Thermal Imaging: Mengeungkap Detail Tersembunyi untuk Analisis yang Akurat

Kita menyukai sinar matahari panas musim panas, menikmati minuman dingin atau berenang menyegarkan di kolam. Kita menghargai sentuhan hangat orang lain, menikmati teh hangat atau perapian di musim dingin. Kita merasakan suhu, tetapi tidak dapat ‘melihatnya’ dengan mata.

Kamera termal membuat bagian spektrum elektromagnetik ini yang tersembunyi dari mata kita menjadi terlihat. Karena hampir setiap objek di lingkungan kita memancarkan radiasi termal, kamera termal dapat menghasilkan citra lingkungan bahkan dalam kegelapan total. Saat digunakan untuk keamanan dan pengawasan, sedikit yang tersembunyi dari kamera termal.

Dengan kalibrasi radiometrik lengkap, kamera ini tidak hanya dapat membuat perbedaan suhu terlihat, tetapi juga menyediakan pengukuran suhu absolut. Kamera termal dengan sensor VGA dan lajur bingkai 60 Hz dapat memberikan lebih dari 18,4 juta pengukuran suhu individual per detik.

Miniaturisasi dan Optimasi Performa

Membuat kamera termal sederhana yang memvisualisasikan panas (yaitu mendeteksi dan menterjemahkan distribusi panas relatif dari suatu adegan ke dalam citra yang ditampilkan) sudah tidak lagi menjadi standar terdepan. Anda dapat melengkapi iPhone Anda dengan tambahan kamera termal dengan harga kurang dari $200. Tantangan teknis yang sebenarnya dimulai dengan permintaan yang meningkat terhadap sensitivitas dan akurasi pengukuran – menampilkan perbedaan suhu terkecil atau mengukur suhu seakurat mungkin – sambil sekaligus meminimalkan ukuran kamera termal dan masih memenuhi kebutuhan performa pasar yang lebih luas.

Produsen kamera termografi terkemuka saat ini menggabungkan baik NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) terendah dan akurasi pengukuran suhu terbaik dalam satu perangkat. Secara historis, kamera berkinerja tinggi ini sensitif dan akurat – tetapi juga besar dan berat. Di sinilah tren miniaturisasi dan integrasi sistem membuka aplikasi baru untuk kamera termal.

Semakin banyak aplikasi yang menggunakan kamera termal, menghubungkannya dengan sensor lain, seperti kamera video berwarna atau sensor LiDAR. Aplikasi sangat bervariasi dan berkisar dari kamera pengawasan cerdas untuk keamanan publik dan swasta hingga otomatisasi bangunan; dari kontrol proses manufaktur hingga alat untuk pemadam kebakaran dan layanan penyelamatan; dari solusi penglihatan malam untuk kendaraan otonom hingga pemeliharaan prediktif.

Parameter Kinerja Utama

Seperti aplikasi yang bervariasi, begitu juga persyaratan untuk teknologi miniaturisasi kamera termal dan integrasi sistem – karakteristik pengukuran, detektor, optika, antarmuka data, perawatan, dan parameter desain serta manufaktur lainnya harus dioptimalkan untuk aplikasi spesifik. Namun, integrasi yang mudah ke dalam solusi sistem spesifik aplikasi adalah tantangan khusus bagi banyak OEM dan integrator sistem, karena kamera termal yang kuat seringkita hanya ditawarkan sebagai produk standar dengan konfigurasi yang terbatas.

Kamera termal yang paling efektif dirancang untuk mengatasi tantangan ini dan mengisi kesenjangan yang sama di pasar. Tiga area di mana performa dan kemudahan integrasi kamera termal terpengaruh adalah detektor, kemampuan radiometri kamera, dan fitur optik serta listrik yang ditawarkan.

Teknologi detektor canggih terus mengurangi jarak piksel ke piksel. Tren ini sebagian besar didorong oleh industri ponsel dan paling terlihat pada kamera yang terlihat, tetapi juga membantu meningkatkan kamera termal. Semakin kecil jarak piksel detektor – sambil mempertahankan atau meningkatkan sensitivitas (NETD) dan performa kebisingan – semakin efektif kamera termal. Jarak piksel yang lebih kecil secara umum mendukung daya lebih rendah, batasan desain mekanis yang lebih kecil, dan biasanya dapat menampung optika f/# yang lebih lambat (penghematan ukuran dan bobot sistem lebih lanjut). Selain itu, FPA dengan jarak piksel yang lebih kecil juga memungkinkan kamera termal dengan resolusi yang lebih tinggi tanpa penalti signifikan pada ukuran, bobot, dan daya.

Properti performa radiometri mencakup perluasan dari pengukuran Region of Interest (ROI) saja ke pengukuran radiometrik lengkap pada setiap piksel FPA, akurasi pengukuran suhu yang ditingkatkan, dan rentang suhu target yang diperluas.

Kompetisi pasar yang ekstrim di industri game, realitas virtual dan augmented, smartphone, telekomunikasi, dan kendaraan otonom telah secara dramatis meningkatkan kemampuan pemrosesan elektronik sambil menurunkan jejak komponen dan konsumsi daya. Sebagai hasilnya, desainer kamera termal memiliki array opsi komponen elektronik yang lebih luas untuk dipilih yang tidak ada beberapa tahun yang lalu. Variasi opsi komponen yang lebih luas juga memfasilitasi desain dan integrasi sistem yang lebih kompak, lebih efisien, dan berkinerja lebih tinggi. Sementara itu, teknik pembuatan optik dan opto-mekanikal juga telah maju, yang memungkinkan desainer mengganti optika konvensional dengan optika non-tradisional untuk mengurangi ukuran dan bobot subrakit optik lebih lanjut. Tren industri yang lebih luas ini, bersama dengan kemajuan detektor dan radiometri yang berlanjut dalam segmen citra termal, dapat menawarkan OEM dan integrator sistem berbagai fleksibilitas saat kamera termal yang tepat mendukung opsi ini.

Sampel Pasar Kamera Termal Radiometrik

Tabel 1 merangkum sejumlah parameter kinerja utama untuk lima kamera termal radiometrik saat ini dengan format piksel QVGA.

Untuk menggambarkan beberapa parameter kinerja utama yang diidentifikasi di bagian sebelumnya, kami fokus pada entri pertama dalam tabel, JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha adalah keluarga kamera inframerah kompak, “plug and play”, yang menawarkan berbagai opsi konfigurasi standar seperti format video (VGA atau QVGA), lajur bingkai, otomatisasi mekanik atau operasi tanpa otomatisasi yang stabil jangka panjang, beberapa antarmuka komunikasi standar (USB, GigE, dan CMOS) dan opsi lensa untuk memungkinkan bidang pandang kamera dari 5 derajat hingga 60 derajat.

Kamera ini berfungsi sepenuhnya sebagai perangkat mandiri, tetapi dirancang untuk memfasilitasi integrasi ke dalam aplikasi OEM (original equipment manufacturer). Pendekatan “toolbox” EVIDIR dari opsi konfigurasi yang tersedia digunakan untuk penyesuaian yang mudah. Opsi seperti lensa, otomatisasi, format video, dan antarmuka komunikasi bersifat modular, yang memungkinkan pelanggan untuk mencampur dan mencocokkan sesuai kebutuhan aplikasi mereka.

Versi QVGA dan VGA dari baik kamera maupun kamera radiometrik berbagi antarmuka mekanis, optik, listrik, dan perintah yang sama untuk memungkinkan pengupgradean yang mudah dan meminimalkan waktu pengembangan OEM. Kamera ini dibangun di sekitar array titik fokus mikro-bolometer tidak dikeringkan 12 μm yang modern dan citra termal stabil, seragam dengan NETD standar lebih baik dari 30 mK. Inti kamera adalah tumpukan dua papan yang terdiri dari array titik fokus (terintegrasi dalam rangkaian sirkuit cetak) dan papan prosesor.

Format output asli kamera adalah CMOS dan integrator OEM dapat menggunakan format ini untuk meminimalkan ukuran dan daya atau memilih papan antarmuka untuk mengonversi output ke format citra standar yang diinginkan (mis. USB atau GigE). Versi CMOS kamera menarik <950mW untuk kamera QVGA yang berjalan pada 60Hz. Rangka perawatan aluminium kamera berukuran 20mm × 30mm × 30mm dan berat 27g tanpa lensa. Ada berbagai adaptor lensa untuk memungkinkan banyak lensa siap pakai digunakan untuk mencocokkan aplikasi dengan terbaik. Kamera radiometrik mendapatkan kalibrasi yang ditingkatkan tetapi sebaliknya identik dengan versi kamera.

Ringkasan

Kamera termal standar terdepan saat ini menawarkan OEM alternatif dengan performa lebih tinggi, biaya lebih rendah, dibandingkan kamera termal dan radiometrik QVGA dan VGA sebelumnya di pasar. Saat dirancang dengan tepat, penyesuaian kamera termal memungkinkan OEM untuk menyesuaikan kamera agar paling sesuai dengan aplikasi mereka dan meminimalkan biaya.

Peningkatan industri yang berlanjut akan memberikan pelanggan produk yang tepat untuk kebutuhan mereka termasuk sensor SXGA (1280 × 1024) dengan jarak 12μm, sensor XGA (1024 × 768) yang ditingkatkan dan teknologi VGA (640 × 480), peningkatan resolusi, sub-bingkai, zoom elektronik digital (e-zoom) dan stabilisasi citra elektronik, operasi dengan atau tanpa otomatisasi, lajur bingkai yang dapat dipilih tambahan, dan antarmuka listrik opsional seperti CameraLink.

Artikel ini ditulis oleh Dr. Daniel Brenner, MBA, Divisi Cahaya & Optik, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Jerman). Untuk informasi lebih lanjut, klik di sini .