マイクロボロメータを備えたスマートサーマルカメラの内部を掘る

中国の会社Hikvisionは、世界市場における監視カメラの大手サプライヤーの1つであり、その資本金は昨年200億ドルに増加しました。



CCTVシステムの需要は、過去数年間で中国と世界中の両方で急増しています。多くの地域や企業のリーダーは、カメラが広範囲にわたる監視を備えたいわゆる「スマートシティ」の構築に不可欠であると信じています。



2016年にリリースされたHikvisionのサーマルカメラは、1つの単純な理由でSystem PlusConsultingの注目を集めました。それはAIです。



Hikvisionは、ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方のソリューションを製品に組み合わせた、統合AIシステムを備えた最初のカメラを作成しました。これにより、YoleDéveloppementの一部門であるSystem Plus Consultingは、このカメラの内部を調べて、「その背後にある技術的ソリューション」を理解するようになりました。



最も注目すべきは、このカメラは、「中国のマイクロボロメーターとプロセッサー」と「中国以外のAI用アナログコンポーネントおよびデバイス」という、東西の最高の世界を体現していることです。



この専門分野におけるHikvisionの競合相手には、中国に拠点を置くDahuaとUniview、Bosch（ドイツ）、Axis（スウェーデン）があります。



Hikvisionは、「この会社は独自の製品を設計および製造できる」という点でそれらとは異なります。この中国の会社は独自のMEMS生産ラインを持っており、パッケージングとテストに従事し、表面実装に従事し、コンポーネントの最終組み立てを行っています。



Intel、Hikvision、およびMovidius（現在はIntel）は、問題のカメラに固有の3つの主要コンポーネントを提供しています。

• Intel Peltier調整可能モジュールは、マイクロボロメータの読み取りと温度制御後のデジタル信号処理を担当します
• Hikvision自体は、画像信号処理、ビデオのエンコードと暗号化、およびネットワーク機能用のチップを開発しました
• Movidiusプロセッサは、画像処理のためにAIを強化します

さらに本文では、System Plus Consultingのスペシャリストがこのカメラを分解し、詳細に説明します。

サーマルチャンバー

サーマルカメラは、人体が発生する熱を検出し、高度な信号解析プロセスを使用して画像に変換することができます。画像は、温度を検出して分析することで再現されます。過去数年間で、熱画像はマイクロボロメータのおかげで低コストのアプリケーションにその道を見出しました。



マイクロボロメータは、赤外線を検出するセンサーです。それらは、さまざまな層と、酸化バナジウムやアモルファスシリコン（α-Si）などのさまざまな吸収材料で構成された検出ポイント（「ピクセル」と呼ばれる）のネットワークで構成されています。



System Plus Consultingとの会話で、Hikvision DS-2TD2166-15 / V1ネットワーク熱画像カメラの技術的および構造的側面について話し合いました。 System Plus Consultingの技術スペシャリストが、システム機器の電子構造とハードウェア構造について話し、それを構成するさまざまな要素に焦点を当てました。



Hikvision DS-2TD2166-15 / V1サーマルネットワークカメラには、非冷却の酸化バナジウム焦点面アレイに基づくイメージセンサーが装備されています（図1）。空港、鉄道などのいくつかの重要なインフラストラクチャのインテリジェント分析アルゴリズムをサポートします。この熱画像カメラは、640×512ピクセル（17μmピッチ）のRTD6171MRマイクロボロメーターなどのいくつかのチップセットに基づいています。 FPGA Cyclone V 550MHz 224I / O（FBGA484）; SDRAM 2 GB（128Mx16）800 MHz 13.75 ns（TFBGA96）;ペルチェモジュール用の温度コントローラー（TQFN48）;プロのHDIPカメラ用のシステムオンチップ。 Machine Vision Processor 2x32Bit RISCProc。 4Gb LPDDR3;およびDDR4DRAM 8 GB（512Mx16）2400Mbps。



技術的および設計上の特徴により、このカメラは火災を防ぎ、工場や製造プロセスの過熱や温度変化をすばやく検出するのに理想的です。



このカメラの画像分析技術により、連続したビデオストリームから空間と時間のイベントを検出できます。カメラには、ビデオコンテンツ分析用の4種類のルール（ラインの交差、侵入、領域への出入り）があり、さらに4つのルールを実装できます。



このカメラは、ユーザーが完全な暗闇や困難な状況で人、物、事故を検出できるようにする熱画像をキャプチャします。カメラは身体から放出される赤外線にのみ敏感であるため、画像を表示および記録する機能は、記録されているシーンの光の影響を受けません。



カメラは、監視対象スポットの実際の温度を測定することもできます。温度がしきい値を超えると、デバイスはアラームを発します。このカメラのハードウェアを見てみましょう。







図1：Hikvision DS-2TD2166-15 / V1。

Hikvisionハードウェア

サーマルイメージャーは6つのボードで構成され、各ボードは特定の目的のために設計されています。いくつかの部分を見てみましょう（図2および3）。 TSMCの28nm低電力（28LP）プロセステクノロジーに基づいて構築されたFPGA Cyclone VSoC。これは、デュアルコアARM Cortex-A9 MPCoreプロセッサ、さまざまな周辺機器、およびマルチポートSDRAMコントローラで構成されています。この回路を使用すると、電力を節約し、100 Gbpsを超えるピークスループットと、プロセッサとFPGA間のデータ転送ネゴシエーションをサポートします。







図2：Hikvisionのボード。







図3：Hikvision PCB2。



信号整形/増幅コンポーネントは、さまざまなマイクロ回路、特に汎用アンプAD8605ARTZ-REEL、LT6203IMS8 100 MHzデュアルアンプ、LT1994IMS8 70MHz差動アンプで構成されています。 AD8605ARTZは、非常に低いオフセット電圧、低い入力電圧とノイズ、および高い帯域幅を特長としています。特許取得済みのAnalogDevices、Incを使用しています。電流源をプログラミングすることによって回路性能を調整するDigiTrimトリム技術。



LT6202のノイズ電圧は1.9nV /√Hzで、アンプあたり2.5mAしか消費しません。このアンプは、低ノイズと消費電流を100 MHzのゲイン帯域幅、25 V /μsのスルーレートと組み合わせ、低入力シェーピングのシステム向けに最適化されています。高調波歪みは1MHzで-80dBc未満であるため、これらの増幅器は、このサーマルチャンバーなどの低電力取得システムでの使用に適しています。



LT1994は、差動入力および単電源ADCを駆動するレベルシフト信号に最適です。 LT1994のコモンモード出力電圧は電圧に依存せず、データシートに記載されているようにVOCMピンに電圧を印加することによって調整されます。



16ビットADCADS1112IDGSRおよびLT3042IDDは、FPGAとの一貫した通信をサポートします。DS1112は、メモリと電力消費を考慮する必要がある高解像度の測定を必要とするアプリケーション向けに設計されています。LT3042IDDは、ノイズに敏感なRFアプリケーションに電力を供給するために設計された線形の低ドロップアウト電圧レギュレータです。ボード3と1には、リニアレギュレータや降圧コンバータなどのそれぞれの統合サブシステムへの電力供給をサポートする他のICがあります。



コストの80％を決定する主な詳細は、マイクロボロメーター（酸化バナジウム）です。これは、温度制御回路を備えたペルチェコンポーネントによってサポートされています。

レンズ

マイクロボロメータをサポートするメインモジュールは、センサーの赤外線を最適化するためのさまざまなレンズで構成されています。図4と図5に、直径19.6 mmのゲルマニウムレンズと、17.6mmと27.6mmの異なる直径のヒ素トリセレニド（As2Se3）で作られた2つのレンズを示します。







図4：カメラモジュール。







図5：レンズモジュール。



光学系には、光の知覚領域を表す開口数（焦点比または相対開口と呼ばれることもあります）などがあります。つまり、焦点の長さを開口部の直径で割ったものです。



より大きな開口径を持つレンズは、より多くの光または赤外線放射を通過させます。その結果、より多くの赤外線放射は、信号対雑音比の観点から測定を改善します。測定の品質を決定するパラメータは、「NETD」または「ノイズ等価温度差」と呼ばれます。これは通常、ミリケルビン（mK）で表され、熱画像検出器が熱画像の小さな違いをどれだけうまく区別できるかを表します。マイクロボロメータを備えた非冷却熱画像カメラの一般的な値は、45mKのオーダーです。

マイクロボロメータ

ピクセル抵抗グリッドは、非冷却センサーを形成します。このようなセンサーはマイクロボロメーターと呼ばれます。吸収体に入る放射は、その温度を抵抗器の温度より高くします。消費電力が大きいほど、温度上昇が大きくなります。抵抗値は入射放射によって変化します（特に表面を加熱する赤外線の影響が強い）。各ピクセルは入力CMOSセル（読み出し集積回路-ROIC）で表され、マイクロ回路で処理されて、FPGAを使用してコンピューターまたはモニター上に画像を作成します（図6および7）。通常、マイクロボロメータの構造は、8〜14 µmのスペクトル範囲でより高い感度が得られるように最適化されています。 Hikvision DS-2TD2166-15 / V1は、640×512ピクセルの解像度（17μmピッチ）のIRAYRTD6171MRセンサーを使用します。60 Hz（アナログ出力）およびSMD。







図6：マイクロボロメーター-IRAYRTD6171MR。







図：7.マイクロボロメータRTD6171MR17ミクロン-分解。



ゲッターはガスの発生を大幅に低減し、体腔内の低圧を維持します。



System Plusは、以下に要約されているマイクロボロメータの物理的特性を強調しています。

• ダイ面積：175.2mm²（13.6 x 12.8 mm）
• ピクセル面積：96.4mm²（10.9 x 8.85 mm）
• ピクセルアレイ：641 x 520
• アクティブピクセルマトリックス：640 x 512
• 基板数：107
• ワイヤー接続：32

内側から分析すると、リフレクターが吸収材の下にあり、基板と接触していることがわかります。これにより、光の向きが変わり、信号が最適化されます。吸収性材料は基板から「吊り下げ」られて断熱性を提供し、ピクセルグリッドは耐久性と信頼性を高めるために真空シールされています。サーマルカメラで使用されるほとんどのマイクロボロメータは、熱コントラストが優れているため、吸収材として酸化バナジウムを使用します。これにより、より正確で鮮明な画像が得られます。



酸化バナジウム検出器は、通常約30MΩのインピーダンスを持つα-Si検出器とは対照的に、中央の抵抗に対して約100kΩのインピーダンスを持っています。これらの条件下では、酸化バナジウムのジョンソンノイズ電圧が低くなるため、測定のノイズが少なくなります。ジョンソンノイズ電圧は、抵抗定格、回路帯域幅、および温度の3つの条件に依存します。



チャンバーには、基準温度とペルチェ温度安定化システムが装備されており、基準が統合された4チャネル14ビットAD5645RBRUZ DACと、ペルチェコンポーネント用のMAX1978ETM + T温度コントローラーが装備されています。



ペルチェ要素は、発電機、冷却、正確な温度制御に使用される安価な熱電装置であり、このチャンバーと同様に、特定のレベルで一定の物体温度を維持します。ペルチェ要素は熱電現象に基づいています。これらの現象は、2つの異なる金属材料のPN接合における電圧レベル差の形成に基づいています。



MAX1978には、高効率を維持しながら外付け部品を最小限に抑える電力電界効果トランジスタと熱管理回路が組み込まれています。超低ドリフトチョッパーアンプは、±0.001°Cの温度安定性を提供します。温度センサーはレンズモジュールに配置され、NTC / PTCサーミスタに基づいています。オプションのデジタル温度センサーTMP75AIDRG4は、FPGAによって直接制御されるシステム温度（環境）を監視します。



他のタイプの赤外線検出装置とは異なり、酸化バナジウムマイクロボロメータは冷却を必要としません。酸化バナジウムは、温度によって動作が異なります。コーティングされたガラスは、特定の温度で赤外線放射（可視光ではない）をブロックし、カメラの電子機器が電磁スペクトルからの画像を処理して疑似カラーで再現できるようにします。

その他のモジュール

サーマルカメラは、産業用インターフェース用のRS232伝送（SP3232EEN-L経由）およびRTL8201FI-VC-CGをサポートするイーサネット伝送をサポートします。ボード6には、図2に示すように、電子機器を過渡現象やESDから保護するための過渡電圧抑制ダイオードを備えたAC / DC電源システムが含まれています。







図2：Hikvisionのボードの一部。



サーマルカメラにはPoEインターフェースも組み込まれており、TPS2378DDDARPoEハイパワーPDインターフェースとTexasInstrumentsTL2845BDR-8コントローラーでサポートされています。後者は、最小限の外部コンポーネントでスタンドアロンまたはDC動作で固定周波数DC制御方式を実装するために必要なすべての機能を提供します。



TPS2378DDARの低いスイッチ抵抗（0.5オーム）とPowerPADシャーシの改善された熱放散により、PoEシステムは最大0.85 Aを継続的に処理できます。PoweroverEthernet（PoE）は、イーサネットケーブルを介して電力を転送するテクノロジーです。受電装置は電源ユニット（PSE）と呼ばれ、受電装置は受電装置（PD）と呼ばれます。受電装置が電源に接続されている場合、PoE規格は、大きなサージを防ぐために突入電流を決定します。さらに、PoE規格は、電力マッチングのために、電源と受電装置の間のアナログハンドシェイク（分類）を提供します。



カメラでのビデオの操作は、HI3519 V111SoCに基づくシステムによって提供されます。 H.265ビデオ圧縮コーデックを使用し、低消費電力とアーキテクチャ設計を特長としています。 Hi3519 V101は、90°または270°の回転、ハードウェア支援のレンズ歪み補正、さまざまなIPカメラモデルのアルゴリズム、およびオーディオコーデックをサポートします。このSoCには、それぞれ2組のDDR44GBメモリとGD5F2GQ4UB9IGRフラッシュNAND2MBSPIが装備されています。



Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISCProc。 933MHzのLPDDR34Gbはボード4（図2）に配置されており、システムがオブジェクトや人をすばやく認識し、人の数を分析し、製造された製品をチェックすることなどを可能にします。コンピュータービジョンシステムは、深い学習を使用して、画像の処理と分析においてシステムをガイドするニューラルネットワークを形成します。



冷却センサーと非冷却センサーを備えたさまざまなサーマルチャンバーが市場で際立っています。冷却センサーを備えたサーマルイメージャーはより高価です。最新のサーマルカメラの多くには、クライオクーラーを備えたセンサーが組み込まれています。



マイクロボロメータのおかげで、熱画像カメラは低コストで優れた精度を提供します。カメラは、物体から放出される熱の表面温度を測定し、それを画像として投影します。

---

• コントローラーの機能分離を備えたデュアル燃料エンジン用のロシア初のシリアル制御システム
• 現代の車では、コードの行数が...
• 自動車、航空宇宙、ロボティクス、エンジニアリングの無料オンラインコース（50歳以上）
• マッキンジー：自動車のエレクトロニクスソフトウェアとアーキテクチャを再考する