熱成像感測器系統

失效分析實驗室半導體工程師 2021-12-24 09:21

眾所周知電子產品有許多應用，它們使我們的生活更舒適、更安全，熱成像攝像機越來越多地受到業內人士的重視，特別是在2019新冠疫情爆發之後。

該病毒在全球迅速蔓延，給公共衛生、糧食系統和日常工作帶來了前所未有的挑戰，並導致全世界人口急劇喪失；就業機會暴跌，數百萬人的生計處於危險之中。面對這場危機，找到一種從遠處快速測量體溫的方法(包括同時掃描一群人，而不干擾他們的活動)，對於控制這場災難非常重要。這是因為體溫升高是病毒感染的常見症狀之一，因此，有效識別發燒者的能力有助於控制冠狀病毒傳播。而熱成像感測器是賦予我們這種能力的核心技術。

熱成像感測器

但什麼是熱成像感測器，熱成像攝像機如何讓我們遠距離測量體溫的呢？這一切問題都困擾著之前的科學家，而現在一切都變得“稀鬆平常”。熱成像感測器是一種微機電系統(MEMS)晶片，包括一系列對長波紅外電磁輻射(LWIR)敏感的探測器，波長在8-14微米之間。所有在0開爾文以上的物體和所有生物都在這個光譜範圍內發出輻射，這種輻射的強度代表了它們的表面溫度。

與波長在400至700奈米之間的可見光不同，人眼是看不見長波紅外輻射的。然而，組成熱成像儀陣列的探測器能夠透過以可測量的方式改變其性質來響應入射紅外熱，例如，透過改變其電阻或由於塞貝克效應產生電壓輸出。這些訊號經過電路被放大和轉換，最終轉換成實際的溫度值。因此，每個熱探測器都可以快速的捕捉自己視場內物體的表面溫度，然後利用其內建的二維平面畫素陣列來獲取類似於灰階影象，而且每個畫素代表場景的熱度而不是傳統意義的亮度。

圖1: 可視相機影象與熱成像相機影象

上述影象可以透過下面圖中的紅外熱成像晶片捕捉到。

圖2: Meridian Innovation 80 × 62解析度長波紅外熱成像晶片和模組

人體體溫的測量

我們前面已經說過，熱成像儀可以測量視場中物體的表面溫度。而現在的問題是，我們是否可以利用熱成像儀中的資訊來確定人體的體溫。在回答之前，讓我們回顧一下，體溫一般是用水銀或數字溫度計測量的，這些溫度計必須與身體的隱蔽部位接觸，因為隱蔽部位的溫度與內部器官的溫度非常接近。目前醫療上最準確的體溫測試是透過直腸來測量（舌下和腋下普遍會比體內問題低0.3~0.6攝氏度）

圖3: Boots 接觸式溫度計(l)(來源: Meridian Innovation)和前額溫度計

但是現在又不一樣了，接觸式溫度計的侷限性已經被不同型別的非接觸式紅外線感應溫度計的發展所克服，我們設計出不同種類和大小的紅外溫度計來對於人體上各種器官進行測量。例如額頭測溫槍和耳道遠端的鼓室溫度計、顳動脈溫度計等。但是這些裝置都有或多或少的問題：

1.他們有一個單一的長波紅外探測器，用來感應面板溫度，採用體矽熱電堆技術。

2.根據測得的表面溫度、環境溫度和傳熱方程，計算出來的核心體溫

3.溫度計必須放置在非常接近面板的地方(最多幾釐米) ，即使是不接觸式的但是也不能離得太遠。

用於探測高溫的熱成像攝像機

另一方面，熱成像相機是圍繞前面描述的熱成像感測器建造的，因為要獲得更加清晰的圖片，所以使用的探測器不僅要小型化，而且還要讓靈敏的探測器具有更短的響應時間，所以不僅可以捕捉靜態場景，而且影片流的幀速率也從1提升至30幀率/秒。

另外還要再加上一個特殊的鏡頭，通常有一個至少40 ° 的角度視場，這項技術可以捕捉複雜的，動態的熱場景，包括在同一時間多個人，往往距離可以在50釐米到幾米之間。對於初學者來說，探測器只能感知面板表面的溫度。同前額溫度計一樣，核心體溫必須根據人體的某些生物物理模型來計算，現在的問題是用哪個畫素作為面板溫度的代表，因為熱成像儀以多個畫素解析人臉，溫度讀數的變化可能超過1 ° c。

此外，諸如鏡頭的瑕疵、攝像機與被攝物體之間的視角、面罩、遮臉髮型、眼鏡等因素，都會導致溫度讀數有些不準確。這就是熱影象處理和分析的關鍵作用發揮的地方，各種誤差大多具有系統性質，可以根據熱成像中的”多餘”資訊予以補償。然而，這使得用於發熱探測的熱成像相機的設計變得相當複雜，需要對熱成像感測器的特性有詳細的瞭解，對熱成像學和一些生物物理學有很好的理解，當然，還需要精通影象和資料分析。

圖5: Meridian Innovation多人發燒檢測相機解決方案(來源: Meridian Innovation)

這種處理的結果如圖5所示，在給定的視覺框架和熱感框架中識別出三個人，並在視覺框架上註釋每個人的估計核心體溫。受試者探測和隨後的核心體溫估計的整個過程則完全基於熱影片流。

結論

熱成像感測器現在很容易獲得和支撐起的大眾市場產品。易用的硬體設計和軟體解決方案將採用這項技術，並加速熱成像攝像機的開發週期。這些產品可以幫助控制新冠這種流行病，可以說創新技術促進更安全和更美好的生活。