EO/IR 雙光酬載：兩支相機為什麼對不準

雙光酬載的畫面上，紅外線的熱點疊在可見光影像上——但熱點標在人的旁邊，錯開了十來個像素。

第一個反應通常是「對準沒做好」。重新校正一次，在地面測試場對得完美，飛起來又偏了。

這多半不是對準的問題。兩支相機是兩個分開的入瞳，之間有基線，物理上就不可能在所有距離都疊合。這是幾何，不是校正品質。

一、視差：基線除以距離

兩支相機的入瞳相距 b，同時看著距離 R 的一個點，兩條視線的夾角就是 b ÷ R。校正的時候你在某個距離把它們對齊，換一個距離就會偏掉，偏差量等於兩個距離的視差角之差。

常見的解法有三種，而且都不是「對得更準」：

• 縮短基線：把兩支相機擠在一起。基線減半，視差減半。代價是機構空間與散熱，而且長波紅外的鏡頭口徑通常不小，能擠的空間有限。
• 引入距離資訊：用雲台俯角與飛高估算斜距，或直接加一支雷射測距，做距離相依的即時位移補償。這是最正規的解法，也是三光酬載把 LRF 放進來的理由之一。
• 不要疊：雙畫面並列而不做融合疊合。聽起來像逃避，但在判讀為主的任務裡常常是最務實的選擇——因為疊錯比不疊更容易誤導。

另外也有共孔徑設計：兩個波段共用同一組前端光學，再以分光元件分開，從根本上消除基線；代價是光學複雜度、重量與成本都高得多，多旋翼上較少見。

在消防現場，「熱點標在人旁邊」會直接影響判斷。所以疊合顯示如果不吃距離資訊，近距離作業時寧可不要開。

二、視軸對準會被溫度拉走

視差是幾何，對準殘差則是機構。兩支相機各自鎖在支架上，支架受熱會變形，兩條視線的相對角度就跟著跑。

量級感受一下：兩個安裝面相距 60 mm，如果它們之間產生 1 µm 的相對位移，角度變化就是 1 ÷ 60000 = 16.7 µrad——已經是 EO 的 0.17 個像素。鋁材的熱膨脹係數 23 ppm/K，60 mm 的結構在 40 K 溫差下伸長 55 µm；兩側膨脹只要不對稱約一成（5.76 µm），就是一個 EO 像素的視軸漂移，即使只不對稱百分之二，也有約 0.2 個像素。

能做的事情：把兩支相機的安裝基準做在同一塊材料、同一個加工基準面上，讓熱變形變成共模而不是差模；避免用不同材料的轉接件把兩條光路串起來；並且在溫度範圍的上下限各做一次視軸驗證，而不是只在室溫做。這一段的方法論與產線光機系統是同一套，完整的公差配置做法見〈公差配置怎麼做？精度是從哪裡漏掉的〉。

三、鍺鏡頭的熱離焦，比想像中嚴重得多

長波紅外的透鏡最常用鍺。它在 10 µm 的折射率是 4.0032，熱膨脹係數 6 ppm/K，但折射率溫度係數高達 396 ppm/K——一般光學玻璃大概是個位數，鍺高了將近兩個數量級。

單片透鏡的焦距溫度係數是：

(1/f)(df/dT) = α − (dn/dT) ÷ (n − 1)

代進去：6 − 396 ÷ (4.0032 − 1) = 6 − 131.9 = −125.9 ppm/K。

對 25 mm 的鏡頭、40 K 的溫差（例如夏天在地面曝曬過的機殼，起飛後被氣流冷卻；或者酬載要涵蓋的工作溫度範圍本身就有數十度——122 m 的高度差本身只帶來約 1 °C 的氣溫變化），焦距漂移 126 µm。

而焦深有多少？f/1.0、容許模糊圈取一個像素 12 µm 時，焦深只有 ±12 µm。漂移量是焦深的十倍以上。更糟的是鋁殼同時在膨脹，40 K 下把探測器往後推 23 µm，方向和焦距漂移相反，總失焦接近 150 µm。

所以工作溫度範圍寬的紅外線鏡頭必須做消熱差設計（或改用主動對焦補償）——靠高膨脹係數的間隔件推動鏡組來補償，或用鍺與硫系玻璃的混合設計讓兩者的溫度係數互相抵消。沒處理這一段的酬載，會在飛行途中慢慢糊掉，而且常溫的地面測試往往看不出來，因為地面測試通常不會等機殼熱透，也不會經歷起飛後的氣流冷卻或工作溫度上下限。

順帶一提，f/1.0 在 10 µm 波長下的艾里斑直徑是 2.44 × 10 × 1.0 = 24.4 µm，剛好兩個像素——長波紅外系統在 f/1.0 就已經接近繞射極限。長波紅外鏡頭幾乎都做在 f/1.0 到 f/1.4，主因是非製冷偵測器的 NETD 大約隨 F 數的平方變差，縮一級光圈熱靈敏度就掉一半；再加上繞射，沒有縮光圈換景深的餘地。鍍膜的背景見〈光學鍍膜入門〉。

四、長波紅外看得穿什麼、看不穿什麼

這是現場最常被誤解的一段。長波紅外的波長是 8 到 14 µm，比可見光長二十倍，所以對「比波長小得多的粒子」散射很弱：

• 看得穿：煙。燃燒產生的煙粒直徑多在 0.1 到 1 µm 之間，遠小於 10 µm 波長，散射弱，熱像因此能在濃煙中看到人與結構。這是消防應用的物理基礎。
• 看不穿：凝結的水霧。射水之後現場的白色「蒸氣」其實是凝結的小水滴，粒徑與 10 µm 波長相當，液態水對長波紅外的吸收又很強，熱像會被大片遮蔽。氣態的水蒸氣在 8–14 µm 窗口內吸收較弱，主要影響長距離的大氣衰減。很多人以為熱像萬能，結果在最需要的時刻失效。
• 看不穿：玻璃。一般玻璃在長波紅外幾乎不透，玻璃窗上看到的是玻璃自己的表面溫度，以及反射回來的環境輻射——不是屋內的景象。
• 看不穿：水。水面呈現的是水面溫度與天空反射，看不到水下。

還有一項：火本身會讓畫面飽和。火焰溫度遠高於一般測溫範圍，火點周圍會整片過曝，旁邊的人反而消失在白區裡。所以消防用的機芯要有高低增益雙檔位，而且切換要能手動鎖定，不能讓自動增益在關鍵時刻自己跳走。

量測方面的陷阱——發射率、反射背景與空間解析度——在〈熱像儀為什麼會量錯溫度〉裡有完整拆解。飛行載台上還要多加一條：距離會讓大氣衰減與路徑輻射介入，所以空中熱像的絕對溫度值只能參考，判定以同一畫面內的相對溫差為主。

五、製冷還是非製冷

這個決定常常先被載台的重量與功率預算框住，其次才是影像品質。

多數情況下的結論是：一般巡檢、搜救與監偵任務用非製冷長波紅外，因為即時開機、低功耗與維護少三件事在無人機上都是硬需求。除非任務明確需要更長的作用距離或氣體特徵偵測，否則製冷型帶來的重量、功率與維護成本很難在多旋翼上划算。完整的波段比較表見紅外線波段對照表。

六、驗收時該做的六件事

• 在兩個距離驗視軸：近距離與任務距離各一次，把視差量出來寫進文件，而不是只驗一個距離然後宣稱對齊。
• 溫度循環後複驗：在工作溫度上下限各做一次視軸與對焦確認。
• 熱透之後再看影像：機殼熱平衡常要 20 到 30 分鐘以上（依機型與環境而定），剛開機的畫面不能當驗收依據。
• 確認增益切換行為：高溫目標進入畫面時，自動增益會不會把其他區域壓掉；能不能手動鎖定。
• 量實際的影像延遲：對著碼表或閃光源錄，量從事件發生到地面站顯示的總延遲，而不是相信規格書上的機芯延遲。
• 確認原始資料留不留：需要事後重新分析時，壓縮過的串流救不回來；要留輻射原始資料就得在板卡與儲存規格上先留空間。