Warmtebeeldcamera's — Verborgen details zichtbaar maken

Wij houden van de warme stralen van de zomerzon, genieten van verkoeling met een koud drankje of een verfrissende duik in het zwembad. We waarderen de warme aanraking van een andere persoon, genieten van een hete thee of verwarmende open haard in de winter. We voelen temperatuur, maar we kunnen het niet 'zien' met onze ogen.

Warmtebeeldcamera's maken dit deel van het elektromagnetische spectrum dat voor onze ogen verborgen is, zichtbaar. Aangezien vrijwel elk object in onze omgeving warmtestraling afgeeft, kunnen warmtebeeldcamera's zelfs in absolute duisternis een beeld van de omgeving produceren. Bij gebruik voor beveiliging en bewaking blijft er weinig verborgen voor een warmtebeeldcamera.

Met volledige radiometrische kalibratie kunnen deze imagers niet alleen temperatuurverschillen zichtbaar maken, maar ook een absolute temperatuurmeting geven. Een warmtebeeldcamera met een VGA-sensor en een framerate van 60 Hz kan meer dan 18,4 miljoen individuele temperatuurmetingen per seconde geven.

Miniaturisatie en prestatie-optimalisatie

Het produceren van een eenvoudige warmtebeeldcamera die warmte visualiseert (d.w.z. de relatieve warmteverdeling van een scène in kwestie detecteert en vertaalt in een weergegeven beeld) is niet langer state-of-the-art. U kunt uw iPhone van accessoires voorzien met een warmtebeeldcamera-add-on voor minder dan $ 200. De echte technische uitdaging begint met toenemende eisen aan gevoeligheid en meetnauwkeurigheid - de kleinste temperatuurverschillen weergeven of temperaturen zo nauwkeurig mogelijk meten - terwijl tegelijkertijd de warmtebeeldcamera wordt geminiaturiseerd en toch wordt voldaan aan de prestatiebehoeften van de bredere markt.

De toonaangevende fabrikanten van thermografische camera's van vandaag combineren zowel de laagste NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) als de beste temperatuurmeetnauwkeurigheid in één enkel apparaat. Historisch gezien waren deze hoogwaardige camera's gevoelig en nauwkeurig, maar ook groot en zwaar. Dit is waar de trends van miniaturisatie en systeemintegratie nieuwe toepassingen voor warmtebeeldcamera's openen.

Steeds meer toepassingen maken gebruik van warmtebeeldcamera's en koppelen deze aan andere sensoren, zoals kleurenvideocamera's of LiDAR-sensoren. De toepassingen zijn divers en variëren van intelligente bewakingscamera's voor openbare en particuliere beveiliging tot gebouwautomatisering; van fabricageprocescontrole tot hulpmiddelen voor brandweer- en reddingsdiensten; van nachtzichtoplossingen voor autonome voertuigen tot voorspellend onderhoud.

Belangrijke prestatieparameters

Hoe divers deze toepassingen ook zijn, zo ook de vereisten voor miniaturisatie en systeemintegratie van warmtebeeldcameratechnologie - meetkarakteristieken, detectoren, optica, data-interfaces, behuizingen en andere ontwerp- en fabricageparameters moeten worden geoptimaliseerd voor de specifieke toepassing. Eenvoudige integratie in toepassingsspecifieke systeemoplossingen is echter een bijzondere uitdaging voor veel OEM's en systeemintegrators, aangezien krachtige warmtebeeldcamera's vaak alleen worden aangeboden als standaardproducten met beperkte configureerbaarheid.

De meest effectieve warmtebeeldcamera's zijn op maat gemaakt om deze uitdagingen het hoofd te bieden en precies dit gat in de markt op te vullen. Drie gebieden waarop de prestaties van warmtebeeldcamera's en het gemak van integratie worden beïnvloed, zijn de detector, de radiometrische mogelijkheden van de camera en de optische en elektrische functies die worden aangeboden.

Geavanceerde detectortechnologie verkleint voortdurend de afstand tussen pixels. Deze trend is grotendeels gedreven door de mobiele telefoonindustrie en was het duidelijkst in zichtbare camera's, maar heeft ook bijgedragen aan de verbetering van warmtebeeldcamera's. Hoe kleiner de pixelafstand van de detector – met behoud of verbetering van de gevoeligheid (NETD) en ruisprestaties – hoe effectiever een warmtebeeldcamera is. Een kleinere toonhoogte ondersteunt over het algemeen een lager vermogen, kleinere mechanische ontwerpbeperkingen en is meestal geschikt voor langzamere f / #-optica (verdere systeemgrootte en gewichtsbesparingen). Bovendien maken FPA's met een kleinere pixelafstand ook warmtebeeldcamera's met een hogere resolutie mogelijk zonder noemenswaardige nadelen in grootte, gewicht en vermogen.

Radiometrische prestatie-eigenschappen omvatten uitbreiding van alleen Region of Interest (ROI) metingen naar volledige radiometrische metingen op elke pixel van de FPA, verbeterde nauwkeurigheid van temperatuurmetingen en uitgebreide doeltemperatuurbereiken.

Extreme marktconcurrentie in de gaming-, virtual en augmented reality-, smartphone-, telecom- en autonome voertuigindustrieën heeft de elektronische verwerkingscapaciteit drastisch vergroot, terwijl de voetafdruk van componenten en het stroomverbruik zijn verminderd. Als gevolg hiervan hebben ontwerpers van warmtebeeldcamera's een breder scala aan opties voor elektronische componenten om uit te kiezen die enkele jaren geleden nog niet bestonden. De grotere verscheidenheid aan componentopties vergemakkelijkt ook het ontwerp en de integratie van compactere, efficiëntere en beter presterende systemen. Ondertussen zijn ook optische en opto-mechanische fabricagetechnieken gevorderd, waardoor ontwerpers conventionele optica kunnen vervangen door niet-traditionele optica om de grootte en het gewicht van optische subassemblages verder te verminderen. Deze bredere trends in de sector, in combinatie met de voortdurende vooruitgang op het gebied van detectoren en radiometrische binnen het warmtebeeldsegment, kunnen OEM's en systeemintegrators een breed scala aan flexibiliteit bieden wanneer de juiste warmtebeeldcamera deze opties ondersteunt.

Voorbeeld van de markt voor radiometrische warmtebeeldcamera's

Tabel 1 vat een aantal belangrijke prestatieparameters samen voor vijf huidige radiometrische warmtebeeldcamera's met een QVGA-pixelformaat.

Om enkele van de belangrijkste prestatieparameters te illustreren die in de vorige sectie zijn geïdentificeerd, concentreren we ons op het eerste item in de tabel, de JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha is een familie van compacte, "plug and play", infraroodbeeldcamera's die een verscheidenheid aan standaardconfiguratie-opties bieden, zoals videoformaat (VGA of QVGA), framesnelheid, mechanische sluiter of langdurig stabiele sluiterloze werking, meerdere standaard communicatie-interfaces (USB, GigE en CMOS) en lensopties om beeldvelden van 5 graden tot 60 graden mogelijk te maken.

De imagers zijn volledig functioneel als stand-alone apparaten, maar ze zijn ontworpen om integratie in OEM-toepassingen (original equipment manufacturer) te vergemakkelijken. EVIDIR's "toolbox"-benadering van beschikbare configuratie-opties wordt gebruikt voor eenvoudige aanpassing. Opties zoals lenzen, sluiter, videoformaat en communicatie-interface zijn modulair, zodat de klant kan mixen en matchen om het beste bij zijn toepassing te passen.

De QVGA- en VGA-versies van zowel de imager als de radiometrische imagers delen gemeenschappelijke mechanische, optische, elektrische en commando-interfaces om eenvoudige upgrades mogelijk te maken en de OEM-ontwikkelingstijd te minimaliseren. De imagers zijn gebouwd rond ultramoderne, 12 μm pixel, ongekoelde micro-bolometer focal plane arrays en stabiele, uniforme, thermische beelden met een NETD-standaard van beter dan 30 mK. De imager-kern is een stapel met twee kaarten die bestaat uit de focal plane array (geïntegreerd in een printplaat) en een processorkaart.

Het oorspronkelijke uitvoerformaat van de imager is CMOS en OEM-integrators kunnen dit formaat gebruiken om de grootte en het vermogen te minimaliseren of een interfacekaart selecteren om de uitvoer om te zetten naar de gewenste standaard afbeeldingsindelingen (bijv. USB of GigE). CMOS-versies van de imager verbruiken <950mW voor een QVGA-imager die draait op 60Hz. De aluminium behuizing van de imager meet 20 mm × 30 mm × 30 mm en weegt 27 g zonder lens. Er zijn verschillende lensadapters waarmee een groot aantal standaard lenzen kan worden gebruikt om het beste bij de toepassing te passen. Radiometrische camera's krijgen een verbeterde kalibratie, maar zijn verder identiek aan de imager-versies.

Samenvatting

De ultramoderne warmtebeeldcamera's van vandaag bieden OEM's een beter presterend, goedkoper alternatief voor eerdere QVGA- en VGA-warmtebeeldcamera's en radiometrische camera's op de markt. Als de warmtebeeldcamera op de juiste manier is ontworpen, kunnen OEM's de camera aanpassen aan hun toepassing en de kosten minimaliseren.

Doorlopende verbeteringen in de sector zullen klanten precies het juiste product voor hun behoeften bieden, waaronder SXGA (1280 × 1024) sensoren met 12 μm pitch, verbeterde XGA (1024 × 768) sensor en VGA (640 × 480) technologie, resolutieverbetering, subframes, digitale elektronische zoom (e-zoom) en elektronische beeldstabilisatie, sluiter- of sluiterloze bediening, extra selecteerbare framesnelheden en optionele elektrische interfaces zoals CameraLink.

Dit artikel is geschreven door Dr. Daniel Brenner, MBA, Light &Optics Division, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Duitsland). Klik hier voor meer informatie .