赤外線熱画像アプリケーションのサイズ、電力、およびコストの削減

熱画像は、工業製品の製造や加工からセキュリティや監視まで、幅広いアプリケーションで使用されています。サーマルカメラで測定される波長は光学イメージングで測定される波長よりも長いため、サーマルイメージングアプリケーションの開発者は、従来のビジョンアプリケーションで使用されるものとは異なる方法で設計に取り組む必要があります。熱画像と光学画像の違いを理解することで、開発者は設計を最適化して適切な種類の外部メモリを利用できるため、システムが小さくなり、複雑さが軽減され、消費電力が削減され、最終的にシステムコストが削減されます。

赤外線スペクトル

人間の目は、可視スペクトルと呼ばれるより大きな電磁スペクトルのごく一部しか捉えることができません。この領域の外側には、X線、紫外線（UV）、赤外線（IR）、マイクロ波などの他のスペクトルがあり、その周波数と波長によって人間の目には識別できません。

この議論で特に重要なのは、IRスペクトルです。 IRスペクトルは、物体によって発生する熱を検出および測定する手段を提供します。これは「ヒートシグネチャ」と呼ばれます。オブジェクトが高温になるほど、生成される赤外線放射が多くなります。

赤外線カメラは、赤外線をキャプチャして、目で見ることができる画像に変換できる機器です。赤外線画像は元々夜間に敵の標的を特定するために開発されましたが、熱画像は現在、次のようなさまざまな種類のアプリケーションで使用されています。

• 予防的な早期火災検知とプラント状態監視
• ファクトリオートメーション（インダストリー4.0）での製造と処理
• 家がドアや窓のひび割れによって熱を失っている可能性がある場所を特定するなどの省エネ。
• 境界保護などの夜間監視
• 暴風雨やハリケーンなどの気象追跡
• さまざまな障害や病気の診断。
• 車両（飛行機や電車など）の検査
• 野生生物保護、農業、畜産
• 災害救助と復旧

温度測定を利用するアプリケーションのリストは増え続けています。企業が研究開発に投資するにつれて、赤外線カメラはより良く、より安価になるだけであり、レクリエーションから研究まで、さらに多くのアプリケーションへの道を見つけるでしょう。

サーマルカメラは、センサー、視野、フレームレート、物理構成から選択できます。サーマルカメラは、レンズ、赤外線センサー、および画像プロセッサ、FPGA、メモリ、通信、ディスプレイ電子機器で構成される処理電子機器を備えた機械式ハウジングで構成されています。レンズは赤外線エネルギーをセンサーに集中させ、センサーは環境内のあらゆる物体の熱特性を測定します。

熱センサーには、80×60から1280×1024ピクセル以上まで、さまざまなピクセル構成があります。これらの解像度は、可視光イメージャと比較して低いことに注意してください。熱検出器は可視光よりもはるかに長い波長のエネルギーを感知する必要があるため、各センサー要素も大幅に大きくする必要があります。標準的な民生用カメラのピクセルサイズは約1.7µmであるのに対し、産業用マシンビジョンカメラのピクセルサイズは4.6µmから6.5µmの範囲であり、より良い信号を得るために、より大きな光活性面を備えていると考えてください。赤外線カメラには、25µmのピクセルサイズのさらに大きなセンサーがあります。その結果、赤外線カメラの解像度は通常、同じ機械的サイズの可視センサーよりもはるかに低くなります（つまり、全体のピクセル数が少なくなります）。

ピクセルサイズが大きくなると解像度が低下しますが、赤外線カメラで感知される熱を非常に正確に測定できることにも注意してください。これは、さまざまなアプリケーションにとって重要です。たとえば、一部の赤外線カメラは、わずか0.01°Cの熱のわずかな違いを検出し、それらを灰色の陰影として、または異なるカラーパレットを使用して表示できます。

メモリの課題

サーマルカメラ内のFPGAは、センサーと検出器によって生成された信号をフィルタリングして処理します。多くの場合、FPGA内のRAMブロックは、データの保存と処理には不十分です。システムは、アルゴリズムの実行、データの表示、通信のバッファリングなどのタスクをオフチップの画像メモリに依存する必要があります。拡張メモリには、拡張密度の要件を満たすように設計をスケーラブルにできるという追加の利点もあります。

従来、OEMはDDRインターフェイスを利用したオフチップストレージにDRAMを使用していました。ただし、熱画像の画像解像度要件が低いことを考えると、オフチップメモリ​​要件は光学カメラで必要とされるよりも大幅に低くなります。そのため、高密度DRAMは過剰であり、実際のメリットを提供せずに製品コストを増加させる可能性があります。また、DRAMは通常、データ転送に30ピン以上を必要とします。これらのピンは、追加の信号ルーティングと、これらの信号トレースを実行するための追加のPCB層を必要とするという点で、システムのオーバーヘッドを増加させます。さらに、DRAMは揮発性であるため、データを保持するためにセルを定期的に更新する必要があります。したがって、大きすぎるDRAMを使用すると、消費電力が大きくなり、バッテリ駆動の熱画像アプリケーションの動作寿命に直接影響します。

DRAMのメモリの課題に対処するために、カメラOEMはHyperRAMメモリなどの代替メモリテクノロジを使用しています。 HyperRAMはDRAMアーキテクチャに基づいており、セルフリフレッシュ回路が組み込まれています。必要なアクティブ電流はわずか25mAで、HyperRAMの消費電力はDRAMに比べて数分の1であり（表1を参照）、ポータブルアプリケーションに十分な電力効率を実現します。

表：HyperRAMとシングルデータレート（SDR）DRAMの比較。 [*注：比較では、ベースとして64Mbデバイスを使用しています。]（出典：Infineon Technologies）

HyperBusメモリインターフェイスおよびプロトコルは、DDRと同等の400MBpsを提供しますが、データ転送に必要なピンはわずか12ピンです。高価なDDRDRAMメモリコントローラーを実装する必要はなく、ゲートカウント効率の高いHyperBusメモリコントローラーをFPGAのソフトIPに実装できるため、オフチップ拡張メモリへの最適かつ効率的なアプローチになります（図1を参照）。

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図1 :(左）外部DDR SDRAMとNORフラッシュを使用するカメラには、PCB層を6つ以上に増やす合計41ピンの2つのメモリバスが必要です。 （右）外部メモリにHyperRAMとHyperFlashを使用するカメラは、13ピンの単一バスを介して通信でき、必要なPCB層は2〜4つだけです。 （出典：インフィニオンテクノロジーズ）

ほとんどのカメラ設計には、電源がオフ（バッテリー電源）または電源障害が発生したときに保持する必要のあるパラメーターやその他の重要な情報を保存するための外部NORフラッシュの要件もあります。標準のNORフラッシュでは、バスインターフェイスにさらに10ピンが必要になり、ピンの合計は41になります。NORフラッシュの代わりに、OEMはHyperFlashメモリを使用できます。

HyperFlashは、HyperBusインターフェースを利用するNORフラッシュです。これにより、システムはHyperRAMデバイスとHyperFlashデバイスの両方とのインターフェイスに同じバスを利用して、全体的なピン数をさらに減らすことができます。この場合、インターフェースに必要なピンは合計13個だけです。データ転送用に12個のピン、チップセレクトとして使用するために1個の追加ピンです。これを、個別のDDRDRAMおよびQSPINORフラッシュデバイスに必要となる可能性のある41以上のピンと比較してください。

HyperRAM拡張メモリは、イメージメモリ用のDRAMの代わりに、産業用マシンビジョンアプリケーションでも使用できることに注意してください。ピン数の少ないパッケージで、HyperRAMは64Mbから512Mbの範囲の密度で利用でき、HyperBusとOctal xSPIJEDEC準拠のインターフェイスの両方をサポートします。 HyperBusはパートナーのエコシステムによってサポートされており、HyperBusメモリコントローラーは、FPGAにコントローラーを実装するためのRTLIPとしても利用できます。

赤外線カメラの開発者は、光学カメラの設計者が直面するものとは異なる課題に取り組む必要があります。 OEMは、熱画像システムの要件に一致する外部メモリテクノロジーを選択することで、信号トレースを簡素化し、必要なPCB層の数を減らし、システム全体のコストを削減し、消費電力を削減して動作寿命を延ばすことができます。

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> ボビージョン インフィニオンテクノロジーズのメモリソリューションビジネスのシニアプロダクトマーケティングマネージャーであり、半導体業界のさまざまな役割で13年以上の経験があります。

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