探测人体温度的热成像传感器

发布时间:2021-11-19  

探测人体温度的热成像传感器

作者:Hasan Gadjali,联合创始人兼首席运营官,以及科学家 Markov Stanislav Nikolaev 博士

Meridian Innovation Limited.

概述

探测人体温度的热成像传感器

作者:Hasan Gadjali,联合创始人兼首席运营官,以及科学家 Markov Stanislav Nikolaev 博士

Meridian Innovation Limited.

概述

广告

电子产品的广泛应用,有望使我们的生活更加舒适和安全。新冠肺炎爆发后,热成像摄像机应用日益普及。新冠病毒在全球的迅速传播给公共卫生、食品系统和工作领域带来了前所未有的挑战,在全世界造成了巨大的生命损失。这场疫情摧毁了就业机会,使数百万人的生计受到影响。面对这场危机,一个重大需求是远距离快速探测个人或群体体温而不影响正常活动。因为发烧是病毒感染的常见症状之一,有效识别发烧人士有助于限制病毒的传播。热成像传感器是实现该应用的核心技术。

热成像传感器

什么是热成像传感器?热成像摄像机如何从远处测量核心体温?热成像传感器是一种微机电系统(MEMS)芯片,是一个对8至14微米波长范围内的长波红外电磁辐射(LWIR)敏感的探测器阵列。开尔文0度以上的所有物体和所有生物都在这个光谱范围内发出辐射,这种辐射的强度代表了它们的表面温度。与波长在400到700纳米之间的可见光不同,长波红外辐射对人眼是不可见的。然而,形成热成像阵列的探测器能够通过可测量的方式改变其特性(例如,通过改变其电阻或由于塞贝克效应产生电压输出)来对入射的红外热发出响应。这些变化被读出电路放大和数字化,最终产生的数字代码被转换成温度值。因此,每个热探测器依照时序在其可测角度范围内测量物体的表面温度。然后,二维探测器阵列有序生成一个二维像素阵列——类似于灰度视觉图像。但在这种情况下,每个像素表示场景的该部分的温度,而不是亮度。这个简单的类比告诉我们,一定程度上,热图像也可以通过标准视觉图像处理技术进行处理和分析。它还可以显示为热信息图,每个温度值都有一个特定的相关颜色。图一是同一场景的视觉图像、彩色热图像和灰度热图像的对比实例。

 

图1:视觉摄像机图像与热摄像机图像(包括彩色和灰度热图像) (来源: Meridian Innovation)

 

 

以上热图像是由一个特殊的热摄像相机拍摄的。这个相机是使用以下图2所示的热成像芯片组成的模组。         

 

图2: Meridian Innovation 80x62 分辨率 LWIR 热成像芯片和模组 (来源: Meridian Innovation)

 

 

人体体温的测量

我们之前说过,热成像仪测量视野中物体或物体的表面温度。现在的问题是——在热像图中,我们如何测量人体的体温。在回答这个问题之前,让我们回顾一下传统的体温测量方法。人体体温是通过水银温度计或数字温度计测量的 (如图3所示),该温度计必须与身体的隐蔽区域进行物理接触,该区域的温度与内部器官的温度非常接近或相同。典型的接触部位是直肠内(直肠温度计,最准确)、舌头下(口腔温度计,约低0.3摄氏度)或腋窝(腋窝温度计,约比直肠温度读数低0.6摄氏度)。接触式温度计的实际局限性已被不同类型的非接触式红外传感温度计所克服。该温度计可通过其形状系数和进行测量时的定位的方式进行区分——例如,位于远耳道的鼓室温度计,颞动脉温度计(滑过前额侧面的颞浅动脉),或前额温度计(置于前额正前方)(如图4所示)。这些温度计有三个共同因素:1)它们有一个感测皮肤温度的长波红外探测器,由硅基热电堆技术制造;2)根据测量的皮肤温度、环境温度和热传导方程,在设备中计算人体体温;3)温度计必须接触皮肤或者放置在离皮肤非常近的位置(例如:最多几厘米距离)。

 

图3:接触式温度计 图4:额温枪

 

用于检测高温的热成像摄像机

然而,这使得用于发烧检测的热成像相机的设计成为一项相当复杂的工作,需要详细了解热成像传感器的特性、良好的热成像和一些生物物理学知识,当然还需要精通图像和数据 分析——当由于隐私问题而无法使用视觉成像流时,对视野中对象的可靠检测也是一个相当大的挑战。

 

图 5: Meridian Innovation 多人发烧检测摄像头解决方案(来源:Meridian Innovation)

 

参考设计

如上所述,及时交付用于检测高温的红外热像仪的必要性以及构建良好解决方案的复杂性,促使各企业共同努力为 OEM 和 ODM 提供大量参考设计。 Arrow Electronics 提供了此类参考设计的一个示例,并在此处进行了更详细的介绍 ()。

其核心是Meridian Innovation(www.meridianinno.com)的新型热像仪,采用CMOS/MEMS技术量产,在像素设计上使用了传统微测辐射热计和热电堆的结合技术。除热像仪外,参考设计还包括了环境传感器、用于估计与对象距离的飞行时间传感器,并受益于人工智能增强的应用软件,提高了热读数和核心体温计算的准确性,以及用于可视化的热图像质量。选择具有成本效益的组件和 SDK,有助于解决最重要的障碍——人体体温的计算,这降低了设计和研发成本,并有助于满足热像仪用于检测人体体温的应用。

结论

热成像传感器现在以实惠的价格在大众市场产品中随处可见。无障碍参考硬件设计和软件解决方案极大地促进了该技术的应用,并实现了热像仪的快速开发,包括用于自动检测人体体温的摄像机。这类产品有助于管控当前的疫情,并描述了一个令人信服的理念:“创新技术促进更安全和更好的生活”。

电子产品的广泛应用,有望使我们的生活更加舒适和安全。新冠肺炎爆发后,热成像摄像机应用日益普及。新冠病毒在全球的迅速传播给公共卫生、食品系统和工作领域带来了前所未有的挑战,在全世界造成了巨大的生命损失。这场疫情摧毁了就业机会,使数百万人的生计受到影响。面对这场危机,一个重大需求是远距离快速探测个人或群体体温而不影响正常活动。因为发烧是病毒感染的常见症状之一,有效识别发烧人士有助于限制病毒的传播。热成像传感器是实现该应用的核心技术。

热成像传感器

什么是热成像传感器?热成像摄像机如何从远处测量核心体温?热成像传感器是一种微机电系统(MEMS)芯片,是一个对8至14微米波长范围内的长波红外电磁辐射(LWIR)敏感的探测器阵列。开尔文0度以上的所有物体和所有生物都在这个光谱范围内发出辐射,这种辐射的强度代表了它们的表面温度。与波长在400到700纳米之间的可见光不同,长波红外辐射对人眼是不可见的。然而,形成热成像阵列的探测器能够通过可测量的方式改变其特性(例如,通过改变其电阻或由于塞贝克效应产生电压输出)来对入射的红外热发出响应。这些变化被读出电路放大和数字化,最终产生的数字代码被转换成温度值。因此,每个热探测器依照时序在其可测角度范围内测量物体的表面温度。然后,二维探测器阵列有序生成一个二维像素阵列——类似于灰度视觉图像。但在这种情况下,每个像素表示场景的该部分的温度,而不是亮度。这个简单的类比告诉我们,一定程度上,热图像也可以通过标准视觉图像处理技术进行处理和分析。它还可以显示为热信息图,每个温度值都有一个特定的相关颜色。图一是同一场景的视觉图像、彩色热图像和灰度热图像的对比实例。

 

图1:视觉摄像机图像与热摄像机图像(包括彩色和灰度热图像) (来源: Meridian Innovation)

 

 

以上热图像是由一个特殊的热摄像相机拍摄的。这个相机是使用以下图2所示的热成像芯片组成的模组。         

 

图2: Meridian Innovation 80x62 分辨率 LWIR 热成像芯片和模组 (来源: Meridian Innovation)

 

 

人体体温的测量

我们之前说过,热成像仪测量视野中物体或物体的表面温度。现在的问题是——在热像图中,我们如何测量人体的体温。在回答这个问题之前,让我们回顾一下传统的体温测量方法。人体体温是通过水银温度计或数字温度计测量的 (如图3所示),该温度计必须与身体的隐蔽区域进行物理接触,该区域的温度与内部器官的温度非常接近或相同。典型的接触部位是直肠内(直肠温度计,最准确)、舌头下(口腔温度计,约低0.3摄氏度)或腋窝(腋窝温度计,约比直肠温度读数低0.6摄氏度)。接触式温度计的实际局限性已被不同类型的非接触式红外传感温度计所克服。该温度计可通过其形状系数和进行测量时的定位的方式进行区分——例如,位于远耳道的鼓室温度计,颞动脉温度计(滑过前额侧面的颞浅动脉),或前额温度计(置于前额正前方)(如图4所示)。这些温度计有三个共同因素:1)它们有一个感测皮肤温度的长波红外探测器,由硅基热电堆技术制造;2)根据测量的皮肤温度、环境温度和热传导方程,在设备中计算人体体温;3)温度计必须接触皮肤或者放置在离皮肤非常近的位置(例如:最多几厘米距离)。

 

图3:接触式温度计 图4:额温枪

 

用于检测高温的热成像摄像机

然而,这使得用于发烧检测的热成像相机的设计成为一项相当复杂的工作,需要详细了解热成像传感器的特性、良好的热成像和一些生物物理学知识,当然还需要精通图像和数据 分析——当由于隐私问题而无法使用视觉成像流时,对视野中对象的可靠检测也是一个相当大的挑战。

 

图 5: Meridian Innovation 多人发烧检测摄像头解决方案(来源:Meridian Innovation)

 

参考设计

如上所述,及时交付用于检测高温的红外热像仪的必要性以及构建良好解决方案的复杂性,促使各企业共同努力为 OEM 和 ODM 提供大量参考设计。 Arrow Electronics 提供了此类参考设计的一个示例,并在此处进行了更详细的介绍 ()。

其核心是Meridian Innovation(www.meridianinno.com)的新型热像仪,采用CMOS/MEMS技术量产,在像素设计上使用了传统微测辐射热计和热电堆的结合技术。除热像仪外,参考设计还包括了环境传感器、用于估计与对象距离的飞行时间传感器,并受益于人工智能增强的应用软件,提高了热读数和核心体温计算的准确性,以及用于可视化的热图像质量。选择具有成本效益的组件和 SDK,有助于解决最重要的障碍——人体体温的计算,这降低了设计和研发成本,并有助于满足热像仪用于检测人体体温的应用。

结论

热成像传感器现在以实惠的价格在大众市场产品中随处可见。无障碍参考硬件设计和软件解决方案极大地促进了该技术的应用,并实现了热像仪的快速开发,包括用于自动检测人体体温的摄像机。这类产品有助于管控当前的疫情,并描述了一个令人信服的理念:“创新技术促进更安全和更好的生活”。

文章来源于:电子工程专辑    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

相关文章

    汽车被动红外探测系统国家标准的起草……在红外热成像传感器技术、芯片封装技术、红外专用芯片处理技术等方面,睿创微纳均保持领先优势,为车载红外感知产品提供强力支撑,同时依托独家Matrix IV图像算法、IR......
    摄像机如何从远处测量核心体温?热成像传感器是一种微机电系统(MEMS)芯片,是一个对8至14微米波长范围内的长波红外电磁辐射(LWIR)敏感的探测器阵列。开尔文0度以上的所有物体和所有生物都在这个光谱范围内发出辐射,这种......
    带入家庭自动化和智能家居领域。热成像传感器也是很好的选择,有监控防止厨房火灾隐患,帮助您做饭,占用监控隐私,测量我们的舒适度,提高对老人和婴儿周围的福祉的认识。下面,我们......
    80亿美元!Teledyne宣布收购热成像传感器公司Flir;Teledyne拥有一系列传感器技术,其在X射线、紫外线、微波和无线电等产品领域都有诸多专业应用。 VSI Labs的创......
    介绍称,灵明光子成立于2018年5月,是一家国内单光子传感器芯片研发商。主要产品包括硅光子倍增管、单光子成像传感器芯片等。公司总部位于深圳南山,并在美国硅谷设有研发中心。 据悉,今年7月,灵明......
    %的股权,深化和稳固公司在传感器芯片上游核心竞争力;Teledyne Technologies收购了热成像传感器公司 Flir Systems,加强其成像传感器产品组合。 国巨......
    是比亚迪半导体采用Global shutter技术研发生产的一款1/3英寸的50万像素图像传感器芯片,支持并行和MIPI数字输出接口,其有效像素阵列为838*640,最大帧速率,能在低照度环境下凭借优秀的灵敏度和信噪比保证优秀的成像......
    短缺使需求水涨船高 在汽车成像市场,由于安全法规和芯片短缺导致需求增加和价格上涨,汽车摄像头和图像传感器市场的收入大幅增长。镜头组占摄像头模块价格的三分之一,其市场价值预计将从15亿美......
    并购方式增强技术产品组合和市场竞争力。例如此前苏奥传感拟收购MEMS传感器芯片供应商龙微科技不少于42%的股权,深化和稳固公司在传感器芯片上游核心竞争力;Teledyne Technologies收购了热成像传感器......
    红外热成像成智能驾驶标配?车载红外热成像技术提升驾驶安全性;近期,红外热成像的身影频繁出现在汽车行业,红外传感技术加入到车载传感器的“战场”。2023年3月,科创板上市企业睿创微纳发布公告披露,公司......

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>