Термальная визуализация: раскрытие скрытых деталей для точного анализа

Видимое невидимое: тепловое излучение каждого объекта

Мы любим тёплые лучи летнего солнца, наслаждаемся охлаждением холодным напитком или освежающим плаванием в бассейне. Мы ценим тёплое прикосновение другого человека, наслаждаемся горячим чаем или камином зимой. Мы чувствуем температуру, но не можем «увидеть её» глазами.

Тепловизоры делают видимой эту часть электромагнитного спектра, скрытую от наших глаз. Поскольку практически каждый объект в нашей среде излучает тепловое излучение, тепловизоры могут производить изображение окружения даже в абсолютной темноте. При использовании для безопасности и наблюдения мало что остаётся скрытым от тепловизора.

С полной радиометрической калибровкой эти образцы могут не только делать видимыми температурные различия, но и предоставлять абсолютное измерение температуры. Тепловизор с VGA сенсором и 60 Гц кадровой частотой может давать более 18.4 миллионов отдельных измерений температуры в секунду.

Миниатюризация и оптимизация производительности

Производство простого тепловизора, визуализирующего тепло (т.е. обнаруживающего и переводящего относительное тепловое распределение сцены в отображаемое изображение) больше не является передовой технологией. Можно аксессуаризировать свой iPhone аддоном тепловизора за менее чем $200. Реальный технический вызов начинается с растущих требований к чувствительности и точности измерения — отображению наименьших температурных различий или измерению температур максимально точно — при одновременной миниатюризации тепловизора и выполнении потребностей производительности более широкого рынка.

Сегодня ведущие производители термографических образцов комбинируют и наименьший NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) и лучшую точность измерения температуры в одном устройстве. Исторически эти высокопроизводительные камеры были чувствительными и точными — но также большими и тяжёлыми. Именно здесь тренды миниатюризации и системной интеграции открывают новые применения для тепловизоров.

Всё больше применений используют тепловизоры, связывая их с другими сенсорами, такими как цветные видеокамеры или LiDAR сенсоры. Применения разнообразны и варьируются от интеллектуальных камер наблюдения для публичной и частной безопасности к автоматизации зданий; от контроля производственных процессов к помощи пожарным и спасательным службам; от ночных видений для автономных автомобилей к предиктивному обслуживанию.

Ключевые параметры производительности: детектор, радиометрия, опто-электрика

Так разнообразны эти применения, так же разнообразны требования к технологии миниатюризации и системной интеграции тепловизоров — измерительные характеристики, детекторы, оптика, данные интерфейсы, корпуса и другие параметры дизайна и производства должны быть оптимизированы для специфического применения. Однако легкая интеграция в приложения-специфические системные решения — особая проблема для многих OEM и системных интеграторов, так как мощные тепловизоры часто предлагаются только как стандартные продукты с ограниченной конфигурируемостью.

Наиболее эффективные тепловизоры адаптированы для преодоления этих вызовов и заполнения именно этого пробела на рынке. Три области, где производительность тепловизора и легкость интеграции влияют — детектор, радиометрические возможности образца и оптико-электрические функции, которые предлагаются.

Передовые детекторы: уменьшающийся пиксельный питч

Передовая детекторная технология постоянно уменьшает расстояние между пикселями. Этот тренд во многом был движим мобильной телефонной индустрией и был наиболее очевиден в видимых камерах, но помог улучшить тепловизоры тоже. Чем меньше пиксельный питч детектора — при сохранении или улучшении чувствительности (NETD) и шумовой производительности — тем более эффективен тепловизор. Меньший питч обычно поддерживает более низкое энергопотребление, меньшие механические ограничения дизайна и обычно может приспосабливать более медленные f/# оптики (дальнейшая экономия размера и веса системы). Дополнительно, более мелкие пиксельные FPA также позволяют более высокое разрешение тепловизоров без значительного штрафа в размере, весе и энергии.

Радиометрическая производительность: полная калибровка каждого пикселя

Радиометрические свойства производительности включают расширение из измерений только Region of Interest (ROI) до полных радиометрических измерений на каждом пикселе FPA, улучшенную точность измерения температуры и расширенные целевые температурные диапазоны.

Экстремальная рыночная конкуренция в игровой, виртуальной и дополненной реальности, смартфонной, телеком и автономных автомобильных индустриях драматически увеличила возможности электронной обработки, снижая размер компонентов и энергопотребление. В результате дизайнеры тепловизоров имеют более широкий массив вариантов электронных компонентов для выбора, которых не существовало несколько лет назад. Более широкий спектр вариантов компонентов также облегчает дизайн и интеграцию более компактных, более эффективных и более высокопроизводительных систем. В то же время оптические и оптико-механические фабрикационные техники также продвинулись, позволяя дизайнерам заменять конвенциональную оптику нестандартной оптикой для дальнейшего уменьшения размера и веса оптических подсборок. Эти более широкие индустриальные тренды, в сочетании с продолжающимися детекторными и радиометрическими прогрессами в сегменте термальной визуализации, могут предложить OEM и системным интеграторам широкий спектр гибкости, когда правильный тепловизор поддерживает эти опции.

Обзор рынка радиометрических тепловизоров: JENOPTIK EVIDIR

Таблица 1 резюмирует ряд ключевых параметров производительности для пяти текущих радиометрических тепловизоров с QVGA пиксельным форматом.

Для иллюстрации некоторых ключевых параметров производительности, определённых в предыдущем разделе, мы фокусируемся на первой записи в таблице, JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha — семейство компактных «plug and play» инфракрасных образцов, предлагающих множество стандартных опций конфигурации, таких как видеоформат (VGA или QVGA), кадровая частота, механический затвор или долговременная стабильная беззатворная операция, множественные стандартные коммуникационные интерфейсы (USB, GigE и CMOS) и опции линз для полей зрения образца от 5 до 60 градусов.

Образцы полностью функциональны как автономные устройства, но они спроектированы для облегчения интеграции в OEM (оригинальный производитель оборудования) применения. Подход EVIDIR «инструментарий» доступных опций конфигурации используется для легкой кастомизации. Опции такие как линзы, затвор, видеоформат и коммуникационный интерфейс модульны, позволяя клиенту комбинировать для наилучшего соответствия их применению.

QVGA и VGA версии как образца, так и радиометрического образца делят общие механические, оптические, электрические и командные интерфейсы для легкой апгрейдности и минимизации времени OEM разработки. Образцы построены вокруг передового 12 мкм пикселя, неохлаждаемого микроболометрического фокального плоского массива и стабильных, равномерных термальных изображений с NETD лучше 30 мК стандарт. Ядро образца — двухплатинный стек, состоящий из фокального плоского массива (интегрированного в печатную схему) и процессорной платы.

Нативный выходной формат образца — CMOS и OEM интеграторы могут использовать этот формат для минимизации размера и энергии или выбрать интерфейсную плату для конвертации выхода в желаемые стандартные образцовые форматы (например USB или GigE). CMOS версии образца потребляют <950 мВт для QVGA образца на 60 Гц. Алюминиевая корпусная сборка образца измеряет 20мм × 30мм × 30мм и весит 27г без линзы. Существуют различные линзовые адаптеры для множества готовых линз для лучшего соответствия применению. Радиометрические камеры получают усиленную калибровку, но иначе идентичны версиям образцов.

Резюме

Сегодняшние передовой тепловизоры предлагают OEM более высокую производительность, более низкую стоимость альтернативу предыдущим QVGA и VGA термальным и радиометрическим камерам на рынке. Когда спроектированы должным образом, кастомизация тепловизора позволяет OEM адаптировать камеру наилучшим образом для их применения и минимизировать стоимость.

Продолжающиеся индустриальные улучшения предоставят клиентам именно правильный продукт для их потребностей, включая SXGA (1280 × 1024) сенсоры с 12мкм питчем, улучшенные XGA (1024 × 768) сенсоры и VGA (640 × 480) технологии, улучшение разрешения, под-кадры, цифровой электронный зум (e-zoom) и электронная стабилизация изображения, затворная или беззатворная операция, дополнительные выбираемые кадровые частоты и опциональные электрические интерфейсы такие как CameraLink.

Эта статья написана д-ром Даниэлем Бреннером, MBA, дивизион Light & Optics, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Йена, Германия). Для получения дополнительной информации нажмите здесь .