Thermische Imaging: Onthullen van Verborgen Details voor Precieze Analyse

We genieten van de warme stralen van de zomerszon, genieten van afkoelen met een koude drank of een verfrissende duik in het zwembad. We waarderen de warme aanraking van een ander, genieten van een hete thee of een warmende open haard in de winter. We voelen temperatuur, maar we kunnen het niet 'zien' met onze ogen.

Thermische Beeldvorming Maakt Onzichtbaar Zichtbaar

Thermische imagers maken zichtbaar dit deel van het elektromagnetische spectrum dat verborgen is voor onze ogen. Omdat vrijwel elk object in onze omgeving thermische straling uitzendt, kunnen thermische imagers een beeld van de omgeving produceren zelfs in absolute duisternis. Wanneer gebruikt voor beveiliging & surveillance, blijft weinig verborgen voor een thermische imager.

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

Miniaturisatie en Prestatie-optimalisatie

Het produceren van een eenvoudige thermische imager die hitte visualiseert (namelijk detecteert en vertaalt de relatieve hitteverdeling van een scène onder overweging in een weergegeven beeld) is niet meer state-of-the-art. Je kunt je iPhone accessoiren met een thermische imager add-on voor minder dan $200. De echte technische uitdaging begint met toenemende eisen aan gevoeligheid en meetnauwkeurigheid – het weergeven van de kleinste temperatuurverschillen of het meten van temperaturen zo nauwkeurig mogelijk – terwijl de thermische imager tegelijkertijd geminiaturiseerd wordt en nog steeds aan de prestatiebehoeftes van de bredere markt voldoet.

Tegenwoordig combineren toonaangevende fabrikanten van thermografische imagers zowel de laagste NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) als de beste temperatuurmeetnauwkeurigheid in een enkel apparaat. Historisch waren deze hoge-prestatie camera's gevoelig en nauwkeurig – maar ook groot en zwaar. Hier is waar de trends van miniaturisatie en systeemintegratie nieuwe toepassingen voor thermische imagers openen.

Meer en meer toepassingen gebruiken thermische imagers, koppelend ze met andere sensoren, zoals kleurenvideocamera's of LiDAR-sensoren. De toepassingen zijn divers en variëren van intelligente surveillancecamera's voor publieke en privés beveiliging tot gebouwautomatisering; van productieprocescontrole tot hulpmiddelen voor brandbestrijding en reddingsdiensten; van nachtvisieoplossingen voor autonome voertuigen tot predictieve onderhoud.

Kernprestatieparameters

Zo divers als deze toepassingen zijn, zo divers zijn ook de eisen aan thermische imager technologie miniaturisatie en systeemintegratie – meetkarakteristieken, detectors, optica, data-interfaces, behuizingen en andere ontwerp- en productieparameters moeten geoptimaliseerd worden voor de specifieke toepassing. Echter, gemakkelijke integratie in toepassingsspecifieke systeemoplossingen is een bijzondere uitdaging voor veel OEMs en systeemintegrators, aangezien krachtige thermische imagers vaak alleen als standaardproducten aangeboden worden met beperkte configureerbaarheid.

De meest effectieve thermische imagers zijn afgestemd om deze uitdagingen te overwinnen en precies deze marktkloof te vullen. Drie gebieden waar thermische imager prestaties en gemak van integratie worden beïnvloed, liggen in de detector, imager radiometrische capaciteiten, en de optische & elektrische functies die aangeboden worden.

Geavanceerde Detectortechnologie

Geavanceerde detectortechnologie verlaagt constant de pixel-naar-pixel afstand. Deze trend is grotendeels gedreven door de mobiele telefoonindustrie en is het meest zichtbaar geweest in zichtbare camera's, maar heeft thermische imagers ook geholpen te verbeteren. Hoe kleiner de detector pixel pitch – terwijl gevoeligheid (NETD) en ruisprestaties behouden of verbeterd blijven – hoe effectiever een thermische imager is. Kleinere pitch ondersteunt doorgaans lager vermogen, kleinere mechanische ontwerpbeperkingen, en kan meestal langzamere f/# optica accommoderen (verdere systeembesparing in grootte en gewicht). Bovendien laten kleinere pixel pitch FPAs ook hogere resolutie thermische imagers toe zonder significante straf in grootte, gewicht, en vermogen.

Radiometrische Prestaties

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

Extreme marktconcurrentie in de gaming, virtuele en augmented reality, smartphone, telecom, en autonome voertuigindustrieën heeft de elektronische verwerkingscapaciteiten dramatisch verhoogd terwijl componentenvoetafdruk en vermogensverbruik gedreven werden. Als resultaat hebben thermische imager ontwerpers een breder scala aan elektronische componentopties om uit te kiezen die niet bestonden enkele jaren geleden. De bredere verscheidenheid aan componentopties faciliteert ook het ontwerp en de integratie van meer compacte, meer efficiënte, en hoger-presterende systemen. Tegelijkertijd hebben optische en optomechanische fabricagetechnieken ook vooruitgegang, wat ontwerpers in staat stelt conventionele optica te vervangen door niet-traditionele optica om de grootte en het gewicht van optische subassemblages verder te verminderen. Deze bredere industrietrends, gecombineerd met voortgesette detector- en radiometrische vooruitgang binnen het thermische imaging-segment, kunnen OEMs en systeemintegrators een breed bereik aan flexibiliteit bieden wanneer de juiste thermische imager deze opties ondersteunt.

Marktvoorbeeld Radiometrische Thermische Imagers

Tabel 1 vat een aantal kernprestatieparameters samen voor vijf huidige radiometrische thermische imagers met een QVGA-pixelformaat.

Om enkele van de kernprestatieparameters geïdentificeerd in de vorige sectie te illustreren, richten we ons op de eerste entry in de tabel, de JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha is een familie van compacte, "plug and play", infrarood imagers die een verscheidenheid aan standaard configuratieopties bieden zoals videoformaat (VGA of QVGA), framesnelheid, mechanische sluiter of langdurig stabiele sluiterloze operatie, meerdere standaard communicatie-interfaces (USB, GigE, en CMOS) en lensopties om imager fields of view van 5 graden tot 60 graden toe te laten.

De imagers zijn volledig functioneel als zelfstandige apparaten, maar zijn ontworpen om integratie in OEM (original equipment manufacturer) toepassingen te faciliteren. EVIDIR's "toolbox" benadering van beschikbare configuratieopties wordt ingezet voor gemakkelijke aanpassing. Opties zoals lenzen, sluiter, videoformaat, en communicatie-interface zijn modulair, wat de klant in staat stelt om te mixen en matchen om hun toepassing het beste te passen.

De QVGA en VGA versies van zowel de imager als radiometrische imagers delen gemeenschappelijke mechanische, optische, elektrische en commando-interfaces om eenvoudige upgradebaarheid toe te staan en OEM-ontwikkelingstijd te minimaliseren. De imagers zijn gebouwd rond state-of-the-art, 12 µm pixel, ongekoelde microbolometer focalevlakarrays en stabiele, uniforme, thermische beelden met beter dan 30 mK NETD standaard. De imager-kern is een twee-bordstapel bestaande uit het focalevlakarray (geïntegreerd in een printed circuit assembly) en processor bord.

Het native outputformaat van de imager is CMOS en OEM-integratoren kunnen dit formaat benutten om grootte en vermogen te minimaliseren of een interfacebord selecteren om de output te converteren naar de gewenste standaardbeeldformaten (bijv. USB of GigE). CMOS-versies van de imager trekken <950mW voor een QVGA imager draaiend op 60Hz. De imager aluminium behuizing meet 20mm × 30mm × 30mm en weegt 27g zonder lens. Er zijn diverse lensadapters om een menigte van off-the-shelf lenzen te benutten om de toepassing het beste te matchen. Radiometrische camera's krijgen een verbeterde kalibratie, maar zijn verder identiek aan de imager-versies.

Samenvatting

Vandaag de dag state-of-the-art thermische imagers bieden OEMs een hogere prestatie, lagere kosten, alternatief voor eerdere QVGA en VGA thermische en radiometrische camera's op de markt. Wanneer adequaat ontworpen, laat thermische imager aanpassing OEM's toe de camera te vestigen om hun toepassing het beste te passen en kosten te minimaliseren.

Voortgesette industrieverbeteringen zullen klanten voorzien van precies het juiste product voor hun behoeften inclusief SXGA (1280 × 1024) sensoren met 12µm pitch, verbeterde XGA (1024 × 768) sensor en VGA (640 × 480) technologie, resolutieverbetering, sub-frames, digitale elektronische zoom (e-zoom) en elektronische beeldstabilisatie, sluiter of sluiterloze operatie, additionele 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). Voor meer informatie, klik hier.