表面微小的温度差异，成像越清晰。

我们经常在热像仪参数里面看到NETD≤50mk。表示热像仪能分辨的最小温差是50mk即0.05℃。很多客户在咨询热像仪的时候容易把测温精度与灵敏度弄混淆。比如我们在研究材料表面温度分布的时候，更多的会需要灵敏度高，可以分辨材料热传导性的细微差别，即我们说的相对精度，而测温精度就是我们常说的绝对精度，因为热像仪是非接触式测温，跟材料绝对物理温度相比，我们的测温精度一般在±2℃或±2%℃。

上面两张图片使用设备分辨率都是640*512，左图NETD≤50mk，右图NETD≤30mk，我们从图像上就可以直观的看到右图图像的灵敏度高，画质越细腻。

3、测温范围：指显微热像仪能够测量的温度范围，不同的显微热像仪具有不同的测温范围，由于显微热像仪拍摄距离过近，温度过高的话无法标定。一般可以从 - 20℃到600℃。再根据需求定制这个范围内的不同测温区间。

我们在跟客户沟通热像仪具体配置的时候有个关键参数就是测温范围，很多不太了解热像仪的客户会认为测温范围是不是越大越好，这样可以覆盖更多的测试需求？其实不是的。我们在选择测温范围时，尽可能根据测量需求选择能满足的小量程范围。比如测量需求是室温到100℃左右，就选择-20~150的测量范围，相较于0~300的测量范围，采集图像会更清晰，测温精度更高，更能精准捕捉目标物的温度细节，避免量程过大造成的图像画质较差。

上图使用设备为同一台设备的不同测温档，左图测温量程为0-300℃，右图量程为160-1600℃。

4、测温精度：指测量值与真实值之间的最大差异，通常用最大绝对误差表示，±2℃或±2%℃。

前面我们讲到显微镜头选择要考虑最小分辨率及视野范围，还有个不得不考虑的问题是显微热像仪的测温精度相较于常规镜头会不会有差别？

（1）独立显微镜头：市面上很多显微热像仪是在常规镜头前面加装倍镜，可以起到放大图像的效果，但同时会增加红外能量衰减，降低成像质量。且不能保证测温精度。格物优信显微热像仪采用独立显微镜头，无能量衰减，保障成像质量。

（2）独立标定模式：格物优信显微镜头与主机做一对一标定，在显微镜头的固定距离做温度标定与校准，且独创4个环温标定模型，保障显微热像仪在环境温度发生±10℃左右的偏差时依然可以精准测温，稳定性一流。

5、帧频：指显微热像仪每秒能够采集和处理的热图像帧数，帧频越高，就能够更快速地捕捉到物体的温度变化动态过程。

我们通常讨论的一个概念是帧频越高代表一定时间内采集到越多的图像数据。比如50HZ代表1秒钟可以采集50帧图像。但是不是帧率越高就越好呢？这就涉及到一个热时间常数的概念。

热像仪的热时间常数(thermalresponse time)是衡量探测器对温度变化响应速度的关键参数，通常以毫秒(ms)为单位。非制冷型红外热像仪的热时间常数一般为8-12ms，制冷型热像仪则具有更短的热时间常数，一般以微秒（us)为单位。

（1）响应速度:热时间常数越小，热像仪捕捉快速温度变化的能力越强，适用于动态监测场景(如高速移动目标物-轨道交通)。

（2）帧率匹配:为确保温度读数准确，帧率需大于热时间常数。例如，若热时间常数为8-12ms：帧率需高于30Hz以避免图像模糊。

如果一味的提高帧率而忽略热时间常数这个概念，采集到的图像数据都是拖影就无法保障测温精度。

同样三台640*512分辨率的设备，左上是格物优信640F系列，热时间常数12ms，帧率50hz，快速移动就会有拖影，左下是格物优信640H系列，热时间常数4ms，帧率75hz，快速移动只有非常轻微的拖影，右边是格物优信制冷型热像仪，微秒级积分时间，帧率120HZ，快速移动没有任何拖影。

再看下图：同一目标物跌落过程，不同热时间常数的设备采集到的图像差异。