赤外線サーマルイメージングシステムにおけるサイズ、電力、コストの最適化

サーマルイメージングは、産業製造、セキュリティ、環境モニタリングに広がっています。赤外線波長は可視光と異なるため、設計者は最適なパフォーマンスのためにハードウェアを調整する必要があり、より小型、低消費電力、コスト効率の良いシステムが実現します。

赤外線スペクトラム

人間の目は電磁スペクトルの可視部分のみを捉えます。赤外線（IR）放射は可視光の外側にあり、熱シグネチャの検出の鍵となります。物体の温度が直接そのIR出力を決定します。

元々は夜間標的捕捉に使用されていましたが、サーマルカメラは現在、以下を含む幅広い用途に対応しています:

• 早期火災検出と植物健康モニタリング
• 工場自動化とインダストリー4.0プロセス
• 建物の熱漏れを特定するエネルギー診断
• 夜間の境界および野生生物監視
• 嵐とハリケーンの追跡
• 温度異常の医療診断
• 航空機、列車、その他重機の検査
• 野生生物保護と精密農業
• 災害対応と救助作業

用途リストの拡大が継続的なR&D投資を促し、サーマルカメラをますます強力かつ手頃なものにしています。

典型的なサーマルカメラは、ハウジング、レンズ、IRセンサ、車載エレクトロニクス（画像プロセッサ、FPGA、メモリ、通信、ディスプレイ回路）で構成されます。レンズがIRエネルギーをセンサに集中させ、熱シグネチャを可視画像に変換します。

IRセンサは80×60から1280×1024ピクセルまで利用可能です。可視光カメラと比較して、各ピクセルはより大きく（コンシューマセンサの1.7 µmに対し≈25 µm）なければならず、より長い波長を捕捉します。したがって、サーマルカメラは全体的な解像度が低いものの、より大きなピクセルサイズにより精密な温度測定が可能です。一部モデルでは0.01°Cの差異を検出できます。

メモリの課題

サーマルカメラのFPGAは生のセンサデータを処理します。内蔵RAMが不十分なことが多く、設計者はアルゴリズム、ディスプレイバッファリング、通信のためにオフチップメモリに依存します。オフチップストレージは、将来的な密度増加への拡張性も提供します。

従来、この目的にはDDR DRAMが使用されてきました。しかし、サーマル画像の控えめな解像度では、高密度DRAMは不要であり、コスト、ピン数、消費電力を増やすだけです。DRAMの揮発性は定期的なリフレッシュを必要とし、さらなる消費増を招きます。これはバッテリ駆動デバイスにとって問題です。

InfineonのHyperRAMがこれらの制限に対処します。内蔵セルフリフレッシュ機能付きDRAMコア上に構築されたHyperRAMは、25 mAのみを消費し、同等のスループット（≈400 MB/s）を提供しながら消費電力を大幅に削減します。12ピンのHyperBusインターフェースを使用し、DDRの30ピン以上より大幅に少なく、PCB配線と層数を簡素化します。

表: HyperRAM vs SDR DRAM（64 Mbデバイス）。出典: Infineon Technologies

HyperBusメモリコントローラはFPGA内でソフトIPとして実装可能で、かさばるDDRコントローラを不要にします。図1はピン数の優位性を示します：DDRベースシステムでは2つのバスで合計41ピンと6層PCBが必要ですが、HyperRAM/HyperFlashシステムでは単一の13ピンバスと2〜4層で済みます。

図1: DDR-SDRAM/NOR FlashとHyperRAM/HyperFlashのピン数比較。出典: Infineon Technologies

外部NOR Flashも不揮発性設定ストレージとして一般的です。HyperFlash（HyperBusインターフェースを持つNOR Flash）は、HyperRAMと同じ13ピンバスを共有でき、ピン数を41以上からわずか13に削減します。HyperFlashとHyperRAMは64〜512 Mb密度で利用可能で、HyperBusとOctal xSPIのJEDEC準拠インターフェースを備えます。

サーマルイメージング要件に合致するメモリを選択することで、OEMはPCB設計を合理化し、コストを削減し、消費電力を抑え、バッテリ寿命を延ばせます。

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Bobby John氏は、Infineon Technologiesのメモリソリューション事業部門でシニアプロダクトマーケティングマネージャーを務め、半導体業界でのさまざまな役割で13年以上の経験を持っています。

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