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熱像應用無遠弗界,是救災與防災要角
財團法人光電科技工業協進會
近來火災悲劇頻傳,讓人思考高科技可以在救災與防災扮演何種角色。COVID-19期間熱影像溫度計矗立在各行各業門口,快速篩檢出入人員的體溫,檢查有無發燒症狀,以減少感染新冠肺炎的風險並抑制疫情擴散,這情景是台灣經歷COVID人們的共同記憶。當時熱像溫度計憑藉其快速、非接觸、高效和安全的特性,成為公共場所體溫篩檢的重要工具。如今,隨著疫情的退去,那些曾讓人印象深刻的熱像儀已經撤除,但紅外熱像技術仍默默守護著人們的健康和國家的安全。 熱像簡介 由於所有有溫度的物體都會產生輻射,且其溫度與其輻射頻率有著對應關係(普朗克黑體輻射方程式),所以我們可以利用熱像感測器(Thermal Imaging Sensor)來顯示溫度分布的影像。而一般人體與物體的輻射波段多在紅外波段(Infrared,簡稱IR),所以熱像又可稱為紅外影像,或稱紅外熱像。即紅外顯像測溫儀將這些人眼無法看到的輻射能量轉換為電訊號,並以不同顏色顯示出溫度分佈,形成可視圖像。這些影像能即時顯示表面溫度,辨識溫度高低的分布情況,進而進行分析與應用。 熱像之應用 熱像的應用已相當廣泛,在各個領域裡都有其特別的應用情景。以下舉例一些主要應用: △ 車輛磨耗檢測與自動駕駛輔助應用:熱像儀可以偵測電機設備的溫度異常,以預防故障,或評估機器磨耗時表面溫度分布的情況,例如檢測車輛的過熱零件。此外,熱像儀能讓汽車駕駛在黑暗中看清遠方路況,彌補車燈照明不足的問題,尤其幫助駕駛及時避開路上的動物,例如鹿,以預防交通事故。 △ 生物醫療應用:熱像儀可快速偵測發燒人員,或用於檢測血流變化和腫瘤等病理檢測。在醫療長照方面,熱像儀可以感測病人的生理與活動情況。 △ 通訊應用:熱像儀可間接涉及通訊設備的維護,或協助高頻通訊設備的測試和開發,例如分析電磁波對設備的熱效應,藉此提升性能。 △ 國防應用:熱像儀(夜視鏡)可賦予士兵夜間作戰的能力,或搭配AI無人機在夜間進行巡邏。 △ 環境監測:熱像儀可檢查建築物的熱損失點,以提高能源效率,或搜尋牆體和屋頂的水分滲漏。熱像儀搭配AI無人機可及早期發現森林火災,減少損失,或監測野生動物的活動和棲息地。在衛星上的熱像儀可監測地球的環境變化,如海洋溫度、森林火災、火山活動和冰川融化等。 △ 消防救援應用:在濃煙或黑暗中,熱像儀可幫助消防員找到受困人員和火源。 熱像的應用已相當廣泛,涵蓋了自動化、自動駕駛輔助、生物醫療、太空、國防、環境監測和消防救援等領域,如圖1所示。近年來,熱像再結合AI與無人機,可謂如虎添翼,將在以上各個領域再提升效率、提高能力。 圖 1、熱像之應用市場分類 資料來源:PIDA, 2024 依據波段,產品又可分為短紅外(Short-Wave Infrared, SWIR)、中紅外(Mid-Wave Infrared, MWIR)、長紅外(Long-Wave Infrared, LWIR)。短紅外的波段在1.4~3微米,其特性是穿透霧氣和煙霧能力強,適合應用於環境監測、夜視設備和工業檢測。中紅外的波段在3~8微米,其特性是對熱輻射敏感,常用於熱成像、紅外導引和監控系統。長紅外的波段在8~15微米,適合檢測物體的熱輻射,應用於熱成像相機、環境監測和醫療診斷。 波段在0.75~1.4微米的近紅外(Near-Infrared, NIR)與波段在15~1,000微米(1毫米)的遠紅外(Far-Infrared, FIR)則沒有在熱像的分類波段。近紅外是接近可見光譜的紅色部分,最常用於光通訊,和其他光譜應用。遠紅外則屬於天文觀測的波段。至於波長大於遠紅外的波段則屬於毫米波、太赫茲,以及無線電波等。所以每一個波段有其不同的特性,以適合特定的應用。 在熱像的應用市場裡,由於長紅外落於體温波段,最常用於熱像與監控,所以最為普遍,市場也相對穩定發展。其次是中紅外的市場比例次之,短、中紅外可感測較劇烈的熱幅射,適合用於救災等具創新市場。根據Fortune Business Insights的估計,2019年全球熱像市場規模為$22.7億美元。未來每年市場金額的成長性約為4.7%,如圖2所示。 圖2 、熱像儀之市場規模趨勢 單位:百萬美元
資料來源:Fortune Business Insights, Cognitive Market Research, PIDA, 2024
全球與台灣熱像產業 由於熱像可應用於軍事、國防與太空,故其技術廣為各國所關注,甚至受管制,特別是那些具有軍事用途或有高靈敏度的設備。重視軍工的美國是主要生產熱像晶片的國家,例如最大的熱像公司FLIR Systems(現為Teledyne Technologies的一部分)和Raytheon Technologies。歐洲方面有德國的InfraTec和法國的Lynred;日本則有NEC和富士通等。中國大陸有大華技術和海康威視等公司。 近年在台灣則有群創發展MEMS on glass玻璃微機電製程技術,研發出VGA遠紅外線熱像儀,為熱像晶片技術國產化奠定里程碑。晶元光電也推出了短波紅外線(SWIR)產品,即900 nm和1700 nm波段的砷化鎵銦檢光二極體。其SWIR產品可監測蔬果水分和甜度,以確認新鮮度;在健康領域可檢測血氧濃度和血糖數據;在工業領域則可檢測物體內部缺陷。 台灣熱像產業聯盟 有鑑於熱像技術的重要性,PIDA結合國內熱像產業廠商,包括紅外線感測器的設計、製程、模組封裝、光學系統及產品應用等國內相關上、中、下游廠商、研究單位及學術單位,組織了台灣熱像產業聯盟,以搭建分享創新技術、產業發展、創意發想、策略研討等之資訊交流平台,協力開拓市場新商機。此聯盟並設有熱像晶片國產化、智慧農業熱像監測、消防救災熱像監測、高精密非破壞熱像監測、無人機熱像巡檢、車用熱像夜視、醫療長照熱像監測等七大發展委員會,期待能對台灣熱像產業的發展有所貢獻。 |