热成像 - 使隐藏的细节可见

我们喜欢夏日温暖的阳光，享受一杯冷饮或在泳池中畅游，享受清凉。我们欣赏另一个人的温暖触摸，在冬天享受热茶或温暖的壁炉。我们感觉到温度，但我们无法用眼睛“看到”它。

热成像仪可以让我们看到隐藏在我们眼睛之外的这部分电磁波谱。由于我们环境中的几乎每个物体都会发出热辐射，因此即使在绝对黑暗的情况下，热成像仪也可以生成周围环境的图像。当用于安全和监视时，热成像仪几乎没有任何东西。

通过全辐射校准，这些成像仪不仅可以使温差可见，而且可以提供绝对温度测量。带有 VGA 传感器和 60 Hz 帧速率的热像仪每秒可提供超过 1840 万次单独的温度测量。

小型化和性能优化

生产一个直观的热成像仪，将热量可视化（即检测并将所考虑场景的相对热量分布转换为显示的图像）不再是最先进的技术。您可以用不到 200 美元的价格为您的 iPhone 配备热像仪附件。真正的技术挑战始于对灵敏度和测量精度的日益增长的要求——显示最小的温差或尽可能精确地测量温度——同时使热像仪小型化并满足更广泛市场的性能需求。

当今领先的热像仪制造商在单个设备中结合了最低的 NETD（噪声等效温差）和最佳的温度测量精度。从历史上看，这些高性能相机既灵敏又准确，但又大又重。这就是小型化和系统集成的趋势为热像仪开辟新应用的地方。

越来越多的应用正在使用热成像仪，将它们与其他传感器连接起来，例如彩色摄像机或激光雷达传感器。应用范围广泛，从用于公共和私人安全的智能监控摄像头到楼宇自动化；从制造过程控制到辅助消防和救援服务；从自动驾驶汽车的夜视解决方案到预测性维护。

关键性能参数

尽管这些应用多种多样，但对热像仪技术小型化和系统集成的要求也是如此——测量特性、探测器、光学器件、数据接口、外壳和其他设计和制造参数必须针对特定应用进行优化。然而，对于许多原始设备制造商和系统集成商而言，轻松集成到特定应用的系统解决方案中是一项特殊挑战，因为功能强大的热像仪通常仅作为可配置性有限的标准产品提供。

最有效的热像仪专为克服这些挑战而量身定制，正好填补了市场上的这一空白。热像仪性能和易于集成受到影响的三个方面是探测器、热像仪辐射测量能力以及所提供的光学和电气特性。

先进的检测器技术不断缩小像素间距。这一趋势主要是由手机行业推动的，在可见光相机中最为明显，但也有助于改进热成像仪。探测器像素间距越小，在保持或提高灵敏度 (NETD) 和噪声性能的同时，热成像仪的效率就越高。较小的间距通常支持较低的功率、较小的机械设计约束，并且通常可以适应较慢的 f/# 光学器件（进一步的系统尺寸和重量减轻）。此外，更小的像素间距 FPA 还允许使用更高分辨率的热成像仪，而不会显着降低尺寸、重量和功率。

辐射测量性能属性包括从仅感兴趣区域 (ROI) 测量扩展到 FPA 的每个像素的完整辐射测量、增强的温度测量精度和扩展的目标温度范围。

游戏、虚拟和增强现实、智能手机、电信和自动驾驶汽车行业的激烈市场竞争极大地提高了电子处理能力，同时降低了组件占地面积和功耗。因此，热像仪设计人员可以选择更广泛的电子元件选项，而这些选项在几年前是不存在的。更广泛的组件选项还有助于设计和集成更紧凑、更高效和更高性能的系统。同时，光学和光机制造技术也取得了进步，这使设计人员能够用非传统光学器件代替传统光学器件，从而进一步减小光学组件的尺寸和重量。当合适的热像仪支持这些选项时，这些更广泛的行业趋势，加上热成像领域内探测器和辐射测量的持续进步，可以为 OEM 和系统集成商提供广泛的灵活性。

辐射热像仪市场样本

表 1 总结了当前五款 QVGA 像素格式的辐射热像仪的一些关键性能参数。

为了说明上一节中确定的一些关键性能参数，我们关注表中的第一个条目，即 JENOPTIK EVIDIR。 EVIDIR alpha 是一系列紧凑型“即插即用”红外成像仪，提供各种标准配置选项，例如视频格式（VGA 或 QVGA）、帧速率、机械快门或长期稳定的无快门操作、多个标准通信接口（USB、GigE 和 CMOS）和镜头选项，使成像仪视野范围从 5 度到 60 度。

这些成像仪可作为独立设备完全发挥作用，但它们的设计目的是便于集成到 OEM（原始设备制造商）应用程序中。 EVIDIR 的可用配置选项“工具箱”方法用于轻松定制。镜头、快门、视频格式和通信接口等选项都是模块化的，允许客户混合搭配以最适合他们的应用。

成像仪和辐射成像仪的 QVGA 和 VGA 版本共享通用的机械、光学、电气和命令接口，以实现轻松升级并最大限度地缩短 OEM 开发时间。这些成像器围绕最先进的 12 μm 像素非制冷微测辐射热计焦平面阵列和稳定、均匀的热图像构建，具有优于 30 mK NETD 标准的热图像。成像器核心是由焦平面阵列（集成到印刷电路组件中）和处理器板组成的两板堆栈。

成像器的原生输出格式是 CMOS，OEM 集成商可以利用这种格式来最小化尺寸和功耗，或者选择接口板将输出转换为所需的标准图像格式（例如 USB 或 GigE）。对于以 60Hz 运行的 QVGA 成像器，CMOS 版本的成像器消耗 <950mW。成像器铝制外壳组件尺寸为 20mm × 30mm × 30mm，不含镜头重 27g。有各种镜头适配器允许使用大量现成的镜头来最好地匹配应用程序。辐射相机得到了增强的校准，但在其他方面与成像器版本相同。

总结

当今最先进的热像仪为 OEM 提供了更高的性能、更低的成本，是市场上先前 QVGA 和 VGA 热像仪和辐射相机的替代品。如果设计得当，热像仪定制可以让 OEM 定制热像仪以最适合他们的应用并最大限度地降低成本。

持续的行业改进将为客户提供完全适合其需求的产品，包括 12μm 间距的 SXGA (1280 × 1024) 传感器、增强型 XGA (1024 × 768) 传感器和 VGA (640 × 480) 技术、分辨率增强、子帧、数字电子变焦 (e-zoom) 和电子图像稳定、快门或无快门操作、额外的可选帧速率以及可选的电子接口，例如 CameraLink。

本文由 JENOPTIK 光学系统有限公司（德国耶拿）光与光学部工商管理硕士 Daniel Brenner 博士撰写。欲了解更多信息，请点击此处 .