熱画像—隠された詳細を可視化する

私たちは夏の太陽の暖かい光線が大好きで、冷たい飲み物やプールでのさわやかなひと泳ぎで涼むのを楽しんでいます。他の人の温かいタッチに感謝し、冬には熱いお茶や暖炉を楽しんでください。温度は感じますが、目で「見る」ことはできません。

熱画像装置は、私たちの目から隠されている電磁スペクトルのこの部分を可視化します。私たちの環境内のほぼすべてのオブジェクトが熱放射を放出するため、サーマルイメージャーは完全な暗闇の中でも周囲の画像を生成できます。セキュリティと監視に使用すると、赤外線カメラから隠されたままになることはほとんどありません。

完全な放射測定キャリブレーションにより、これらのイメージャは温度差を可視化するだけでなく、絶対温度測定を提供します。 VGAセンサーと60Hzのフレームレートを備えたサーマルイメージャーは、1秒あたり1840万回以上の個別の温度測定を行うことができます。

小型化とパフォーマンスの最適化

熱を視覚化する（つまり、検討中のシーンの相対的な熱分布を検出して表示画像に変換する）単純なサーマルイメージャーを作成することは、もはや最先端ではありません。サーマルイメージャーアドオンを使用してiPhoneを200ドル未満でアクセサリー化できます。真の技術的課題は、感度と測定精度に対する要求の高まりから始まります。つまり、最小の温度差を表示したり、温度を可能な限り正確に測定したりすると同時に、サーマルイメージャーを小型化し、より幅広い市場のパフォーマンスニーズに対応します。

今日のサーモグラフィイメージャの大手メーカーは、最小のNETD（ノイズ等価温度差）と最高の温度測定精度の両方を単一のデバイスに組み合わせています。歴史的に、これらの高性能カメラは高感度で正確でしたが、大きくて重いものでもありました。これは、小型化とシステム統合のトレンドがサーマルイメージャーの新しいアプリケーションを開いているところです。

ますます多くのアプリケーションがサーマルイメージャーを使用し、カラービデオカメラやLiDARセンサーなどの他のセンサーとリンクしています。アプリケーションは多様で、公共および民間のセキュリティ用のインテリジェント監視カメラからビルディングオートメーションまで多岐にわたります。製造プロセスの管理から消防および救助サービスの支援まで。自動運転車の暗視ソリューションから予知保全まで。

主要なパフォーマンスパラメータ

これらのアプリケーションは多様ですが、サーマルイメージャーテクノロジーの小型化とシステム統合の要件も多様です。測定特性、検出器、光学系、データインターフェイス、ハウジング、その他の設計および製造パラメーターは、特定のアプリケーションに合わせて最適化する必要があります。ただし、強力なサーマルイメージャーは構成が制限された標準製品としてのみ提供されることが多いため、アプリケーション固有のシステムソリューションへの容易な統合は、多くのOEMおよびシステムインテグレーターにとって特に課題です。

最も効果的なサーマルイメージャーは、これらの課題を克服し、市場のこのギャップを正確に埋めるように調整されています。サーマルイメージャーのパフォーマンスと統合の容易さが影響を受ける3つの領域は、検出器、イメージャーの放射分析機能、および提供される光学的および電気的機能です。

高度な検出器テクノロジーは、ピクセル間の間隔を絶えず縮小しています。この傾向は主に携帯電話業界によって推進されており、可視カメラで最も顕著ですが、サーマルイメージャーの改善にも役立っています。感度（NETD）とノイズ性能を維持または改善しながら、検出器のピクセルピッチを小さくすると、サーマルイメージャーの効果が高まります。ピッチが小さいほど、一般に、より低い電力、より小さな機械設計の制約がサポートされ、通常、より遅いf /＃光学系に対応できます（システムのサイズと重量のさらなる節約）。さらに、ピクセルピッチのFPAが小さいほど、サイズ、重量、電力に大きなペナルティを課すことなく、高解像度のサーマルイメージャーを使用できます。

放射測定のパフォーマンスプロパティには、関心領域（ROI）のみの測定から、FPAのすべてのピクセルでの完全な放射測定への拡張、温度測定の精度の向上、およびターゲット温度範囲の拡張が含まれます。

ゲーム、仮想現実および拡張現実、スマートフォン、テレコム、および自律型車両業界における激しい市場競争により、電子処理機能が劇的に向上し、コンポーネントのフットプリントと消費電力が削減されました。その結果、サーマルイメージャーの設計者は、数年前には存在しなかった幅広い電子部品オプションから選択することができます。幅広いコンポーネントオプションにより、よりコンパクトで効率的で高性能なシステムの設計と統合も容易になります。一方、光学的および光機械的製造技術も進歩しており、設計者は従来の光学系を非従来型の光学系に置き換えて、光学サブアセンブリのサイズと重量をさらに削減することができます。これらの幅広い業界トレンドは、熱画像セグメント内の継続的な検出器と放射分析の進歩と相まって、適切な熱画像装置がこれらのオプションをサポートする場合、OEMおよびシステムインテグレーターに幅広い柔軟性を提供できます。

放射熱イメージャー市場のサンプル

表1は、QVGAピクセル形式の5つの現在の放射熱画像装置の主要なパフォーマンスパラメータの数をまとめたものです。

前のセクションで特定された主要なパフォーマンスパラメータのいくつかを説明するために、表の最初のエントリであるJENOPTIKEVIDIRに焦点を当てます。 EVIDIR alphaは、コンパクトな「プラグアンドプレイ」赤外線イメージャのファミリであり、ビデオ形式（VGAまたはQVGA）、フレームレート、メカニカルシャッター、または長期安定シャッターレス動作などのさまざまな標準構成オプションを提供します。標準の通信インターフェース（USB、GigE、およびCMOS）と、5度から60度までのイメージャーの視野を可能にするレンズオプション。

イメージャはスタンドアロンデバイスとして完全に機能しますが、OEM（相手先ブランド供給）アプリケーションへの統合を容易にするように設計されています。利用可能な構成オプションのEVIDIRの「ツールボックス」アプローチは、簡単なカスタマイズのために採用されています。レンズ、シャッター、ビデオフォーマット、通信インターフェースなどのオプションはモジュール式であるため、お客様はアプリケーションに最適な組み合わせを行うことができます。

イメージャとラジオメトリックイメージャの両方のQVGAバージョンとVGAバージョンは、共通の機械的、光学的、電気的、およびコマンドインターフェイスを共有して、アップグレードを容易にし、OEM開発時間を最小限に抑えます。イメージャは、最先端の12μmピクセルの非冷却マイクロボロメータ焦点面アレイと、30mKNETD標準を超える安定した均一な熱画像を中心に構築されています。イメージャコアは、焦点面アレイ（プリント回路アセンブリに統合されている）とプロセッサボードで構成される2ボードスタックです。

イメージャのネイティブ出力フォーマットはCMOSであり、OEMインテグレータはこのフォーマットを利用してサイズと電力を最小限に抑えるか、インターフェイスボードを選択して出力を目的の標準イメージフォーマット（USBやGigEなど）に変換できます。イメージャのCMOSバージョンは、60Hzで動作するQVGAイメージャの場合、950mW未満を消費します。イメージャのアルミニウム製ハウジングアセンブリのサイズは20mm×30mm×30mmで、レンズなしの重量は27gです。さまざまなレンズアダプターがあり、アプリケーションに最適な多数の既製のレンズを利用できます。放射分析カメラは強化されたキャリブレーションを取得しますが、それ以外はイメージャのバージョンと同じです。

概要

今日の最先端のサーマルイメージャーは、OEMに、市場に出回っている以前のQVGAおよびVGAサーマルおよび放射分析カメラに代わる、より高性能で低コストの製品を提供します。適切に設計された場合、サーマルイメージャーのカスタマイズにより、OEMはアプリケーションに最適なカメラを調整し、コストを最小限に抑えることができます。

継続的な業界の強化により、12μmピッチのSXGA（1280×1024）センサー、強化されたXGA（1024×768）センサーおよびVGA（640×480）テクノロジー、解像度の強化、サブフレームなど、ニーズにぴったりの製品がお客様に提供されます。デジタル電子ズーム（eズーム）と電子画像安定化、シャッターまたはシャッターレス操作、追加の選択可能なフレームレート、CameraLinkなどのオプションの電気インターフェース。

この記事は、JENOPTIK Optical Systems GmbH（ドイツ、イエナ）の光および光学部門のMBAであるDanielBrenner博士によって執筆されました。詳細については、ここをクリックしてください 。