德國耶拿弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的研究人員開發了一套成像系統，通過兩臺高速、高分辨率單色成像儀和一臺GOBO投影儀對物體進行三維檢測。在碰撞測試、安全氣囊展開等典型動態應用中，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系統投射必要的非周期性條紋圖案

高速3D熱成像系統的工作原理

德國耶拿弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所（簡稱“IOF”）主要從事光子學領域應用型研究，早在2016年就開發了一款高速3D成像系統。該系統由兩臺立體排列的高速立體黑白成像儀和一臺自行研發的主動照明GOBO投影儀組成。自2019年以來，其還引入FLIR科學成像儀（FLIR X6900sc 超晶格 長波熱像儀，該熱像儀支持高達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。

高速3D成像系統基于能靈敏感知可見光譜范圍(VIS)的兩臺單色成像儀。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現更高幀速率。但兩臺成像儀尚無法以所需質量標準產生有意義的3D數據。此外還要借助一種復雜的照明系統，超快投射條紋圖案序列，這些圖案類似于常規正弦條紋，只是其寬度會不定期變化。

來自LWIR熱像儀的2D紅外數據可與3D數據合并，后續形成3D紅外圖像，且3臺成像儀均經過校準

將重建的3D數據與來自FLIR X6900sc SLS高速熱像儀的2D數據相結合，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運行，因此在GOBO投影儀光源發出輻射的可見和近紅外波長范圍內不敏感。由于投射的非周期性正弦圖案對物體的加熱也無關緊要，因此GOBO投影儀不會影響紅外成像。

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的快門釋放功能，搭載額外SSD硬盤后，其內置內存能發揮出超強的記錄能力，無論是在實驗室，還是測試現場，它都能捕捉到質量超群的高速事件定格圖像。可謂一機在手，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1,004幀/秒，在最小局部圖像格式下，記錄速率最高可達29 kHz。使用這些熱像儀，可以在內置內存中記錄長達26秒的全幀格式數據，圖像絲毫無損。憑借應變超晶格(SLS) 長波紅外探測器，FLIR X6900sc SLS可實現比其他X6900s型號約短12倍的積分時間和更大的動態范圍。

新型系統的測量與計算

在測量過程中，三臺成像儀同時記錄圖像數據。來自黑白成像儀的數據與GOBO投影儀的非周期性條紋投影相結合，產生實際3D圖像，然后計算出10對一組的圖序列，以形成3D圖像。這種“3D重建”會形成空間形狀，然后將FLIR長波熱像儀的紅外圖像數據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。

3D熱成像系統示意：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）的紅外數據與重構的3D形狀相結合，形成3D熱圖像。

當然，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進行校準。為此，IOF團隊使用了帶有規則的開環和閉環網格的校準板。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構，圓和背景選用了具有不同反射率(可見光)發射率(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，他們開發了一款非同尋常的電路板，由規則的開環和閉環網格組成，而不是由電氣組件之間的電氣連接組成。

校準：在可見光和長波紅外范圍內都能輕松識別電路板上的規則開環和閉環

高速3D熱成像系統的實際應用

IOF的新型高速3D熱成像測量系統旨在將高動態空間3D與紅外數據結合起來。運動中的運動員、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，過去無法同時捕獲這些變化，該系統首次實現了這一目標。

目前，該系統已經過各種情景的測試，其中包括籃球運動員運球（不僅會使球變形，還會引起熱量）：

以籃球為例測量：258毫秒后，在籃球上可以看見球員的手印，是一種熱標記

還有用于測量安全氣囊展開時的溫度變化和空間表示，系統在距離3米處對高速過程記錄半秒鐘。將三維數據與熱成像信息結合后，不僅可以清楚地看到安全氣囊展開后的溫度，還能獲得時間點和空間坐標信息。借助這些信息可以減少和防止安全氣囊展開導致駕駛員受傷的風險。

以安全氣囊測量為例：僅在視覺信息上方，在計算所得3D熱圖像序列示例圖下方，安全氣囊以高達50米/秒的速度展開，耗時僅20毫秒

IOF研究團隊的Martin Landmann確信：高分辨率3D數據和快速熱成像圖像相結合的應用場景十分廣泛。Martin Landmann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事件，比如安全氣囊觸發時的爆炸或者開關柜中的爆炸，我們可以獲得非常有用的信息。”他強調稱，他們正在不斷地開發和優化系統。可見，將來我們有望看到弗勞恩霍夫應用光學和精密工程研究所團隊的更多創新研究成果。

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功能和內置RAM/SSD記錄功能，配有一個四插槽電動濾片輪，可以在實驗室環境下和測試范圍內對高速事件實現畫面定格功能。