TWI666935B - 增強近紅外擷取影像的微型熱像儀 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種外掛於智慧型手機上的微型熱像儀，用以解決一般微型熱像儀無法模擬白天進行「觀察研究夜行性昆蟲在黑夜間環境動態」的問題，其包含一光學模組與一光源模組，其中此光學模組具有一擷取8~14μm波段熱圖像的遠紅外鏡頭與一擷取0.8~1.0μm波段近紅外影像的近紅外鏡頭，與此光源模具有一提供此近紅外鏡頭所需的增強光源與調整該增強光源強弱程度的調光器，本發明的微型熱像儀主要係具有擷取與增強近紅外影像的功能。

Description

增強近紅外擷取影像的微型熱像儀

本發明涉及一種微型熱像儀，特別涉及一種外掛於智慧型手機上用以擷取增強0.8~1.0μm近紅外波段影像的方法與其裝置。

常見的熱像儀或稱為紅外(線)熱像儀(Infrared-thermography)，其功能是在拍攝與背景環境具有不同溫度的物體時，可拍攝到物體的「熱」影像，更進一步要求熱影像中每個像素所代表的溫度，均能夠準確的被計算出來。近代物理學可知：所有物體(在零下273度C以上)都會輻(放)射、也會吸收紅外線。這種熱像的技術就是可以讓我們實際看見物體輻射紅外熱能的一種科技。

其應用範圍甚為廣泛，涵蓋了檢測、監控、醫療、軍事等各方面，也正因如此，較高階軍事用的紅外線熱像儀大多受到美國政府的管制，或是先進國家大廠專利的保護，近年來，一般商用民用的紅外線熱像儀也逐漸朝向「體積小操作簡單」微型化的產品。

其中，「熱靈敏度」及「清晰度(解像力)」是評價熱成像系統的兩大重要指標。其設定的基本要件，包括固定之感測器、訊號處理系統、及固定之目標物、距離、及環境。

物體本身輻射出的能量是「溫度」和「放射率」的函數，熱像儀系統的裝置「並非偵測」物體的光能(可見光)，而是「感應」物體的熱能(不可見的遠紅外光)。

通常，紅外熱像儀的構造主要分為三個部分：一是光學模組的部分，其主要功能是光學成像與濾除近紅外波長，使得包含遠紅外 波長熱輻射的電磁波得以通過；二為感測器模組，主要功能為接收紅外線熱輻射電磁波，並將其轉成「數位」的資訊；三是運算控制模組，主要功能是校正紅外(線)感測器的響應曲線、進行影像處理與溫度運算，測物體放射的紅外線輻射，並把它轉換成電子訊號，然後經過運算得知溫度的數值，再藉由影像處理後在影像顯示器上顯示出「以不同顏色標示不同溫度」的熱成像。

簡單說，就是把肉眼不可見的紅外輻射經過影像處理成為可見的圖像，然後在顯示幕上顯示出人眼「可以辨識」的圖像與溫度數據資料。

目前，除軍用規格以外的民用、商用熱像儀已有數十種類分別由美國大廠出品。例如：美國的FLIR Systems為國際紅外熱像儀製造大廠，其前身由FSI與AGEMA兩家紅外熱像儀廠商整併而成，其後又陸續合併了Inframetrics、Indigo Systems等公司，故其掌握了熱像儀感測器製造、電子控制模組、軍用與商用系統通路等特長，成為目前全球最大的熱像儀製造供應商。

近年來，利用一種稱為「非致冷型」的紅外感測器，也就是稱為焦平面感測器(FPA)的，簡單說，在焦距(Focal Length)上有個平面可以產生最清楚的影像，這個平面叫「焦平面」。

焦平面在操作時不需特別冷卻，僅需將其控制在特定溫度即可，一般來說，就是靠近「室溫」的溫度即可，故相對有啟動速度快，低耗電與使用方便等特點。此項核心的技術早期是由TI(德州儀器)和Honeywell兩家廠商，在美國國防部的支持下各自研發，其中TI專注於Pyroelectric感測器的研製；而Honeywell則研發Microbolometer感測器技術，雙方皆獲得成功，而後此一技術，幾經多次授權與轉移，目前仍由少數幾家公司所擁有。

本申請案所涉及的熱像儀，是眾多類型熱像儀中的一種「微型」的熱像儀，所謂「微型」者，有兩個定義：一是體積相對微小，例如2015年FLIR Systems出品的「FLIR ONE」、「Seek Thermal cam」等微小體積的熱像儀；二是藉由一專用的「接頭」，將此微型的熱 像儀「直接插入」目前電子產品(例如智慧型手機與平板電腦)對應的接頭「插座」，再下載專用的APP應用程式就可以使用，隨後在此電子產品的屏幕(Monitor/Display)上，就可以看到其所拍攝物體的熱成像與相對的溫度數據資訊；三是簡單易用又價錢便宜許多，容易推廣到教育用途。

這種微型的熱像儀為配合目前的智慧型手機，就在此微型的熱像儀殼體外的一側，設置有「接頭」讓「ios」與「Android」兩大作業系統以適合公型的lighting及micro USB兩種模式的「接頭」，用以「插入」目前的智慧型手機母型的lighting及micro USB兩種模式的插座，用以連接搭配使用。

熱像儀擷取的是偵測物體放射出的熱能，所以，所呈現的是「物體的熱像」，會因為背景溫度的差異而使得熱圖像具有「溫度梯度」的差異，造成物體熱像邊緣部分的顯得較「模糊不清」。

為解決這種較「模糊不清」的問題，例如，新一代的flir one等就具有兩個「取像」的鏡頭：一個用以擷取8~14μm的遠紅外熱像；另一個用以擷取0.4~0.8μm的可見光影像，然後再將此兩種影像以「融合」的方處理式，獲得具有「遠紅外熱像」與「可見光影像」共同特徵之融合影像(Image Fusion)。

也就是說，一些在可見光影像中明顯的特徵，在遠紅外線熱像中可能不明顯，而在可見光影像中不明顯的物體，卻有可能十分清晰顯示在熱像中。

如此一來，兩者融合後在物體熱像邊沿就顯出「線條」使得此物體的熱圖像就「較清楚」了，另外，還有SEEK公司的seek thermal cam、RYOBI的infrared thermometer等等也是如此解決問題的。

在今(2017)年一月在美國CES展，FLIR公司推出兩款新型無人機的熱成像動作相機。新款FLIR Duo和Duo R與大多數數位相機具有相同的尺寸和形狀。它具有儲存記錄和實時遠端控制相機功能，通過PWM和MSX多光譜成像「增強」。Duo R版本將是一個完 全輻射的變體，將在每個像素中提供校準的溫度測量。

新的Duo設備將結合熱成像與全高清(1080p)彩色視頻。新相機將允許用戶單獨看到具有熱像或可見圖像的「類比」和「數位」HDMI直播視頻輸出，或以MSX或圖片畫面格式組合。該公司說明資訊補充說明揭露，Duo相機可以捕獲數字視頻文件以及靜止圖像，以便隨後使用其FLIR Tools軟件包(APP)加以進行分析。

新的FLIR Duo熱像儀也都可以通過FLIR應用程序通過藍牙遠端控制。用戶可以通過PWM輸入控制熱像儀攝影功能，並通過應用程序配置攝像機的錄像，同時還允許用戶沿任一方向電動「翻轉」熱像儀相機。

熱像儀擷取的是設定目標物體的紅外熱輻射。這種的輻射是指目標物在其周遭環境影響下所「輻(放)射」出的紅外輻射熱能，包含被輻射、反射、有時是「接觸傳導」的紅外熱能量，如後面圖示說明中涉及「熱」的三種傳導方式：熱傳導(Conduction)、熱對流(Convection)、熱輻射(Radiation)。

如本申請案圖式第1圖表明，其中，「相對微小目標物體」熱對流的形式在「微型」熱像儀的顯像會較不明顯，主要是其「熱」大部分被高低溫度相對的流動所「流散」掉！

由能量守恆定律可知：不透明物體的輻射性及反射性是互補的，高輻射代表低反射，低輻射代表高反射。簡單來說，高輻射代表低反射，低反射代表高輻射。

由於大部分輻射來自於目標物放射的輻射能，輻射性(率)越高，讀取到的數字資料也越準確。新一代的紅外熱像儀就可以調整輻射率。然而，隨著輻(放)射率降低，測量的「不確定」性會跟著增高。專家的研究顯示，測量的不確定性在目標物輻射率不到0.5的時候其不確定性會高到令人無法接受。

但是，輻射率是待測物體的「表面特性」，另外，對於物體的形狀與半透明物體的厚、薄也會影響放射性。其他影響因素還包括取像角度、波長、還有溫度。波長和輻射率的連帶關係代表，不同 的紅外熱像儀會從同一個物體得到不同但均屬正確的數據值。

熱像儀可以用在任何與「溫差」有關的問題或物體上，近代的大部分新出的微型熱像儀使用上都很容易。物體由於會釋放紅外輻射熱能，因此可容易被熱像儀察覺到。

以水電工程配電設備為例，電流通過電阻元件時會發熱。如果目標物輻射率夠高，我們即可透過熱像儀的顯示幕上看到放射熱的熱源所在。鬆動或腐蝕等原因會使滑動和螺栓接頭產生較大的電阻，電阻增加，產生的熱能也愈多，此時熱像儀就可迅速感測到。如此說來好像很簡單，事實上也不難。

但是，在很多不同的情況下，由於熱傳遞的「熱傳導、熱對流與熱輻射」三種不同模式，要擷取(感應)到輻射「真實正確」熱能的熱源所在，並非是一件容易的事。

現在的熱像儀，從國防軍事用途的精密熱像儀，到較為簡單民間商業用途的微型熱像儀都有。其中，有關「國防軍事用途的精密熱像儀」，本申請案發明人技術團隊不易取得相關技術資料，也沒有相當的技術能力。因此，本申請案發明人等僅就「民間商業用途的微型熱像儀」的議題，就在2014~2017年美國FLIR等大廠推出的新產品與其公開資訊，找出有關此類型「微型熱像儀」中部分「有待加強改良」的問題。

如上所述，此類型「微型熱像儀」在「民間商業與教育用途」已經具有相當的成效。但，僅就本申請案發明人技術團隊在「教育用途」的眾多實施例中，例如：觀察夜行性(Nocturnality)動植物，這些「生物」會於日間休息，卻在晚間活躍，正好與我們所熟悉的日行性行為相反。也有介乎兩者之間者，於黃昏時期出沒的生活習性，這類習性是一種生態的表現。就在校園以此類型「微型熱像儀」對於生物的「觀察研究實驗」中，乃發現有如下列「有待加強改良」的問題：其中，主要問題的癥結是：光從其「溫度的顯像，尚不足於找出真相」的問體。

為說明此類「問題」的發生與其現象，如第1圖所示。

請參閱第1圖為一個黑色盒體與一隻夜行性昆蟲的示意圖；請參閱第1圖A為昆蟲放進一個黑色盒體內經人眼觀察的示意圖；請參閱第1圖B為熱像儀觀察黑色盒體內昆蟲的示意圖一；請參閱第1圖C為熱像儀觀察黑色杯體內昆蟲的熱像示意圖二以及；請參閱第1圖D為假設熱像儀解決此問題的功能示意圖。

如第1圖，包含一不透光的黑色盒體1與一隻夜行性的昆蟲2，其中，黑色盒體1與一隻夜行性的昆蟲2如圖中比例明顯不正確，實際上，黑色盒體1與昆蟲2兩者體積的比例是約為180~200比1之間。圖中僅是為了「簡便」說明：觀察此夜行性的昆蟲2(或簡稱昆蟲2在「夜間環境」的動態，而忽略黑色盒體1與昆蟲2的比例。

首先，將此中空(如其內部空間1aa)正方形狀的黑色盒體1「倒置」平放在一平面桌上，如黑色盒體1的杯底1a朝上，將此黑色盒體1的杯口朝下「覆蓋」在此昆蟲2上，使得此黑色盒體1內部空間1aa的此昆蟲2「誤為」是在「黑夜間時刻」的環境。

此時，如第1圖A，因為黑色盒體1的不透光，所以，觀察者人眼只看到黑色盒體1本體的「外觀」，但看不到「此黑色盒體1杯內的昆蟲2」；同樣的，此一般微型熱像儀100(例如Flir One)也無法穿透看到「此黑色盒體1杯內的昆蟲2」。

如第1圖B，以熱像儀100拍攝此黑色盒體1，這時，若「突然」在影像顯示幕3(例如iphone 6手機上的屏幕)可以看到此昆蟲2的「熱圖像」2a。這是因為，此昆蟲2的體溫比黑色盒體1的溫度「高」，所以，就可以看到此昆蟲2的熱圖像，以利觀察者看到此昆蟲2動態的跡象。

如果，在影像顯示幕3上，又，突然間看不到此昆蟲2的熱圖像！？

觀察者可以合理推測「昆蟲2失去的體溫，可能此昆蟲2已經死亡」。

當觀察者「移開」此黑色盒體1時，卻發現此昆蟲2還會「移動」！顯然，此昆蟲2的熱圖像讓此觀察者的「合理推測」產生了一個「誤 判」！

然而，為什麼此「活生生」還具有「體溫輻射熱」昆蟲2的熱圖像會「消逝」？

如果，每次都要「移開」此黑色盒體1查看原因，顯然，影響我們期望藉由此一熱像儀進行「長期觀察」昆蟲2「動態變化」的意義與效率。而且，此突然的「移開的動作」可能「嚇」及昆蟲2。

為了要解決此「誤判」的問題，首先，先了解一下此問題可能產生的因素。如第1圖C。

如第1圖C，如[先前技術]所述，熱像儀是偵測物體表面的溫度…。所以，如第1圖C左圖看：熱像儀100是擷取到黑色盒體1底部對應邊緣1c外表面，由在「此邊緣1c內表面」附近昆蟲2所傳遞部分的「熱輻射」與「熱傳導」在「此邊緣1c外表面」所產生的「熱圖像」。

如第1圖C右圖看：如果此昆蟲2(用已較淡的圖像表示)剛好爬離黑色盒體1內底部邊緣1c有一段「距離D」，則此昆蟲2本體的熱輻射會受到此位置距離D空間的「熱對流」的影響，此位置距離D的大小等會使得此昆蟲2本體的熱輻射「逐漸衰減」，以至於沒有「足夠的熱能」可以「輻射」到黑色盒體1對應底部的邊緣1c內表面上，如此，讓熱像儀100就無法擷取到「最低」可偵測到的熱能。所以，熱像儀100傳遞的熱圖像在影像顯示幕3上，就「顯示」不出來了！

因此，如果沒有擷取到此昆蟲2的熱圖像，可能有三種狀況：一是「昆蟲2剛好爬離待測之黑色盒體1內對應底部的邊緣1c有一段距離D」；二是「昆蟲2已經離開(不在)黑盒箱體1內」；三是「昆蟲2已經死亡造成失溫」。

此熱像儀100對此「可能產生的三種狀況」僅能對這三種狀況作「合理推測」而無法找出其事實的「真相」！

若要有限度的找出其「真相」，那就提高此熱像儀100的「熱靈敏度」及「清晰度」，但這會增加熱像儀100的「體積與成本」。這 對本申請案定義所述的「微型」顯然不符。

如第1圖D，作個假設：

假設：有另一種微型熱像儀200在所對應的影像顯示幕3上，除了可顯示此昆蟲2熱圖像2a以外，在此影像顯示幕3上又可以顯示(圖像切換或以子母畫面方式)出此「黑色盒體1」的「透視影像1b」以及黑色盒體1杯內此昆蟲2的「透視影像2b」。顯然，這「微型熱像儀200」對觀察者而言，就可產生出一種「不可預期的效果」！

實際日常生活環境，不僅如此，因為，熱像儀所偵測的熱輻射不容易穿透玻璃，所以在熱像儀的熱圖像中，人們所戴的「眼鏡」部分會顯示為較「戴眼鏡者體溫」較低溫度的黑色「熱圖像」顯示。也就是說，若有人戴眼鏡，不僅檢查人員從熱像儀影像的顯示幕上無法看到「戴眼鏡」者「臉部的特徵」，也就無法偵測用以提供「此人臉部特徵」正確的資訊(除非脫下眼鏡)，這種場合常見的例如是在各國機場的「入境檢查」處，這個問題在偵測「人臉辨識」時，不容易辨識出此人臉部的「真相」。

在此情況下，若一定要得到眼睛部分的資訊來辨識出此人的「真相」，顯然，若「如第1圖D的假設」是可行的，則就「可以」將其眼鏡的「目鏡」變成「透明的」的影像，在此微型熱像儀200的影像顯示幕3上清楚顯示出來，做為輔助判別「此戴眼鏡人的面貌」資訊。

另外，在許多的場合環境中，例如在「安防」的環境，對於部分路口、公共場所、機場、社區等常見有部分的黑色垃圾桶或黑色垃圾袋，若能具有「可偵測危險器材(可能有溫度)的熱圖像顯示，又可看到危險器材部分的透明影像」功能的微型熱像儀200，顯然，也是一種產生一個不可預期的功效！

在2017年出品的第三代微型熱像儀，例如flir one等所採用雙鏡頭中，其中一只專門是擷取8~14μm的熱圖像，而另一只則擷取0.4~0.8μm的可見光影像，其中，可見光從其鏡頭進入「可見光感測器」之前，其等都是必先進入一「阻止0.8~1.0μm近紅外的濾光 片ICF(Infrared Cut Filter)」，也就是說，此等第三代微型熱像儀是純粹擷取0.4~0.8μm的可見光影像，但「不能」擷取0.8~1.0μm的近紅外影像。

這種0.8~1.0μm的近紅外影像，就是一般所說的「可穿透紅外材料」的「影像」！因此，如前面第1圖A的黑色盒體1就是一種「可穿透紅外」的材料，其製備原理詳如後面第8圖等所述。

可見光影像的缺點是易受環境的影響，例如可見光(0.38~0.78μm或簡單說是0.4~0.8μm)會被黑色物體所吸收，使用熱圖像的優點是，其不會受到室內照明的影響，但由於熱圖像的溫度梯度，使得其物體圖像的邊緣有點「模糊」，很難確認其物體的「真相」。

因此，在微型熱像儀100的雙鏡頭設置中，分別將所擷取8~14μm的熱圖像與所擷取0.4~0.8μm的可見光影像，兩者經過融合影像(Image Fusion)技術獲得「熱圖像」與「可見光」影像之特徵。

影像融合是指將不同光感測器(Image Sensor)獲得的同一場景的圖像，或者同一感測器以不同工作模式或在不同成像時間下獲得的同一場景圖像，運用融合技術合併成「一幅綜合了之前多幅影像優點、內容更為豐富」的影像。另外，利用多個感測器之間互補的特性，影像融合技術可以將二個或二個以上影像的感測器在不同或是相同時間下所獲得的影像資訊合為一個影像，如此一來，可用單一個影像來傳遞所有的資訊與消息。此功能的目的在於能將部分的可見光影像以紅外熱圖像「共同」方式顯示出來。

舉例來說，可以設定微型熱像儀100在某些區域顯示具有特定溫度的紅外熱圖像，而其餘區域則顯示為可見光的數位影像。也可以設定將紅外熱圖像外框顯示在可見光的數位影像上方，然後移動紅外熱圖像框或改變該影像框的大小來做不同的觀察。一般說來，影像融合有助於熱圖像拍攝者排除其「舊有問題」。

影像融合研究的迅速發展，使得影像融合的技術廣泛地運用在生活的周遭。並隨著感測器技術和計算機數據處理能提高，影像融合技術已經越來越廣泛地應用在軍事、遙測、醫學成像、數位成 像等領域。

近年來，在常用的智慧型手機相機、網路攝影機等的可見光CCD或CMOS光感測器，大都能感測到0.38~1.1μm(或簡單說是0.4~1.0μm)的波長範圍，不同的光感測器所測的範圍「略有不同」。

其中，在常用的智慧型手機相機、網路攝影機等的可見光CCD或CMOS光感測器都是為了攝取到「不會偏紅的真實影像(truth color)」，就都利用了一紅外截止濾光片(Infrared Cut Filter，ICF)把造成影像會「偏紅」結果的紅外(例如0.8~1.0μm)砍掉，上述在微型熱像100的可見光影像就是為了取得這「真實的影像」，利用了一紅外截止濾光片ICF「砍掉紅外(線)」。

更具體說，在微型熱像儀100的雙鏡頭，是分別用以擷取8~14μm的熱圖像與擷取0.4~0.8μm的可見光影像。

近紅外(0.8~1.0μm)攝影技術，常見於一般數位攝影機或防盜監視器裝置上，大部分是做為所附的「夜拍模式(Night Shot)」，然後由感測器接收物體反射之近紅外光而成像，因此其夜視功能的設置，通常是在一般數位攝影機或防盜監視器裝置內的光感測器上，裝置一種自動或手動的「切換器」，用以切換為「近紅外光」或是「可見光」，以免對一般數位攝影機或防盜監視器裝置在使用上、與結構上的限制。

還有，一種也稱為「近紅外熱像儀」者，它所偵測是在「3-5μm」的短波近紅外適用於「高溫」物體或著重對比的效果，其價格相對「8-14μm長波適用常溫的物體」貴。

另外，還有一種夜視鏡(Night Vision Cam)，其是藉由將「微量」的可見光線(或近紅外線)放大好幾千倍來在黑夜裡的環境辨視物體，而這「只有在環境周遭有光線(譬如月光或星光)的時候才有作用」，在業界也稱為「星光級夜視鏡」。熱圖(成)像靠的是偵測物體放射出的熱能，所以完全不需要光線。熱圖像相對於夜視鏡的一大優勢是，只要以手電筒照射，星光級夜視鏡很容易就失去作用，相反地，熱成像因為偵測熱能所以不受光源的影響。

另外，還有一種稱為「雙波段紅外線影像技術(Quantitative Dual-Spectrum Infrared,QDS-IR)」者，QDS-IR各自擷取中波(波長為3-5μm,MIR)與長波(波長為8-9.2μm,LIR)的光子並且運用雙波段熱圖譜分離(Dual-Spectrum Heat Pattern Separation,DS-HPS)演算法，推估影像中動物基礎體溫組織區與高溫組織區的含量，其價錢相對昂貴許多。

對於「夜行性動物」(nocturnal insects)或「穴居型生物」(fossorial animals)的生活情形，若是，以我們所熟知的光線環境下的視覺運作情形，無法瞭解其生活習性的「真相」。由於「近、遠紅外」波段及「星(微)光環境」是人類肉眼無法感應的範圍，因此，不能以目前人類知識領域中所認知的模式及視覺運作原理推論去推論。因此，有需要使用「近、遠紅外」、「光放管IMAGEINTENSIFY TUBES或稱夜視器」及「熱像技術」(THERMAL IMAGING)等技術的結合與輔助，來擴增人類「視覺範圍」以外的「類視覺」能力，以探討未知之知識領域，進而瞭解其生活習性。本實施例的微型熱像儀200在探討未知之知識生物技術教學領域時，讓師生可容易「一人一儀」建立基本觀念「工具」。

如本發明之實施例，其係特地闡明並提出一種「微型熱像儀200」，為了更清楚實施例，本申請案的部分圖式是以彩色圖照，例如第5圖~第7F的說明。

本發明之實施例，其所要解決的問題是：一般微型熱像儀100無法模擬白天進行「觀察研究夜行性昆蟲2在夜間(黑暗)環境的動態」，尤其，例如「在第1圖B與第1圖C」所示，光以昆蟲2的熱像並不足以發現問題的真相，因而產生結果的誤判。

本發明之實施例，其所要解決問題的技術手段是：一、在「微型熱像儀100」內部光感測器上「移除ICF」形成「微型熱像儀200」，使微型熱像儀200具有擷取「近紅外影像」的功能，如第4、4A圖；二、輔以一組紅外輔助光源，輔助微型熱像儀200具有擷取「增 強近紅外影像」的功能，如第2A、3、7F圖；以及三、另搭配利用一種「可透近紅外」材質，使微型熱像儀200透過與擷取到的「增強近紅外影像」在屏幕3上顯示出對人眼形成「透明的黑白影像」之功能，如第1D、7F圖。

本發明之實施例，其利用上述技術手段解決問題後所顯現的成效是：微型熱像儀200模擬白天進行「觀察研究夜行性昆蟲2在夜間(黑暗)環境的動態」時，具有「遠紅外溫度熱圖像」與「近紅外透視動態影像」兩者相輔相成的「特徵」，大大提高了生物教育的觀察與實驗效果，近爾提高學生學習「探索」的興趣者，如第1~1D、6、7~7F圖。

本發明之實施例，其所涉及光電、物理、化學與生物等跨領域的知識理論與實務經驗，但是，藉由本申請案說明書「先前技術」介紹、「發明內容與實施例」與相關圖式等的揭露，具有相關通識者不難了解並據以實施。

至於，本申請案的微型熱像儀200，為什麼要先從微型熱像儀100的基礎上做一部份的「改良」？與什麼是其改良的基本原理與其方法？

在微型熱像儀100的基礎上做一部份的「改良」，可以節省許多先前「研製」的時間成本，其改良後的經驗可作為以後量產的基礎。所以，在未來實施的產品有可能涉及原微型熱像儀100的「部分專利」侵權，但支付其權利金可能是「較符合降低研製成本」的經濟問題以及「鼓勵創新」的專利精神。

請參閱第2圖為本實施例改良的基本原理與方法示意圖與請參閱第2圖A為增強近紅外示意圖。

以下第2圖之各曲線圖的縱座標為光穿透百分比T%；與其橫座標為穿透光的波長，單位為奈米nm，(因為一般檢測單位是用奈米nm)。但曲線圖21、22a橫座標單位改為微米μm，不然依比例繪畫則其圖示太大。

如第2圖，通常電磁波譜(或太陽光譜)曲線21中，通過大氣層「較少被反射、吸收和散射的那些透射率高」的波段，學界稱為大氣 窗口(atmospheric window)。

如大氣窗口部分的電磁波譜21中，本實施例僅就相關在0.38(0.4)~1.0μm與8~14μm的兩波段提出說明，例如其中1~3μm的中紅外波段塗黑色部分與本實施例無關，故給於刪除不提。

如第2圖，0.4~1.0μm是包含可見光(Visible light)VIS與近紅外(Near Infrared)NIR的波段範圍22b；與8~14μm是為遠紅外(Far Infrared)FIR的波段範圍22a。

其中，8~14μm遠紅外FIR的波段範圍22a，因為遠紅外鏡頭Lens1的限制，所以只能透過「8~14μm遠紅外FIR的波段範圍22a」；其中，0.4~1.0μm的波段範圍22b，因為可見光/近紅外鏡頭Lens2的限制，所以只能透過「0.38~1.0μm的波段範圍22b」。

其中，0.4~1.0μm的波段範圍22b，因為，微型熱像儀100已經砍掉了0.8~1.0μm黑色部分的近紅外，所以，形成的波段範圍23是屬於微型熱像儀100所擷取的可見光波段23。

其中，應注意的是，微型熱像儀200所擷取的是與「0.4~1.0μm的波段範圍22b」一樣的波段範圍24。

其中，本實施例僅就有關「改良」的部分，其是利用了在原「微型熱像儀100」的光感測器(Light/Image Sensor)上把它的一ICF移除掉，所以，就不用「另外再填加一新的」光感測器；而且，也不用在增加前述的一切換器。這有就「省掉」了製備時間與成本的一例，並為以後的量產工作堤供「準備」。

如圖，原「微型熱像儀100」的光感測器所感應範圍的曲線22b約從400nm~1000nm即(0.4~1.0μm)之間，一般有的標示為「380nm~1100nm」，在本實施例一律總簡稱為「0.4~1.0μm」。其中，其感應的範圍在「0.4~0.8μm」也簡稱為可見光(VIS)範圍與在「0.8~1.0μm」簡稱為近紅外(NIR)範圍。對這可見光(VIS)與近紅外(NIR)兩者的範圍，在本實施例也擴大定義為「近紅外」，用以區別原「微型熱像儀100」的「無近紅外」。

其中，廠商資料顯示，光感測器所感應曲線的波段範圍，其感應效率在接近850nm時會減少到剩為約50%，而接近在950nm波段範 圍則剩為約30%，如第2、2A圖中所示，0.4~1.0μm波段範圍22b的曲線圖顯示其感應效率約在780nm之後逐漸往下滑落。

微型熱像儀100的光感測器所感應範圍是在0.4~0.8μm的VIS範圍，而黑色區域的近紅外NIR(0.8~1.0μm)部分如曲線圖23，已經被移除掉了！為什麼？

此乃因為，微型熱像儀100的光感測器「需要有較純的0.4~0.8μm可見光」進入，以便與其所擷取的熱圖像融合後使其熱圖像具有明顯「邊緣線條」的可見光特徵。

然而，本實施例的微型熱像儀200正好與微型熱像儀100「相反」，微型熱像儀200需要有「0.8~1.0μm」這一波段範圍(如被砍掉的黑色區域)來形成「近紅外影像」。

那麼，微型熱像儀200是否就不需要使其熱圖像具有明顯「邊緣線條」的可見光特徵？

非也！

微型熱像儀200為了也要使其熱圖像也是具有明顯「邊緣線條」的特徵，於是就在近紅外部分增加了「可以控制近紅外能量」的措施。用以調控近紅外影像的「增強與減弱」，使其在融合的熱圖像中也具有明顯「邊緣線條」的近紅外影像特徵，如第7C、7E與7C圖所示。

當近紅外影像被「調控增強」到一定的程度時，就蓋過可見光的影像，因此，沒必要在費時費工的增加另外一切換器來移除可見光的感測波段，如第3圖所示。

另外，還必須再搭配「可透紅外材質」形成的黑色盒體1與黑色杯71，使此黑色盒體1與黑色杯71在「近紅外的特徵」中「轉變成」透明「可見的特徵」！

所以，從這兩者的差別看來，本實施例的微型熱像儀200明顯是多了一段可「增強」擷取0.8~1.0μm的近紅外波段。

為了區別本實施例微型熱像儀200的明顯特點，就擷取8~14μm遠紅外波段的鏡頭稱為遠紅外鏡頭，與把擷取0.8~1.0μm的鏡頭稱為 近紅外鏡頭。

如第2圖近紅外鏡頭的輸出曲線24看來，與一般光感測器的感應曲線差不多。一般光感測器其在0.85μm波段範圍，其感應效率會減少到剩為50%，而在0.95μm波段範圍則剩為30%。

因此，為使得微型熱像儀200可擷取到「較豐富」的0.8~1.0μm的近紅外波段，微型熱像儀200就增加了一組紅外光源的補助，這組紅外光源是以一組中心波長為0.85μm的紅外發光二極體IR-LEDS形成。

也就是說，如第2圖A當微型熱像儀200對準目標物體之同時，更輔以此IR LEDS對準目標物體「投射」，使得其光感測器在0.85μm波段附近範圍的感應效率就大大「增強」了！詳如後面第7圖F。

至於，如第1~1D圖，有關這一種「可透近紅外」材質搭配形成一個大型的黑色盒體1，本在發明實施例其形成的材料有三種：

第一種，是由R(紅)G(綠)B(藍)三種原色色母粒中的任兩種或全部的三種混合形成一種黑色色料，再將黑色色料參入可相容性的透明樹脂(例如PMMA或PC)，形成一種黑色複合材料。利用透明樹脂的可塑性，將此種黑色複合材料塑造製成一個大小不同具有各種形狀的黑色盒體。

第二種，是以「碳黑(carbon black)」混入一定比例的透明塑料(例如PMMA或PC)形成。其可透紅外的原理如後面第8~8D所述。其主要在此碳黑與此透明塑料兩者的混合比例只要不是「百分之百的不透光」，就會有讓近紅外有機會穿透的「空隙」，也就是說，碳黑與透明塑料兩者的混合比例並無一固定的比例，例如碳黑與透明樹酯是10比90或90比10都可以，依黑色盒體實際需的「黑」色程度而定之。

上述兩種，例如，在本發明人的中華民國發明證書第I328593號「可透紅外黑色塑料的製作方法和應用」中已揭露。

第三種，是在透明的塑料板或透明的玻璃，以二氧化矽與二氧化 鈦兩者交替在一透明塑料(例如PC)或透明玻璃片上的鍍膜方式形成，依不同所須透光度決定鍍膜方式(如膜層數與膜厚等)。例如，本發明人在中華民國發明證書，第I425292號「外掛於手機上用以提供輔助紅外成像的方法與裝置」、第I423676號「鍍膜基板成像的監視用途」等中也已揭露。

請參閱第3圖為本實施例的微型熱像儀前視示意圖、請參閱第3圖A為本實施例的微型熱像儀使用的示意圖；以及請參閱第3圖B為手機底部插座的示意圖。

如第3圖，本實施例的微型熱像儀200，其包含有一光學模組200A與一光源模組200B。其中，光學模組200A又包含有一接頭200A1、吸附單元200A2、一遠紅外鏡頭200A3與一近紅外鏡頭200A4；其中，光源模組200B包含有數顆紅外光源200B1。其中，光源模組200B內建有一可充電的鋰電池可提供紅外光源200B1所需的電源(圖中為繪出)，與側旁另設置有一調光器200B2用以調整紅外光源200B1的發光強度。

其中，紅外光源200B1的功率約在1~5W即可在1~3m距離內輔助近紅外鏡頭200A4在如第1圖C的投射與觀察。

其中，用以調整紅外光源200B1的發光強度的調光器200B2，是習知的技術可為可變電阻VR或以PWM模式來進行調控。

又，其中的吸附單元200A2在本實施例中有使用「黏扣帶」或「薄磁片」，其主要用意是若「微型熱像儀200使用一段時間後」使得「微型熱像儀200的接頭200A1插入智慧型手機300的插座300A」時，可能會產生一點鬆動而不太穩固，藉由此吸附單元200A2可以使兩者之間之連接比較「穩住」，本實施例使用初期並未發現「不太穩固」，長久後可能有必要將此吸附單元200A2「吸附」在「對應智慧型手機300插座300A」附近「對應的被吸附單元」，如第3圖A中未繪出。

如第3圖A，本實施例的微型熱像儀200係藉由一接頭200A1，使用時插入一智慧型手機300的底部的插座300A，即可將微型熱像儀200的所擷取的影像傳遞到智慧型手機300的影像顯示幕(屏幕) 3上顯示出來，其中，此智慧型手機300還須預先下載相關的操作應用程式(APP)300B與管理工具(Tool)300C應用程式。

如第3圖B，智慧型手機300的底部的一插座300A，用以供微型熱像儀200可藉由其一接頭200A1的插入用以連接傳遞信息。

請參閱第4圖為一般微型熱像儀光學模組動作示意圖以及；請參閱第4圖A為本申請案微型熱像儀光學模組動作示意圖。

如第4圖，一般微型熱像儀100包含：一目標物體A、一遠紅外鏡頭Len1與一近紅外鏡頭Len2、一控制模組100A與一接頭200A1。

其中，遠紅外鏡頭負責擷取「8~14μm」遠紅外波段與近紅外鏡頭負責擷取「0.4~1.0μm」可見光/近紅外波段。其中，「8~14μm」波段經其焦平面感測器FPA的感測、控制電路與其後續處理電路100A的處理，最後在融合影像(Image Fusion)處理輸出。

其中，此近紅外鏡頭擷取的「0.4~1.0μm」波段，是先行經過一紅外截止濾光片(ICF,Infrared Cut Filter)的過濾，移除掉「0.8~1.0μm」的近紅外波段，使得通過的「0.4~1.0μm」波段僅剩下其中「0.4~0.8μm」的可見光部分可以進入到光感測器，再經過其控制電路與其後續處理100A，最後在融合影像技術處理。

最後，再將此遠紅外鏡頭擷取的「8~14μm」遠紅外波段與此近紅外鏡頭擷取的「0.4~0.8μm」可見光波段，經過融合影像技術處理後，經一接頭(Connector)200A1的傳送傳到對應的一智慧型手機300屏幕3上顯示出來，如第3 A、B圖。

這時，在此對應的一智慧型手機300屏幕3上顯示出來的熱圖像，就具有一較清楚「邊緣」的熱圖像。這是因為：將所擷取8~14μm的熱圖像與所擷取0.4~0.8μm的可見光影像，兩者經過融合影像技術處理後，獲得熱圖像與可見光影像兩者之「特徵」，就得到一較清楚「邊緣」的熱圖像。

其中，8~14μm的熱圖像是目標物體A「本身所輻射出來的熱輻射」；0.4~0.8μm是目標物體A入射於「0.4~1.0μm」波段中「被ICF過濾出來」的可見光影像，也就是目標物體A的反射光影像。

根據太陽光譜(電磁波譜)中，其中紫外線(3%)、可見光(45%)與紅 外(52%)三者就佔了約99%。這些8~14μm波段與0.4~1.0μm波段當然都會「同時」從此遠紅外鏡頭與此近紅外鏡頭進入。但是，因為此遠紅外鏡頭與其後面的感測器(FPA)，只有感測到8~14μm遠紅外波段。同理，只能從此近紅外鏡頭進入的是0.4~1.0μm可見光/近紅外波段。

如第4圖A，本申請案微型熱像儀200其中所包含的與第4圖的一般微型熱像儀100差不多是一樣。其中，就微型熱像儀(100)與微型熱像儀200兩者所不同的地方，特別僅在第4圖A中特別標示出來。

如第4圖A中特別的標示，包含：附加了一近紅外輔助NIR Leds(紅外光源200B1)；以及卻少了一ICF，其餘相同。

如第4圖A，本申請案的微型熱像儀200的近紅外鏡頭200A4輔以近紅外輔助NIR Leds的投射，使得此近紅外鏡頭200A4對目標物體A就可以取得更清楚的近紅外影像(0.8~1.0μm)。這「更清楚的近紅外影像」也就是本實施例所稱的「增強」的近紅外影像。如第2A、7C、7F圖。

本發明實施例的目的，在於提供一種可以「以較簡單較容易」的方式，對一般微型熱像儀100進行改良後形成一種具有增強擷取近紅外影像的微型熱像儀200。

本發明實施例的另一目的，在於提供一種對於生物生態環境具有更多樣觀察、研究實驗、教育等多功能的微型熱像儀200。

A‧‧‧物體

B‧‧‧藍光

D‧‧‧距離

Fir Cam‧‧‧遠紅外攝影機(Far Infrared Cam)

FPA‧‧‧焦平面感測器

G‧‧‧綠光

Gt‧‧‧半透明的綠色板

ICF‧‧‧紅外截止濾片

Lens1‧‧‧第一鏡頭(遠紅外鏡頭)

Lens2‧‧‧第二鏡頭(近紅外鏡頭)

P1~P9‧‧‧彩色樣板

P1A‧‧‧紫色區的背景環境色彩

P1B‧‧‧空杯子的熱圖像

P1C‧‧‧裝有熱水杯子的熱圖像

P5B1‧‧‧手握把的熱圖像

P5B2‧‧‧空杯子杯體的熱圖像

P5C‧‧‧裝有熱水的杯子的熱圖像

P5C1‧‧‧杯子P5C的邊緣所顯示的熱圖像

P10‧‧‧樣板圖示

R‧‧‧紅光

Rt‧‧‧半透明的紅色板

VIS Cam(Visible Cam)‧‧‧可見光(數位)攝影機

W‧‧‧距離

1‧‧‧黑色杯體

1a‧‧‧黑色盒體1的杯底

1aa‧‧‧黑色盒體1的內部空間

1b‧‧‧黑色盒體1的透視影像

1c‧‧‧黑色盒體1的邊緣

100‧‧‧一般的微型熱像儀

100A‧‧‧控制模組

2‧‧‧昆蟲

2a‧‧‧昆蟲2的熱圖像

2b‧‧‧昆蟲2的透視影像

200‧‧‧本實施例的微型熱像儀

200A‧‧‧光學模組

200A1‧‧‧接頭

200A2‧‧‧吸附單元

200A3‧‧‧遠紅外鏡頭

200A4‧‧‧近紅外鏡頭

200B‧‧‧光源模組

200B1‧‧‧紅外光源

200B2‧‧‧調光器

21‧‧‧電磁波譜(或太陽光譜)

22a‧‧‧遠紅外FIR8~14μm的波段範圍曲線

22b‧‧‧NIR包含可見光VIS與近紅外(Near Infrares)的0.38~1.0μm波段範圍曲線

23‧‧‧微型熱像儀100所擷取的可見光波段曲線

24‧‧‧微型熱像儀200所擷取的波段曲線

3‧‧‧智慧型手機的影像顯示幕

300‧‧‧智慧型手機

300A‧‧‧智慧型手機300的插座

300B‧‧‧操作應用程式(APP)

300C‧‧‧管理工具(Tool)應用程式

第1圖為一個黑色杯體與一隻夜行性昆蟲的示意圖。

第1圖A為夜行性昆蟲放進一個黑色杯體內人眼觀察的示意圖。

第1圖B為熱像儀觀察黑色杯體內昆蟲的熱像示意圖一。

第1圖C為熱像儀觀察黑色杯體內昆蟲的熱像示意圖二。

第1圖D為假設熱像儀解決此問題的功能示意圖。

第2圖為本實施例改良的基本原理與方法示意圖。

第2圖A為增強近紅外示意圖。

第3圖為本實施例的微型熱像儀前視示意圖。

第3圖A為本實施例的微型熱像儀使用的示意圖。

第3圖B為手機底部插座的示意圖。

第4圖為一般微型熱像儀光學模組動作示意圖。

第4圖A為本申請案微型熱像儀光學模組動作示意圖。

第5圖為FLIR ONE原廠示意圖。

第5圖A為FLIR ONE拆解示意圖一。

第5圖B為FLIR ONE拆解示意圖二。

第5圖C為FLIR ONE拆解示意圖三。

第6圖為FLIR ONE顯示的熱圖像樣板示意圖。

第6圖A為第6圖的態樣P1圖像示意圖。

第6圖B為第6圖的態樣P5圖像示意圖。

第7圖為黑杯子裝熱水的熱圖像圖。

第7圖A為黑杯子71與白塑料塊示意圖。

第7圖B為黑杯子蓋著白塑料塊示意圖。

第7圖C為近紅外影像示意圖。

第7圖D為微型熱像儀100的熱像圖。

第7圖E為微型熱像儀200近紅外的熱像圖。

第7圖F為微型熱像儀200增強近紅外的熱像圖。

第8圖為可見光穿透示意圖一。

第8圖A為可見光穿透示意圖二。

第8圖B為可見光穿透示意圖三。

第8圖C為近紅外穿透示意圖一。

第8圖D為近紅外穿透示意圖二。

第8圖E為近紅外穿透示意圖三。

本發明較佳的具體實施例，主要是將與「FLIR公司出品的Flir one微型熱像儀」類似的一般微型熱像儀(以下簡稱微型熱像儀100)進行「改良與輔助搭配」，用以解決微型熱像儀100所產生的問題，如第1~1D圖所示；與將本發明實施的一種「增強近紅外擷 取影像的微型熱像儀」(以下簡稱微型熱像儀200，如第3圖所示)，做出「實驗數據」的彩色圖示說明，用以顯示微型熱像儀200相對微型熱像儀100具有「可專利性」的證明。

改良方面：主要著重在改良微型熱像儀100的「影像擷取」的方式，而不是改良其「影像融合與其相關的應用程式」的方法。

其中，微型熱像儀100「影像擷取」的方式：包含第一種「單獨的可見光影像」與第二種「可見光+遠紅外」的融合影像的兩種，改良變更為微型熱像儀200的取像方式，其係除了包含有微型熱像儀100的第一種「單獨的可可見光影像」與第二種「可見光+遠紅外的融合影像」兩種以外，另外，微型熱像儀200還增加了有第三種「單獨的近紅外影像」與第四種「可見光+遠紅外+近紅外的融合影像」新旳兩種一共有四種。

值得注意的是：上述的第二種的「可見光+遠紅外」與第四種的「可見光+遠紅外+近紅外」，其中的「近紅外」與「可見光」是否會相互「干擾」影響「成像」清晰度？

不會！

本發明實施例中，如第3圖所示，其中，藉由調光器200B2的調整投射，使得物體反射的「近紅外」可增強與可減弱，當「近紅外」大於「可見光」時，在與遠紅外融合部分所顯示的是「近紅外」的特徵；當「近紅外」小於「可見光」時，在與遠紅外融合部分所顯示的是「可見光」的特徵。如第3圖與後面實施例實驗的第7~7F。

其「影像擷取」的技術手段是：如第2、4、5圖，一是將「微型熱像儀100」本機機體內部的一「紅外截止濾片ICF(鍍膜玻璃形成)」移除；二是增加搭配一組輔助的紅外光源200B1與一調光器200B2(如第3圖)。

輔助搭配：是增加搭配一「可透紅外」材質形成的盒(杯)體，如第1圖所述不透光的「黑色杯體1」與如第7圖B所述不透光的「黑杯體71」。

如下列各實施例之說明與實驗，將可更明瞭。

實施例一：形成一光學模組，準備一台FLIRONE的樣機進行拆解改裝，掀開該樣機的盒體，把在該樣機內光感測器前的一ICF移除掉，再鎖回該盒體。

請參閱第5圖為FLIR ONE原廠示意圖；請參閱第5圖A為FLIR ONE拆解示意圖一；請參閱第5圖B為FLIR ONE拆解示意圖二；請參閱第5圖C為FLIR ONE拆解示意圖三。

第一步：準備一台原廠FLIR ONE微型熱像儀100的樣機，如第5圖，掀開此樣機的盒體，如第5圖A為FLIR ONE拆解起來的黑色前蓋，在此前蓋上明顯有兩個圓形狀的鏡頭，圖左邊為遠紅外鏡頭Lens1(稍帶橘紅色)；圖右邊為數位攝影鏡頭Lens2(無色透明)。

如第5圖B，為FLIR ONE拆解起來前蓋後明顯看到一電路基板，此電路基板上有兩個攝影機，圖左邊為可見光攝影機(Visible Cam簡稱Vis Cam)或稱為數位攝影機，這攝影機是僅擷取可見光(0.4~0.8μm)影像；圖右邊為遠紅外攝影機(Far Infrared Cam簡稱Fir Cam)這攝影機是僅擷取遠紅外熱圖像。

如第5圖C，為拆解起來的可見光攝影機，請注意！其中，圖左邊為可見光攝影機方型鏡頭蓋子上，黏貼有一片「紅外截止濾片ICF」，它是以鍍膜的方式截止掉0.8~1.0μm的近紅外，僅讓0.4~0.8μm的可見光通過，這「紅外截止濾片ICF」就是要移除掉的。

其中，移除此「紅外截止濾片ICF」要很小心！

實施例二：形成一光源模組，形成以中心波長為0.85μm(或是0.94μm)功率為1~5W的一IR-LED近紅外輔助光源，形成一提供IR-LED的可充電鋰電池電源與其鋰電池的保護電路板；形成一電阻式或PWM式的調光器；將此IR-LED近紅外輔助光源、鋰電池與調光器等一起裝置於一塑料製的盒體內形成次光源模組200B的一盒體如第3圖。

其中，在相同的功率規格下，0.85μm的IR-LED比0.94μm的 IR-LED效率高，但具有紅點(Red dot)露出之缺失。

實施例三：形成一殼體，將此光學模組200A「黏貼」於此光源模組200B的一盒體上，形成包含有此光學模組200A與此光源模組200B的此微型熱像儀的殼體200，如第3圖。

其中，如第3圖的殼體200，也就是說，此光學模組200A與此光源模組200B兩者並不限定要「黏貼」在一起，必要時也可以將其等「分離」以利特殊角度的投光取像。

如第3圖的殼體係藉由一接頭200A1，使用時插入一智慧型手機300的底部female micro usb或female lighting的插座300A，如第3圖A所示，藉由此接頭200A1可將微型熱像儀200的所擷取的影像傳遞到智慧型手機300的影幕3上顯示出來，其中的接頭200A1為male micro usb或male lighting型。

其中，此智慧型手機300還須預先下載相關的操作應用程式(APP)與管理工具(Tool)應用程式。

搭配的製備方面：

實施例四：形成一可透紅外的杯體狀形的黑色杯體。如前面本說明書之「發明內容」欄所述，本實施例採取可透紅外的材質有三種。第一種，是由R(紅)G(綠)B(藍)三種原色色母粒中的任兩種或全部的三種混合透明塑料射出成型形成；第二種，是在透明的塑料板或透明的玻璃，以二氧化矽與二氧化鈦兩者交替的鍍膜方式形成；第三種，是以「碳黑(carbon black)」混入一定比例的透明塑料形成。形成可透紅外的物體並不限制其外觀態樣，例如有容器或平板狀或圓片狀等，本實施例的黑色杯體初期是以上述第三種製備形成。

至於，可透紅外材質的製備，除以上三種以外，有可以另外再製備，主要製備的原理與方法，如後面第8~8E圖之圖示說明，具有一般通識者都可據以實施。

為了更進一步對本發明實施例「為何改裝」的了解，請參閱第6~6B圖等為FLIR公司出品的FLIR ONE所提供熱圖像的偽「彩 色」圖示與其說明。

請參閱第6圖為FLIR ONE顯示的熱圖像樣板示意圖；請參閱第6圖A為第6圖的態樣P1圖像示意圖；與請參閱第6圖B為第6圖的態樣P5圖像示意圖。

如第6圖，FLIR公司的FLIR ONE在所搭配智慧型手機300屏幕上所顯示的九種熱圖像樣板(偽彩色態樣)，操作者按下屏幕上的「樣板圖示P10」後就顯示出九個不同顯示(P1~P9)的彩色態樣，用以提供選擇在不同的背景環境下顯示出最「容易表現特色」的態樣背景。

如第6圖，FLIR ONE顯示的是兩個杯子(一個空杯子與一個裝有熱水的杯子)的熱圖像，其中，如第6圖A的態樣P1中，其上方黑色空杯子的熱圖像P1B，與其下方黃色裝有熱水杯子的熱圖像P1C。其中，因為「熱水」的高溫圖像所顯示的是「杯內熱水與熱水向杯外傳導熱」的熱圖像；相對上方黑色的空杯內沒有「裝熱水」，其空杯子顯示的溫度較低以黑色表示。

如第6圖A，如果把此兩個杯子的杯口「蓋」起來，使人眼看不到杯內到底有沒有裝「熱」的東西時，則此時也會顯示出其下方黃色杯子的熱圖像P1C(黃色)，這是「下方黃色杯子內熱水傳導到杯子外的熱圖像」，也就是說，看到「杯外的熱圖像」後在參考其上方黑色杯子的熱圖像，就可以知道其「杯內裝入有不同溫度的東西」。

至於，這「杯內有不同溫度的東西」是什麼東西？是不同溫度的「熱」咖啡？或是「冰」塊？從FLIR ONE顯示的熱圖像，根本不可知道此東西的「真相」！

如第6圖A的態樣P1圖中，包含背景熱圖P1A、一空杯子熱圖P1B與一裝入有熱水的杯子熱圖P1C。其中，由前述先前技術可知：熱圖像是顯示「物體」與「背景環境」兩者之間「溫差」所代表的色圖態樣。實際上，如第6圖A中，背景環境與此空杯子兩者的溫度可能差不多一樣是屬於室內的「常溫」。若是，則背景環 境與此空杯子兩者之間就會「分不清楚」，看不出有此空杯子熱圖P1B的「存在」。

FLIR ONE為解決這個「分不清楚」的問題，就在「融合影像處理技術」演算後，就將其「物體」以外的「背景環境」附加了「可區別物體的它種色彩(例如紫色區的P1A)」，這種色彩不是物體的原本色彩，是為了「區別」所使用的偽色彩。如此，在態樣P1圖的「背景環境」中才可以較清楚區別出「看到此空杯子熱圖P1B(黑色)了」。

但是，為解決這個「分不清楚」的問題，若，物體與背景環境兩者之間的「溫度」還是有「些微」的「溫差」時，例如，物體的溫度為T1與背景環境的溫度為T2，則兩者之間的「溫差」以數學式表示為：T1-T2=△T，若此△T=0.2℃，那麼，在其最低溫度解析度為0.1℃的FLIR熱像儀，還是可以自動分出物體的溫度與背景環境的溫度，而最後顯示出可區別的「此空杯子的熱圖像P1B與背景環境的的熱圖像P1C」。

再另外，看看在態樣P5圖中，可以清楚看到此空杯子手握把的熱圖像P5B1與此空杯子杯體的熱圖像P5B2，為什麼？

這現象可能是：此空杯子的手握把與其杯體兩者因為體積大小不同，所以在受到背景環境中「熱對流」的影響，或者是杯內熱水的熱傳阻礙，會使得體積較小的手握把與體積較大的杯體兩者之間具有些微的「溫差」。例如，則手握把的溫度為T3與其杯體的溫度為T4，兩者之間的「溫差」以數學式表示為：T3-T4=△T1，若此△T1≠0℃，則會因在溫度解析度為0.1℃或更精密的FLIR熱像儀中，也可以顯示出「手握把的熱圖像P5B1與其空杯子杯體的熱圖像P5B2」。

再看看在態樣P5圖中，此裝有熱水的杯子P5C的熱圖像，在杯子P5C的邊緣所顯示的熱圖像P5C1，其邊緣為什麼有點「模糊」？

這「模糊」的「橘色區」，主要是此裝有熱水的杯子P5C杯外面有些微的「溫度梯度」。這「些微的溫度梯度」其實是此杯子「杯 內」熱水的「熱溫度」經過此杯子的杯體傳導到此杯子「杯外」的「溫差」，再形成梯度狀「傳導熱」的原因，也就是說「離杯體越遠的溫差越大」形成不同程度梯度狀明顯的溫差現象。

如第6圖中的態樣圖P8，這只是「很明白的」顯示出「空杯子與裝有熱水的杯子」兩者中區別「較冷(如深藍色)」的是哪個杯子。

如第6圖中的態樣圖P9，這只是「很明白的」顯示出「空杯子與裝有熱水的杯子」兩者中區別「較熱(如深紅色)」的是哪個杯子。

總之，從第6圖的九種態樣圖可知：FLIR ONE熱像儀只是顯示出「空杯子與裝有熱水的杯子」兩者中溫差的「熱圖像」。但不是顯示出「空杯子與裝有熱水的杯子」兩者杯內的「真相」影像。

由第6圖FLIR ONE顯示九種的熱圖像態樣，再請回頭看看第1、1D圖，顯然，FLIR ONE的熱像儀不具有像第1D圖那樣可以看到「真相」的功能！這就是本發明實施例的微型熱像儀200「所欲改裝」的目的。

與數據方面：

請參閱第7圖為黑杯子裝熱水的熱圖像圖；請參閱第7圖A為黑杯子71與白塑料塊示意圖；請參閱第7圖B為黑杯子蓋著白塑料塊示意圖；請參閱第7圖C為近紅外影像示意圖。

實施例五：如第7圖，在黑杯子71內倒入約一半熱水，以微型熱像儀100拍照，顯示出黑杯子71內「熱水」從黑杯子71內藉由黑杯子71本身的「熱傳導」作用，傳導到杯子71外，形成一張包含有「熱水」的熱圖像72，證明黑杯子71本身具有「熱」的傳導作用。 那麼，其上方還顯示出有一個跟熱水的熱圖像72「像似」的熱圖像72a的是什麼？

原來，這熱圖像72a是在黑杯子71內倒入約一半熱水時，此熱水的「水蒸氣」上升蒸發過程中，黏附於黑杯子71「內杯上」水蒸氣的「熱量」所形成的熱圖像72a。

實施例六：如第7圖A，將黑杯子71「倒置」於平桌面上與杯旁放置一白色的塑料塊73，形成明顯一張人眼可見「此黑杯子71與 此白塑料塊73」兩者黑白對比的照片。

然後，將倒置的黑杯子71去「蓋住」此一白(色的)塑料塊73，就又變成一張「人眼只可看見此黑杯子71而看不到此白色塑料塊73」的照片，如第7圖B。

實施例七：如第7圖C，是本實施例的微型熱像儀200以單獨無融合模式拍出「增強」的近紅外影像。顯然，從這影像可看到「非常清楚」近紅外影像的「特徵」。

實施例八：下面再分別以微型熱像儀100與微型熱像儀200兩者拍攝結果的比較：請參閱第7圖D為微型熱像儀100的熱像圖；請參閱第7圖E為微型熱像儀200近紅外的熱像圖；請參閱第7圖F為微型熱像儀200增強近紅外的熱像圖。

如第7圖D，上圖是用微型熱像儀100以如第6圖所示態樣P1模式，與下圖則是以態樣P2模式(灰色)所拍攝的熱像圖觀察，其中，因為，此黑杯子71與此白塑料塊73兩者的溫度大約都與室溫一樣(沒明顯的溫差)，所以，從上、下兩圖的「熱圖像」，是不容易看到此黑杯子71內此白塑料塊73的熱圖像與其白塑料塊73的影像。

其中，上圖似乎有看到此白塑料塊73稍微的熱圖像73a，其實，這是操作者用手指拿取白塑料塊73時，不小心留下「人手指的溫度」所形成的熱像。

其中，下圖看不到此白塑料塊73的近紅外影像，那就證明這微型熱像儀100的ICF阻擋了周圍環境中的「近紅外」，僅可拍攝「遠紅外FIR+可見光VIS」的波段，而這「遠紅外FIR+可見光VIS」均無法穿透此黑杯子71的本體，所以，也就看不到「此黑杯子71內的此白塑料塊73」了！

稍微說明一下：下圖中似有黑杯子71表面的影像71a，其實，這是黑杯子71表面附近物體所反射回來雜亂不相干的「反射光」影像。

如第7圖E，上圖是用微型熱像儀200以態樣P1模式，與下圖是以態樣P2模式(灰色)所拍攝的熱像圖觀察，對於「此黑杯子71以及其內部的白塑料塊73」有「稍微」明顯地顯示出來了。

這是因為此黑杯子71本體可以穿透近紅外，所以，可以稍微明顯地看到「黑杯子71以及其內部的白塑料塊73」，所入射與反射的近紅外影像。

如第7圖F，上圖是用微型熱像儀200以態樣P1模式，與下圖是以態樣P2模式(灰色)拍攝的觀察，結果，發現比第7 E更「清楚看到黑杯子71以及其內部的白塑料塊73」的近紅外影像，這「更清楚」的近紅外影像，也就是本實施例定義為「增強近紅外」。

如第7圖F為什麼會更「清楚看到黑杯子71以及其內部的白塑料塊73」的近紅外影像？

因為，如第3圖啟動了200B1紅外光源，對著此黑杯子71以及其內部的白塑料塊73照射，獲得更多的近紅外能量進入近紅外鏡頭後，取得更「清楚」的近紅外影像！

也可以簡單說，這「增強近紅外」在微型熱像儀200的影像融合處理中，壓過了「遠紅外FIR+可見光VIS」波段的「混合層」而「凸顯」的效果。

其中，上述如第7圖C，此單獨無融合的「增強近紅外」影像，如第2圖A，是怎麼單獨顯示的？

原來在微型熱像儀100(例如flir one)，所下載的「應用程式」中其影像顯示幕3(在智慧型手機)上，因為已經具有：一以手向上滑動用以「捲動下一畫面」的功能，只要向上滑動就可以在「捲動下一個畫面」後，就可以看到其未經融合的「近紅外」的影像。

藉由實施例八的實驗與拍攝照片顯示：改良微型熱像儀100後的微型熱像儀200，其「增強近紅外」影像的確具有如本實施例「發明內容」所述「解決微型熱像儀100的問題、技術手段與實施效果」的實驗證明。

請參閱第8圖為可見光穿透示意圖一；請參閱第8圖A為可見光穿 透示意圖二；請參閱第8圖B為可見光穿透示意圖三；請參閱第8圖C為近紅外穿透示意圖一；請參閱第8圖D為近紅外穿透示意圖二；與請參閱第8圖E為近紅外穿透示意圖三。

如第8圖，可見光的紅綠藍RGB三原色光穿過一塊半透明的紅色板Rt時，只有紅光R可以通過，綠光G與藍光B被Rt吸收，所以，這塊半透明的紅色板Rt呈現半透明的紅色。

同理，如第8圖A，可見光的紅綠藍RGB三原色光穿過一塊半透明的綠色板Gt時，只有綠光G可以通過，紅光R與藍光B被Gt吸收。所以，這塊半透明的綠色板Gt呈現半透明的綠色。

如果，如第8圖B，把一塊半透明的紅色板Rt與一塊半透明的綠色板Gt兩板「疊加」一起時，紅綠藍RGB三原色光「全部」被此疊加的兩板「分別全部」都被吸收掉，RGB三原色光的可見光「幾乎」沒有穿過，所以呈現「黑色」。

為什麼說是「幾乎」？

實際上，如第8圖B，拿起此疊加的兩板對準一較強的可見光燈仔細近距離目視時，從某個視角還是「稍微」可看到一小部分穿透的可見光。因為，這此疊加的兩板都是屬「半透明」的。

如果，這此疊加的兩板都是屬「全不透明」的，則由實驗可知：近紅外與可見光兩者一樣全都不能透過！

如第8圖D，當0.8~1.0μm通過時，其中的0.4~0.8μm被「吸收掉」無法通過！但剩下的0.8~1.0μm「沒被吸收掉」！所以，可以通過！

所以，如第8圖D就可以通過0.8~1.0μm的近紅外，正如第1圖D那樣就可以看到此「不透光的黑色盒體1與其內昆蟲2」的近紅外影像了！此時，對人眼而言，就如同在影像顯示幕3上看到「似乎透明的黑色盒體1與其內昆蟲2」的近紅外影像。所以，本實施例就此「黑色盒體1」定義為是屬一種「可透紅外但不透可見光」的材質。

由第8圖D所述的原理，其與第8圖B是一樣的！「變更」由半透 明的紅色原料Rt1與由半透明的藍色原料Bt1共同混合(射出成型)組成不同比例混合的一塊板RBt1，也可製備成各種不同穿透近紅外比例的「黑色盒體1」。

如第8圖E，當物體A(如第1圖B的昆蟲2)與混合塊板RBt1之間距離W的大小，經過如第7圖C實驗，可知不影響物體A近紅外的成像；但是，對物體A遠紅外的熱圖像就有明顯區別，如第1圖C。

但是，對於「鍍膜基板」，它是以不同的「膜層」組合，僅使特定的近紅外波長可以有條件的「通過」，但對於被限制的可見光波長則以「反射」回去，不是被「吸收掉」！

本發明請求可專利性的補充說明。

綜合上述第1~1D圖的推測假設、第7~7F圖的實驗圖照可知：本實施例的微型熱像儀200相較於微型熱像儀100，在白天對於「觀察夜行性生物的研究」的確具有「無法預期的效果」！

常見一般「微型」熱像儀100與本發明「微型」熱像儀200兩者，其中，兩者的「微型」的定義係指：符合「可外接於智慧型手機上使用」與「體積小與低成本」的特點，適用於基礎教育用途，如第3A、5圖所示與目前軍事、工商業用途「較大型較昂貴」的熱像儀「有所區別」。

本發明微型熱像儀200請求項，如發明名稱「增強近紅外影像的微型熱像儀」中的「微型」已與較大型(如手握型或機載型)有所界定；但針對本發明微型熱像儀200的「具有可擷取增強近紅外」影像之功能，則又「有別於」目前常見「不具有擷取近紅外」影像的微型熱像儀100。

本發明微型熱像儀200請求項，如發明名稱「增強近紅外影像的微型熱像儀」中的「增強近紅外影像」如第2A、3、4A、7C~7F圖所示。

這裡，所述的「近紅外」的定義是指波長在約0.8~1.0μm(或0.76~1.10)波段範圍；以及所述的「增強」的定義是指「IR-LEDS紅 外輔助光源200B1的照射與調光器200B2的調控」等對熱圖像清晰度的調整，如第2A、7F。

本發明實施例微型熱像儀200在「製備實施」過程中的難易度說明：

過程初期：

因為，原微型熱像儀100的精密取像鏡頭、物體溫度量測技術與影像融合的處理技術都已經「相當成熟」，「保留與應用其現成成熟的技術」是本實施例微型熱像200實施例「較佳開發成本」，例如：在教學上「不用同時準備一台熱像儀與一台紅外夜視儀」，與「每位學生均可在自己手機上的屏幕顯示觀察」等的特點。

所以，初始就找幾位光電系大學生「移除紅外截止濾片ICF」，有的改裝後不能「操作動作」、有的「影像模糊」‧‧‧有待處理的問題不少。

過程中期：

近紅外在與原廠的「遠紅外+可見光+近紅外」的影像融合中，影像不夠「供人眼的辨識」清楚，有必要做後段影像處理。但這會涉及原廠的APP應用程式的編修，工程不小。最後打算以增大「近紅外」輔助光源！

由於，各種實驗測試對於此輔助光源的適當波長、功率大小與及照射方向等適當參數的確定，企圖找出較佳的技術方案測試。

過程後期：

黑色盒體1與黑杯子71等對近紅外不同的穿透率、結構的通風與設計是否影響觀察夜行性生物的活動環境等等。

總之，本發明實施例微型熱像儀200在整個「改良過程」中，必須依賴具有「光電」、「電路控制」、「機械」與「生物」等專業團隊的合作，對生物「溫體的熱像」與「可即時人眼觀察」的教學與研究的教育用途為目的。顯然，並非少數一兩位具有通識者或由「先前技術」之教示所能輕易完成者。

請求獨立項1、6說明：

請求獨立項1：

一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀200，適教學用途，其係外掛於智慧型手機上的一殼體，如第3圖A，其改良在於：此殼體包含一光學模組200A與一光源模組200B，其中此光學模組200A具有一遠紅外鏡頭200A3與一近紅外鏡頭200A4，此遠紅外鏡頭200A3可擷取8~14μm波段的熱圖像，此近紅外鏡頭可擷取0.4~1.0μm(包含0.8~1.0μm()波段的近紅外的影像，如第2(曲線圖24)、4A圖，與該光源模組200B具有一提供此近紅外鏡頭200A3擷取0.8~1.0μm波長所需增強的紅外光源200B1與一所需增強紅外光源電源的可充電電池與一調整其增強紅外光源強弱程度的調光器200B2，如第2A、3、4A圖。

請求獨立項6：

一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其製備方法包含：(1)形成一光學模組200A，準備一台FLIR ONE的樣機，掀開此樣機的盒體，把在此樣機內光感測器前的一ICF移除掉，如第4A、5圖；(2)形成一光源模組200B，其係以中心波長為0.85μm的一IR-LEDS輔助光源，如第3、4A圖；(3)形成一殼體，將此光學模組200A黏貼於此光源模組200B上，形成包含一此光學模組200A與一此光源模組200B的此微型熱像儀200，如第3圖；(4)形成一可供搭配使用的黑色杯體1與黑杯子71，如第1、7圖。

其中，此可透紅外材質如第1~1D圖，有關這一種形成的材料有三種：例如，在本發明人的中華民國發明證書第I328593號「可透紅外黑色塑料的製作方法和應用」、本發明人的中華民國發明證書，第I425292號「外掛於手機上用以提供輔助紅外成像的方法與裝置」、第I423676號「鍍膜基板成像的監視用途」等中也已揭露。惟，本發明實施例所採用的此「可透紅外材質」係為「獨立項第6項」所依附的「附屬項」，無涉及「重複授權」之虞。

Claims (10)

1. 一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，適教學用途，其係外掛於智慧型手機上的一殼體，其改良在於：此殼體包含一光學模組與一光源模組，其中該光學模組具有擷取8~14μm波段熱圖像的一遠紅外鏡頭與擷取0.4~1.0μm波段包含近紅外影像的一近紅外鏡頭；與該光源模組具有提供該近紅外鏡頭投射的一紅外光源、提供該紅外光源所需電源的一可充電電池與調整該紅外光源強弱程度的一調光器。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其中，該殼體使用時進一步搭配有可透紅外的容器或平板狀物體。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其中，該殼體外部進一步設置有可供連接於智慧型手機上的一接頭與一吸附單元。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其中，該紅外光源為中心波長0.8~1.0μm的紅外發光二極體IR-LEDS。
5. 一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其製備方法包含：(1)形成一光學模組，準備一台FLIR ONE的樣機，掀開該樣機的盒體，把在該樣機內光感測器前的一ICF移除掉，再鎖回該盒體；(2)形成一光源模組，其係以中心波長為0.85μm的一IR-LEDS輔助光源；(3)形成一殼體，將該光學模組黏貼於該光源模組上，形成包含有一該光學模組與此光源模組的一該微型熱像儀；(4)形成一可透紅外材質形成的一容器或平板，以供該微型熱像儀的搭配使用。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其中，該方法(2)的該IR-LEDS功率為1~5W。
7. 根據申請專利範圍第5項所述之一種增強近紅外擷取影像的微型熱像儀，其中，該方法(4)的該容器為黑色杯體與黑杯子。
8. 根據申請專利範圍第5項所述之一種擷取近紅外影像的微型熱像儀，其中，該方法(4)的該可透紅外材質進一步包含是由R(紅)G(綠)B(藍)三種原色色母粒中的任兩種或全部的三種混合形成一種黑色色料，再將黑色色料參入可相容性的透明樹脂形成。
9. 根據申請專利範圍第5項所述之一種擷取近紅外影像的微型熱像儀，其中，該方法(4)的該可透紅外材質進一步包含以碳黑與透明樹脂兩者的混合形成。
10. 根據申請專利範圍第5項所述之一種擷取近紅外影像的微型熱像儀，其中，該方法(4)的該可透紅外材質進一步包含以二氧化矽與二氧化鈦兩者交替在一透明樹脂片上鍍膜方式形成。