如今,政府和私人安全機(jī)構(gòu)為了減少犯罪或改善公共安全,越來越多的開始應(yīng)用熱像儀。各種監(jiān)控?cái)z像頭和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)安全攝像頭在城市、酒店、商超、娛樂場(chǎng)所、體育場(chǎng)館和其他商業(yè)及工業(yè)區(qū)隨處可見。
搭載紅外探測(cè)器的攝像頭需要主動(dòng)冷卻,以最大限度地降低熱噪聲,改善圖像分辨率
搭載紅外探測(cè)器的熱像儀通常用于改善夜間的設(shè)施和邊界安全。近兩年,為了管控新冠疫情(COVID-19)流行,熱像儀已經(jīng)作為一種必要的安全措施來篩查人員的體溫。
根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的報(bào)告數(shù)據(jù),由于公共安全和安保關(guān)注度的提高、監(jiān)控?cái)z像頭的日益普及和需求增長(zhǎng),全球視頻監(jiān)控市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的455億美元增長(zhǎng)到2025年的746億美元。
另有數(shù)據(jù)顯示,2018年僅IP攝像頭市場(chǎng)規(guī)模就超過了80億美元,預(yù)計(jì)2019年~2025年期間將以14%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng),到2025年全球產(chǎn)業(yè)出貨量預(yù)計(jì)將超過1億臺(tái)。
此外,2019年全球紅外相機(jī)市場(chǎng)規(guī)模超過了60億美元,預(yù)計(jì)2020年~2026年期間將以7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
應(yīng)用背景
監(jiān)控?cái)z像頭應(yīng)用了多種光電技術(shù),所有這些技術(shù)都需要溫度穩(wěn)定以達(dá)到最佳的性能。數(shù)字安防攝像頭通常采用兩種主要類型的圖像傳感器:電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器。這兩種圖像傳感器都采用復(fù)雜的2D光電探測(cè)器陣列(像素)將光子轉(zhuǎn)換為電荷,然后將這些電荷放大和數(shù)字化,以創(chuàng)建數(shù)字圖像。兩者之間的區(qū)別在于如何以及在何處完成這一過程。
現(xiàn)在,很多安防攝像頭都采用熱成像技術(shù)進(jìn)行夜間監(jiān)測(cè)。類似普通相機(jī)利用可見光成像,這些相機(jī)利用紅外輻射進(jìn)行成像??梢姽庀鄼C(jī)的敏感波段大約為400~700 nm,紅外相機(jī)對(duì)1000 nm~14000 nm的波長(zhǎng)敏感。而熱成像相機(jī)則使用焦平面陣列來對(duì)更長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)作出響應(yīng)。
有些智能熱像儀包括功能強(qiáng)大的視頻處理器,能夠處理和分析成像以實(shí)現(xiàn)更精確的檢測(cè)。先進(jìn)的視頻處理技術(shù)還能夠使熱像儀具有更寬廣的覆蓋范圍,使其能夠在超過600米的距離檢測(cè)人體大小的目標(biāo)。熱像儀大致可分為兩種類型:制冷型和非制冷型。制冷型探測(cè)器,可以最大限度地提高探測(cè)性能和觀察范圍。
3D相機(jī)能夠像人類的雙眼一樣感知場(chǎng)景深度,生成三維圖像。有些3D相機(jī)使用兩個(gè)或多個(gè)攝像頭來記錄多個(gè)視點(diǎn),也有3D相機(jī)采用單個(gè)攝像頭移動(dòng)位置來完成拍攝。2D相機(jī)基于陰影數(shù)據(jù)探測(cè)、識(shí)別成像物體的外觀及尺寸,而3D相機(jī)則包含深度信息或者說xyz三維坐標(biāo),利用三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以獲得物體的體積和截面信息。
3D檢測(cè)可以識(shí)別跟物體圖案相近的微小缺陷,這用2D成像很難實(shí)現(xiàn)。隨著3D相機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展?,F(xiàn)在,3D相機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)器人定位、自動(dòng)化檢測(cè)以及制造和測(cè)試應(yīng)用的特征識(shí)別,現(xiàn)在它們正被引入體育場(chǎng)館和娛樂場(chǎng)所,以改善用戶體驗(yàn)。
熱管理挑戰(zhàn)
無論采用何種成像技術(shù),在應(yīng)用過程中,成像敏感元件的工作溫度都必須保持在最高極限以下,以確保高質(zhì)量成像。例如,監(jiān)控?zé)嵯駜x利用紅外探測(cè)器捕捉目標(biāo)物體的輻射熱,并將其轉(zhuǎn)換為視覺圖像。為了獲得最高的圖像質(zhì)量,紅外探測(cè)器必須冷卻到零度以下,以最小化熱噪聲,熱噪聲會(huì)破壞或影響成像質(zhì)量。被動(dòng)冷卻技術(shù)(如散熱器和風(fēng)扇)通常不足以冷卻熱像儀,因?yàn)樗鼈円话銦o法冷卻到環(huán)境溫度以下。下一代熱電冷卻器可提供主動(dòng)熱管理解決方案,滿足熱像儀中光電器件所要求的尺寸限制和高溫度等級(jí)。
工程師在設(shè)計(jì)熱像儀時(shí)可能面臨各種挑戰(zhàn),包括熱噪聲、尺寸限制、氣流不足以及材料放氣等。
溫度低于露點(diǎn)的所有表面都需要外部保護(hù),以防止在敏感元件上形成水汽。為避免材料放氣,建議使用具有低放氣特性的界面材料。(Ta:環(huán)境溫度;Tc:冷側(cè)控制溫度不超過40°C;Qc:冷卻要求,即從熱電冷卻器冷側(cè)的裝置或外殼中移除熱能的速率,以瓦特為單位)
傳統(tǒng)閉路監(jiān)控和IP室外攝像頭能夠在高達(dá)50°C的溫度下高效工作,但當(dāng)溫度超過該極限時(shí)性能會(huì)下降。而紅外相機(jī)一般要求工作溫度低于35°C。對(duì)于室外陽光暴曬下的監(jiān)控?cái)z像頭,再加上緊湊設(shè)備中外圍組件釋放的熱量,這些應(yīng)用的工作溫度可能高達(dá)90°C。
根據(jù)成像要求,相機(jī)可能包含多個(gè)CMOS傳感器,以提高分辨率或性能。例如,有新款3D相機(jī)包含四個(gè)CMOS傳感器來生成高質(zhì)量3D圖像。更復(fù)雜的3D相機(jī)系統(tǒng),其內(nèi)部電源可以產(chǎn)生超過60 W的熱量。加上太陽輻射,戶外3D相機(jī)組件往往需要在超過其溫度限制的條件下運(yùn)行。
因此,這些相機(jī)系統(tǒng)必須冷卻,以最大限度地降低熱量的產(chǎn)生。優(yōu)先考慮將每個(gè)CMOS傳感器冷卻到其熱耐受限以下,以優(yōu)化圖像質(zhì)量。這需要具有足夠冷卻能力的解決方案,以高效冷卻四個(gè)CMOS傳感器,并將所有敏感電子元件的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。
熱像儀對(duì)熱噪聲非常敏感。熱像儀檢測(cè)的是輻射熱,因此來自無源元件本身的熱量都會(huì)影響成像。熱管理系統(tǒng)必須能夠?yàn)閮?nèi)部組件快速散熱,包括探測(cè)器和視頻處理器。高性能熱管理系統(tǒng)使熱像儀能夠以高達(dá)0.025°C的精度檢測(cè)熱輻射。
熱像儀的小型化趨勢(shì)是影響熱負(fù)荷的另一個(gè)重要因素。為了提高性能和功能,現(xiàn)代安防攝像頭往往需要以更小的尺寸配備更多的電子設(shè)備??臻g限制會(huì)在增加熱流密度的同時(shí),對(duì)空氣流通帶來負(fù)面影響。空氣流通的限制使熱管理設(shè)計(jì)變得低效,無法有效冷卻,從而使圖像傳感器溫度高于其最高工作溫度。
熱電器件等冷卻組件也會(huì)向散熱路徑增加熱量,這就需要更強(qiáng)大的熱交換器來將熱量散發(fā)到空氣環(huán)境中。氣流的考量非常重要,需要它們充分耗散熱量,以降低熱交換器熱側(cè)的熱阻。風(fēng)扇或液體熱交換器增加了成本,并且需要在空間本已有限的設(shè)計(jì)中爭(zhēng)奪空間,這可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)。
利用珀耳帖效應(yīng),熱電冷卻器可以有效地為敏感元件散熱
此外,同樣影響氣流的還有組件完全密封的相機(jī)設(shè)計(jì)。這樣做是為了使相機(jī)能夠承受水、液體、灰塵或污垢等外部環(huán)境。完全密封的設(shè)計(jì),為熱敏元件的散熱帶來了更大挑戰(zhàn)。大多數(shù)情況下,外殼必須具有熱傳導(dǎo)路徑,如冷板,通過散熱器或熱管傳導(dǎo)熱量。
冷卻重要組件的過程可能會(huì)導(dǎo)致其表面低于露點(diǎn),從而產(chǎn)生冷凝,帶來有害的水分。構(gòu)建保護(hù)性的外部環(huán)境,以防止?jié)駳?、冷凝和其他外部污染物進(jìn)入,對(duì)于保護(hù)相機(jī)敏感電子元件至關(guān)重要。此外,還必須不惜一切代價(jià)避免材料放氣,因?yàn)樗鼤?huì)污染相機(jī)的鏡頭。在設(shè)計(jì)階段,就必須考慮盡量減少可能排氣的材料,如界面材料或?qū)Ь€絕緣材料等。
普通標(biāo)準(zhǔn)散熱器無法將設(shè)備冷卻到環(huán)境溫度以下,因而不能作為獨(dú)立裝置滿足熱像儀的需求,為其提供溫度控制。熱電冷卻器等主動(dòng)熱電設(shè)備與無源熱交換器結(jié)合使用,可以為熱像儀探測(cè)器提供局部冷卻。熱電冷卻器利用珀耳帖效應(yīng)產(chǎn)生溫差,從熱交換器熱側(cè)溫度測(cè)量,可將探測(cè)器溫度降低約40°C。
然后,熱量需要通過散熱器、風(fēng)扇等散熱裝置傳遞到周圍的空氣中(這個(gè)過程會(huì)增加能耗)。但是,利用風(fēng)扇確保熱側(cè)散熱器不會(huì)飽和至關(guān)重要。否則,熱量會(huì)回流到器件端,導(dǎo)致升溫。顯然,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以提高散熱性能系數(shù)。
隨著政府和私人安全機(jī)構(gòu)對(duì)視頻監(jiān)控的應(yīng)用增長(zhǎng),戶外攝像頭的用量大幅增加
由于標(biāo)準(zhǔn)熱電器件無法在高溫室外應(yīng)用中高效運(yùn)行,因此在熱像儀應(yīng)用中對(duì)成像探測(cè)器進(jìn)行局部冷卻并非易事。在高溫下,用于構(gòu)建熱電器件的材料(包括焊料和銅母線),會(huì)擴(kuò)散到熱電器件中。這將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)熱電器件最終失效。
熱電冷卻器解決方案
下一代熱電冷卻器將具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),使其能夠應(yīng)對(duì)惡劣的應(yīng)用環(huán)境。有些熱電冷卻器可以在高達(dá)150°C的溫度下運(yùn)行,這超過大多數(shù)室外應(yīng)用。
下一代熱電冷卻器采用了碲化鉍半導(dǎo)體材料和導(dǎo)熱氧化鋁陶瓷,與傳統(tǒng)熱電冷卻器相比,可將冷卻能力提高10%。與標(biāo)準(zhǔn)熱電材料相比,這些固態(tài)熱泵具有更高的熱絕緣屏障,可將溫差(ΔT)提高5 K。增強(qiáng)的熱電材料加上堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),可以防止下一代熱電冷卻器在高溫環(huán)境中的性能退化,這是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器的常見問題。
熱電冷卻器可將關(guān)鍵的CMOS傳感器溫度相對(duì)散熱器的熱側(cè)溫度降低約40°C
先進(jìn)的熱電冷卻器可以保持高性能系數(shù),以最大限度地降低運(yùn)行所需要的輸入功率,并降低熱側(cè)的散熱要求,這對(duì)于散熱性能較差的應(yīng)用至關(guān)重要。
室外熱像儀應(yīng)用中仍需要采用溫度敏感的光電器件,最壞情況下其工作的環(huán)境溫度可能超過90°C。這些系統(tǒng)中的熱波動(dòng)可能導(dǎo)致器件的性能下降,甚至系統(tǒng)故障。因此,這些熱像儀需要主動(dòng)冷卻,以確保在室外環(huán)境中低于最高工作溫度,維持高成像分辨率。
不過,傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)熱電器件也無法在這種高溫下工作。然而,專為現(xiàn)代、更復(fù)雜熱電冷卻器設(shè)計(jì)的新材料,可以確保當(dāng)前熱像儀中熱敏電子器件的可靠性及最佳性能。
Laird Thermal Systems熱電冷卻器產(chǎn)品組合
本文作者Andrew Dereka,麥姆斯咨詢編譯
Andrew Dereka是萊爾德熱系統(tǒng)(Laird Thermal Systems)熱電冷卻器及其組件產(chǎn)品線的產(chǎn)品總監(jiān),Laird Thermal Systems是知名的熱管理解決方案全球領(lǐng)導(dǎo)者之一。Andrew Dereka擁有20年的熱管理經(jīng)驗(yàn),與世界各地的主要OEM合作,了解并幫助他們解決相關(guān)的熱管理問題。