主动热电冷却，为热像仪降低热噪声确保高性能
2022-01-06 19:51:07 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
热像仪对热噪声非常敏感。热像仪检测的是辐射热，因此来自无源元件本身的热量都会影响成像。热管理系统必须能够为内部组件快速散热，包括探测器和视频处理器。
如今，政府和私人安全机构为了减少犯罪或改善公共安全，越来越多的开始应用热像仪。各种监控摄像头和互联网协议（IP）安全摄像头在城市、酒店、商超、娱乐场所、体育场馆和其他商业及工业区随处可见。
搭载红外探测器的摄像头需要主动冷却，以最大限度地降低热噪声，改善图像分辨率
搭载红外探测器的热像仪通常用于改善夜间的设施和边界安全。近两年，为了管控新冠疫情（COVID-19）流行，热像仪已经作为一种必要的安全措施来筛查人员的体温。
根据市场研究机构MarketsandMarkets的报告数据，由于公共安全和安保关注度的提高、监控摄像头的日益普及和需求增长，全球视频监控市场规模预计将从2020年的455亿美元增长到2025年的746亿美元。
另有数据显示，2018年仅IP摄像头市场规模就超过了80亿美元，预计2019年~2025年期间将以14%的复合年增长率（CAGR）增长，到2025年全球产业出货量预计将超过1亿台。
此外，2019年全球红外相机市场规模超过了60亿美元，预计2020年~2026年期间将以7%的复合年增长率增长。
应用背景
监控摄像头应用了多种光电技术，所有这些技术都需要温度稳定以达到最佳的性能。数字安防摄像头通常采用两种主要类型的图像传感器：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。这两种图像传感器都采用复杂的2D光电探测器阵列（像素）将光子转换为电荷，然后将这些电荷放大和数字化，以创建数字图像。两者之间的区别在于如何以及在何处完成这一过程。
现在，很多安防摄像头都采用热成像技术进行夜间监测。类似普通相机利用可见光成像，这些相机利用红外辐射进行成像。可见光相机的敏感波段大约为400~700 nm，红外相机对1000 nm~14000 nm的波长敏感。而热成像相机则使用焦平面阵列来对更长的红外波长作出响应。
有些智能热像仪包括功能强大的视频处理器，能够处理和分析成像以实现更精确的检测。先进的视频处理技术还能够使热像仪具有更宽广的覆盖范围，使其能够在超过600米的距离检测人体大小的目标。热像仪大致可分为两种类型：制冷型和非制冷型。制冷型探测器，可以最大限度地提高探测性能和观察范围。
3D相机能够像人类的双眼一样感知场景深度，生成三维图像。有些3D相机使用两个或多个摄像头来记录多个视点，也有3D相机采用单个摄像头移动位置来完成拍摄。2D相机基于阴影数据探测、识别成像物体的外观及尺寸，而3D相机则包含深度信息或者说xyz三维坐标，利用三维坐标数据可以获得物体的体积和截面信息。
3D检测可以识别跟物体图案相近的微小缺陷，这用2D成像很难实现。随着3D相机技术的发展，应用也在不断扩展。现在，3D相机已经应用于机器人定位、自动化检测以及制造和测试应用的特征识别，现在它们正被引入体育场馆和娱乐场所，以改善用户体验。
热管理挑战
无论采用何种成像技术，在应用过程中，成像敏感元件的工作温度都必须保持在最高极限以下，以确保高质量成像。例如，监控热像仪利用红外探测器捕捉目标物体的辐射热，并将其转换为视觉图像。为了获得最高的图像质量，红外探测器必须冷却到零度以下，以最小化热噪声，热噪声会破坏或影响成像质量。被动冷却技术（如散热器和风扇）通常不足以冷却热像仪，因为它们一般无法冷却到环境温度以下。下一代热电冷却器可提供主动热管理解决方案，满足热像仪中光电器件所要求的尺寸限制和高温度等级。
工程师在设计热像仪时可能面临各种挑战，包括热噪声、尺寸限制、气流不足以及材料放气等。
温度低于露点的所有表面都需要外部保护，以防止在敏感元件上形成水汽。为避免材料放气，建议使用具有低放气特性的界面材料。（Ta：环境温度；Tc：冷侧控制温度不超过40°C；Qc：冷却要求，即从热电冷却器冷侧的装置或外壳中移除热能的速率，以瓦特为单位）
传统闭路监控和IP室外摄像头能够在高达50°C的温度下高效工作，但当温度超过该极限时性能会下降。而红外相机一般要求工作温度低于35°C。对于室外阳光暴晒下的监控摄像头，再加上紧凑设备中外围组件释放的热量，这些应用的工作温度可能高达90°C。
根据成像要求，相机可能包含多个CMOS传感器，以提高分辨率或性能。例如，有新款3D相机包含四个CMOS传感器来生成高质量3D图像。更复杂的3D相机系统，其内部电源可以产生超过60 W的热量。加上太阳辐射，户外3D相机组件往往需要在超过其温度限制的条件下运行。
因此，这些相机系统必须冷却，以最大限度地降低热量的产生。优先考虑将每个CMOS传感器冷却到其热耐受限以下，以优化图像质量。这需要具有足够冷却能力的解决方案，以高效冷却四个CMOS传感器，并将所有敏感电子元件的热量散发到周围环境中。
热像仪对热噪声非常敏感。热像仪检测的是辐射热，因此来自无源元件本身的热量都会影响成像。热管理系统必须能够为内部组件快速散热，包括探测器和视频处理器。高性能热管理系统使热像仪能够以高达0.025°C的精度检测热辐射。
热像仪的小型化趋势是影响热负荷的另一个重要因素。为了提高性能和功能，现代安防摄像头往往需要以更小的尺寸配备更多的电子设备。空间限制会在增加热流密度的同时，对空气流通带来负面影响。空气流通的限制使热管理设计变得低效，无法有效冷却，从而使图像传感器温度高于其最高工作温度。
热电器件等冷却组件也会向散热路径增加热量，这就需要更强大的热交换器来将热量散发到空气环境中。气流的考量非常重要，需要它们充分耗散热量，以降低热交换器热侧的热阻。风扇或液体热交换器增加了成本，并且需要在空间本已有限的设计中争夺空间，这可能会带来挑战。
利用珀耳帖效应，热电冷却器可以有效地为敏感元件散热
此外，同样影响气流的还有组件完全密封的相机设计。这样做是为了使相机能够承受水、液体、灰尘或污垢等外部环境。完全密封的设计，为热敏元件的散热带来了更大挑战。大多数情况下，外壳必须具有热传导路径，如冷板，通过散热器或热管传导热量。
冷却重要组件的过程可能会导致其表面低于露点，从而产生冷凝，带来有害的水分。构建保护性的外部环境，以防止湿气、冷凝和其他外部污染物进入，对于保护相机敏感电子元件至关重要。此外，还必须不惜一切代价避免材料放气，因为它会污染相机的镜头。在设计阶段，就必须考虑尽量减少可能排气的材料，如界面材料或导线绝缘材料等。
普通标准散热器无法将设备冷却到环境温度以下，因而不能作为独立装置满足热像仪的需求，为其提供温度控制。热电冷却器等主动热电设备与无源热交换器结合使用，可以为热像仪探测器提供局部冷却。热电冷却器利用珀耳帖效应产生温差，从热交换器热侧温度测量，可将探测器温度降低约40°C。
然后，热量需要通过散热器、风扇等散热装置传递到周围的空气中（这个过程会增加能耗）。但是，利用风扇确保热侧散热器不会饱和至关重要。否则，热量会回流到器件端，导致升温。显然，需要对系统进行优化以提高散热性能系数。
随着政府和私人安全机构对视频监控的应用增长，户外摄像头的用量大幅增加
由于标准热电器件无法在高温室外应用中高效运行，因此在热像仪应用中对成像探测器进行局部冷却并非易事。在高温下，用于构建热电器件的材料（包括焊料和铜母线），会扩散到热电器件中。这将导致标准热电器件最终失效。
热电冷却器解决方案
下一代热电冷却器将具有坚固的结构，使其能够应对恶劣的应用环境。有些热电冷却器可以在高达150°C的温度下运行，这超过大多数室外应用。
下一代热电冷却器采用了碲化铋半导体材料和导热氧化铝陶瓷，与传统热电冷却器相比，可将冷却能力提高10%。与标准热电材料相比，这些固态热泵具有更高的热绝缘屏障，可将温差（ΔT）提高5 K。增强的热电材料加上坚固的结构，可以防止下一代热电冷却器在高温环境中的性能退化，这是当前标准热电冷却器的常见问题。
热电冷却器可将关键的CMOS传感器温度相对散热器的热侧温度降低约40°C
先进的热电冷却器可以保持高性能系数，以最大限度地降低运行所需要的输入功率，并降低热侧的散热要求，这对于散热性能较差的应用至关重要。
室外热像仪应用中仍需要采用温度敏感的光电器件，最坏情况下其工作的环境温度可能超过90°C。这些系统中的热波动可能导致器件的性能下降，甚至系统故障。因此，这些热像仪需要主动冷却，以确保在室外环境中低于最高工作温度，维持高成像分辨率。
不过，传统的标准热电器件也无法在这种高温下工作。然而，专为现代、更复杂热电冷却器设计的新材料，可以确保当前热像仪中热敏电子器件的可靠性及最佳性能。
Laird Thermal Systems热电冷却器产品组合
本文作者Andrew Dereka，麦姆斯咨询编译
Andrew Dereka是莱尔德热系统（Laird Thermal Systems）热电冷却器及其组件产品线的产品总监，Laird Thermal Systems是知名的热管理解决方案全球领导者之一。Andrew Dereka拥有20年的热管理经验，与世界各地的主要OEM合作，了解并帮助他们解决相关的热管理问题。
延伸阅读：
上一篇：跟随苹果，TECNO将为安卓手机摄像头引入创新的传感器位移防抖
下一篇：最后一页