Тепловидение — делаем скрытые детали видимыми

Мы любим теплые лучи летнего солнца, наслаждаемся освежающим напитком или освежающим купанием в бассейне. Мы ценим теплое прикосновение другого человека, наслаждаемся горячим чаем или согревающим камином зимой. Мы чувствуем температуру, но не можем «увидеть» ее глазами.

Тепловизоры делают видимой ту часть электромагнитного спектра, которая скрыта от наших глаз. Поскольку практически каждый объект в нашем окружении излучает тепловое излучение, тепловизоры могут создавать изображение окружения даже в абсолютной темноте. При использовании для обеспечения безопасности и наблюдения мало что остается скрытым от тепловизора.

Благодаря полной радиометрической калибровке эти тепловизоры могут не только отображать разницу температур, но и обеспечивать измерение абсолютной температуры. Тепловизор с матрицей VGA и частотой кадров 60 Гц может производить более 18,4 миллионов отдельных измерений температуры в секунду.

Миниатюризация и оптимизация производительности

Создание простого тепловизора, который визуализирует тепло (т. е. обнаруживает и переводит относительное распределение тепла в рассматриваемой сцене в отображаемое изображение), уже не является современным. Вы можете дополнить свой iPhone дополнительным тепловизором менее чем за 200 долларов. Настоящая техническая задача начинается с растущих требований к чувствительности и точности измерений — отображение наименьших перепадов температур или максимально точное измерение температуры — при одновременной миниатюризации тепловизора и удовлетворении потребностей более широкого рынка.

На сегодняшний день ведущие производители тепловизоров сочетают в одном устройстве как самую низкую NETD (шумовую эквивалентную разность температур), так и лучшую точность измерения температуры. Исторически сложилось так, что эти высокопроизводительные камеры были чувствительными и точными, но при этом большими и тяжелыми. Именно здесь тенденции миниатюризации и системной интеграции открывают новые области применения тепловизоров.

Все больше и больше приложений используют тепловизоры, связывая их с другими датчиками, такими как цветные видеокамеры или датчики LiDAR. Приложения разнообразны и варьируются от интеллектуальных камер наблюдения для общественной и частной безопасности до автоматизации зданий; от управления производственным процессом до средств пожарно-спасательных служб; от решений ночного видения для автономных транспортных средств до профилактического обслуживания.

Ключевые параметры эффективности

Какими бы разнообразными ни были эти области применения, столь же разнообразны и требования к миниатюризации тепловизионной технологии и системной интеграции — измерительные характеристики, детекторы, оптика, интерфейсы данных, корпуса и другие конструктивные и производственные параметры должны быть оптимизированы для конкретного применения. Однако простая интеграция в специализированные системные решения представляет собой особую проблему для многих OEM-производителей и системных интеграторов, поскольку мощные тепловизоры часто предлагаются только в качестве стандартных продуктов с ограниченными возможностями настройки.

Самые эффективные тепловизоры предназначены для преодоления этих проблем и заполнения именно этого пробела на рынке. Три области, на которые влияют производительность тепловизора и простота интеграции, связаны с детектором, радиометрическими возможностями тепловизора, а также предлагаемыми оптическими и электрическими функциями.

Усовершенствованная технология детектора постоянно сокращает расстояние между пикселями. Эта тенденция в значительной степени была обусловлена ​​индустрией мобильных телефонов и была наиболее заметна в камерах видимого диапазона, но также помогла улучшить тепловизоры. Чем меньше шаг пикселя детектора при сохранении или улучшении чувствительности (NETD) и шумовых характеристик, тем эффективнее тепловизор. Меньший шаг обычно поддерживает меньшую мощность, меньшие механические ограничения конструкции и обычно может использоваться с более медленной оптикой f / # (дальнейшая экономия размера и веса системы). Кроме того, FPA с меньшим шагом пикселя также позволяют использовать тепловизоры с более высоким разрешением без существенного снижения размера, веса и мощности.

Радиометрические рабочие характеристики включают расширение от измерений только области интереса (ROI) до полных радиометрических измерений для каждого пикселя FPA, повышенную точность измерения температуры и расширенные диапазоны целевых температур.

Жесткая рыночная конкуренция в сфере игр, виртуальной и дополненной реальности, смартфонов, телекоммуникаций и автономных транспортных средств резко увеличила возможности электронной обработки данных, одновременно снизив занимаемую площадь компонентов и энергопотребление. В результате у разработчиков тепловизоров появляется более широкий выбор электронных компонентов, которых не было несколько лет назад. Более широкий выбор компонентов также облегчает проектирование и интеграцию более компактных, более эффективных и высокопроизводительных систем. Между тем, оптические и оптико-механические методы изготовления также продвинулись вперед, что позволяет разработчикам заменять обычную оптику нетрадиционной оптикой, чтобы еще больше уменьшить размер и вес оптических узлов. Эти более широкие отраслевые тенденции в сочетании с непрерывным развитием детекторов и радиометров в сегменте тепловизионных изображений могут предложить OEM-производителям и системным интеграторам широкий диапазон гибкости, когда правильный тепловизор поддерживает эти возможности.

Образец рынка радиометрических тепловизоров

В таблице 1 приведены основные параметры производительности для пяти современных радиометрических тепловизоров с пиксельным форматом QVGA.

Чтобы проиллюстрировать некоторые ключевые параметры производительности, указанные в предыдущем разделе, мы сосредоточимся на первой записи в таблице, JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha — это семейство компактных инфракрасных тепловизоров «подключи и работай», которые предлагают различные стандартные параметры конфигурации, такие как формат видео (VGA или QVGA), частота кадров, механический затвор или долговременная стабильная работа без затвора, несколько стандартные коммуникационные интерфейсы (USB, GigE и CMOS) и объективы, обеспечивающие угол обзора тепловизора от 5 до 60 градусов.

Сканеры полностью функциональны как автономные устройства, но они были разработаны для облегчения интеграции в приложения OEM (производителей оригинального оборудования). «Инструментальный» подход EVIDIR к доступным параметрам конфигурации используется для легкой настройки. Такие опции, как объективы, затвор, формат видео и коммуникационный интерфейс, являются модульными, что позволяет заказчику смешивать и подбирать их в соответствии со своим приложением.

Версии QVGA и VGA как имидж-сканера, так и радиометрического имидж-сканера имеют общие механические, оптические, электрические и командные интерфейсы, что обеспечивает простоту модернизации и минимизирует время OEM-разработки. Формирователи изображений построены на основе современных неохлаждаемых микроболометрических матриц с размером пикселя 12 мкм и стабильных, однородных тепловизионных изображений со стандартом NETD лучше 30 мК. Ядро имидж-сканера представляет собой стек из двух плат, состоящий из массива фокальной плоскости (интегрированного в печатный узел) и процессорной платы.

Родной выходной формат имидж-сканера — CMOS, и OEM-интеграторы могут использовать этот формат для минимизации размера и мощности или выбрать интерфейсную плату для преобразования вывода в требуемые стандартные форматы изображения (например, USB или GigE). Версии CMOS имидж-сканера потребляют <950 мВт для QVGA-сканера, работающего на частоте 60 Гц. Алюминиевый корпус тепловизора имеет размеры 20 мм × 30 мм × 30 мм и весит 27 г без объектива. Существуют различные адаптеры для объективов, позволяющие использовать множество готовых объективов для наилучшего соответствия применению. Радиометрические камеры проходят расширенную калибровку, но в остальном идентичны версиям тепловизора.

Обзор

Современные тепловизоры предлагают OEM-производителям более высокую производительность, более низкую стоимость и являются альтернативой ранее существовавшим на рынке тепловизионным и радиометрическим камерам QVGA и VGA. При правильном проектировании тепловизор позволяет OEM-производителям настраивать камеру в соответствии со своими задачами и минимизировать затраты.

Непрерывное совершенствование отрасли обеспечит клиентов именно тем продуктом, который соответствует их потребностям, включая датчики SXGA (1280 × 1024) с шагом 12 мкм, улучшенный датчик XGA (1024 × 768) и технологию VGA (640 × 480), повышение разрешения, субкадры, цифровой электронный зум (e-zoom) и электронная стабилизация изображения, работа с затвором или без затвора, дополнительные выбираемые частоты кадров и дополнительные электрические интерфейсы, такие как CameraLink.

Эта статья была написана д-ром Даниэлем Бреннером, MBA, отдел освещения и оптики, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Йена, Германия). Для получения дополнительной информации нажмите здесь .