对于大规模应用场景下的相机选型，有两个关键考量因素：性能和对资源的占用情况，后者包括了对尺寸、重量、功耗和成本的限制。对于可见光波段的相机，无论是单色相机还是RGB相机，机器视觉、监控、手机等领域的大规模应用需求，推动了相机性能的提升，同时降低了整体资源占用。

以往，对于工作在长波红外（LWIR）波段的热成像相机，还没有哪种应用提出过类似的要求。但如今，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）要求，2029年起所有汽车都必须配备昼夜自动刹车功能，这使得对高性能、紧凑型热成像相机的需求变得极为迫切。

图1：美国国家公路安全管理局（NHTSA）要求，2029年起所有汽车必须配备昼夜自动刹车功能，这使得市场对高性能、紧凑型热成像相机的需求变得极为迫切。

热成像技术问世已有近百年，1929年出现了首款两像素相机，20世纪60年代有了冷却型线扫描传感器，70年代出现冷却型面阵产品，80年代则诞生了非制冷微测辐射热计阵列。如今，性能最高（价格也最为昂贵）的热成像相机是制冷型的，但在市场上应用数量占绝大多数的还是体积更小、价格更便宜的非制冷相机。

尽管如此，非制冷相机的成本也与性能紧密相关，其中两个最重要的性能是空间分辨率（即阵列中的像素数量）和温度分辨率（即能够分辨的场景中最小的温度差异）。不同的应用场景，对这两个性能的要求差异很大。

对热成像相机的求因应用而异

首先来看要求最为严苛的应用：关键防务系统要求空间分辨率达到 1024×768或更高，温度分辨率通常低于 50mK（1mK = 0.001℃）。医疗应用可能仅需要适中的分辨率，比如256×320，温度分辨率低于50mK以用于分析皮肤温度。相比之下，建筑热泄漏检测可能只需要60×80像素的康健分辨率，并且只需要1℃的温度分辨率。

医疗用热成像相机的售价可能高达数千美元，而手持式热泄漏检测相机仅需几百美元。虽然这些价格肯定低于防务系统所用的热成像相机可能高达数万美元的价格，但是即将到来的汽车应用中，则要求下一代热成像相机要有更低的成本，并且还能提供足够的空间分辨率和温度分辨率，以便能在400m远的距离内的任何位置发现行人。

如果热像仪能满足汽车对成本、性能和极端环境耐受性的严格要求，它就可以拓展到可见光相机批量应用的领域。这需要满足以下几个方面：

如果热成像相机能够同时满足汽车行业对成本、性能以及极端环境耐受性的严苛要求，它就能应用于目前只能由可见光相机服务的一些大规模应用场景。比如：

用于夜间及雨雾天气下远距离监控的家用热成像监控系统。

在无自然光或人工照明情况下安全行驶的自动驾驶车辆；从轻量型、低成本无人机获取热数据；持续监测生产设备是否过热；检查电路板等新组件是否存在热点。

那么，热成像相机如何才能实现这些大批量应用的目标呢？ 

兼具低成本和高性能

防御领域将对热成像相机的要求简称为SWaP-C，它的意思是要集中精力缩小尺寸、减小重量和功耗，同时降低成本。要成功实现这套组合目标，需要回归设计原则，使新设计避免因改进物理参数而导致成本增加的问题。

在非制冷热成像技术中，需要特别注意的问题包括微测辐射热计阵列的结构、读出电路的配置、校正图像数据的方法以及相机电子器件的架构。以上这些方面在热成像相机的设计中都必须重新考虑，以实现小型、高性能、低成本的目标。

制冷型相机体积较大，因为其所需的工作温度必须使用斯特林循环制冷器实现。这些制冷设备的体积、可靠性和成本因素促使人们转向非制冷相机。但是，与常用的可见光相机相比，非制冷热成像相机的体积仍然较大。

这些差异与一些棘手的要求有关，例如像素大小要与检测的辐射波长成正比。一台高清（1080p）热成像相机需要宽度在2cm左右的传感器，而类似的可见光传感器的宽度可能不到该尺寸的10%。同样的因素导致热成像相机需要更大的光学元件。因此，减小尺寸就需要尽量缩小有源阵列之外的传感器面积，限制封装尺寸，并尽可能去除相机中的外部支持电路。

在相机中，减轻重量主要是随着尺寸的减小而实现，另外还有一些额外要求，即相机外壳和任何必要散热器的重量应尽量减轻，所选用的连接器本身要轻便、又能适配轻质的对接连接器和电缆。同样，镜头座和镜头也必须考虑重量因素。

长期以来，非制冷热成像相机需要在传感器前方安装一个机械快门组件，以便定期提供传感器校准所需的暗图像，这对尺寸和重量都产生了负面影响。这个快门不仅对SWaP-C中的所有因素都产生了负面影响，而且也会影响图像数据流，而在依赖连续数据确保安全的系统中，这种情况是无法容忍的。取消快门将为所有这些方面都带来重大改进。

虽然快门只是间歇性用电，但相机其余部分是持续耗电的，必须将其降至最低。热成像相机的主要耗电部件是带有读出电路（ROIC）的传感器及其所需的支持电路，以及通过连接电缆传输信号的驱动器。因此，一个可探索的降低功耗的途径，是将尽可能多的外部功能集成到 ROIC设计中。

有效地将SWaP原则应用于设计中的另一个好处是，所有这些方面的改进将使相机更易于集成，且成本更低。

减少组件数量

最后是成本考量。降低成本最直接的方法是减少所需组件的数量。组件越少，电路板面积越小，板间互连也越少。当然，只有在组件价格不会失控上涨的情况下，减少组件数量才能降低成本，所以一般来说，组件必须利用已应用于其他低成本产品的标准制造工艺。此外，还必须考虑外部组件成本，包括光学元件、电缆、电源和防护装置等。

如果设计师愿意放弃许多传统的相机设计方法，那么这套SWaP-C改进技术可应用于热成像相机的设计。具体而言，如果将传感器重新设计为提供数字数据而非传统的模拟视频信号，就能实现一系列改进。

设计数字热传感器

先从显而易见的方面说起：如果传感器具有数字输出，那么无论是在相机内部还是作为图像采集系统的一部分，都无需进行外部转换。这就可以使用计算机原生支持的众多标准数字接口之一。相机就变成了另一个外设。

使 ROIC 数字化，可将一些外部数字处理功能转移到芯片上。最重要的是，合适的模数转换架构可以在数字化过程中对传感器的不均匀性（包括偏移和增益）进行校正。用于这些校正的数据，可以是传感器测试期间生成的模式与传感器特性（如温度）实时测量数据的组合。然后，可以利用 ROIC 自身的内存和计算能力进行校正。这样的传感器无需机械快门，因此可以在不中断图像数据流的情况下自行校正。

赋予 ROIC 数字功能的一个重要额外好处是，有可能对热成像相机在受限应用中的使用进行保护。例如，如果无人机坠毁后，其中的监测相机在检测到授权主机丢失时能自动禁用，以防止敌方在他们的设备中继续运作该相机。正是在ROIC内部实现的这种最安全的功能，使得高性能热成像相机可以在无需贸易许可的情况下，随着汽车全球发货。

这样的ROIC使用标准器件制造工艺即可生产。接下来要做的是，使用另一套现有工艺在ROIC上构建微测辐射热计阵列，然后在晶圆级操作中，为微测辐射热计提供精确热检测所需的真空环境。图 2 展示了结果，并与带有支持电路的传统微测辐射热计阵列结构进行了对比。值得注意的是，阵列覆盖了整个ROIC，消除了面积浪费，并将分辨率从VGA提升至1280×800。

图2：没有面积浪费的热传感器。

当阵列覆盖整个ROIC时，将该器件安装在电路板上并采用背面散热方式，器件的封装尺寸仅略微大于器件本身。所需的电路板面积也比有源传感器的面积大不了多少。由于所有必要的数据调节都在ROIC上完成，电路板上仅需要电源调节和数据驱动器。结果如图3所示，其展示了一个集成在一块单板上的完整相机模块，可接受单一电源供应，并通过高速数字链路传输实时校正后的视频数据。

图3：完整的LWIR热成像相机模块。

对于相机模块，用户只需添加一个带有小尺寸后置散热器的外壳和一个镜头安装夹具。电源和数字视频通过一根电缆传输。

这款高清相机设计实现了SWaP-C理念的目标：体积小、重量轻、功耗极低，仅需一个简单的外壳和单一外部连接。通过使用标准制造工艺和消除对复杂辅助电子设备的任何需求，成本得到了控制。

高性能、低成本和低资源占用，使SWaP-C设计理念成为许多大规模热成像应用的理想选择。

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