热成像传感器用于发热检测的研究进展

电子产品中有许多应用有望使我们的生活更加舒适和安全。人们越来越认为热成像相机具有这样的前景，特别是自新冠肺炎疫情爆发以来。

病毒在全球的快速传播给公共卫生、食品系统和工作场所带来了前所未有的挑战，并导致全球范围内的生命损失惨重。它摧毁了就业机会，使数百万人的生计面临风险。面对这场危机，找到一种从远处快速测量体温的方法——包括能够同时扫描人群，而无需干扰他们的活动——对于管理大流行变得非常重要。这是因为体温升高是病毒感染的常见症状之一，因此，有效识别发烧人群的能力有助于限制导致新冠肺炎的病毒传播。

热成像传感器是赋予我们这种能力的技术的核心。

热成像传感器

但什么是热成像传感器，热成像相机如何让我们从远处测量核心体温？热成像传感器是微机电系统（MEMS）芯片，包括对8至14μm波长范围内的冲击长波红外电磁辐射（LWIR）敏感的探测器阵列。所有高于0开尔文的物体和所有生物都在这个光谱范围内辐射，这种辐射的强度代表了它们的表面温度。

与波长在400至700nm之间的可见光不同，LWIR辐射对人眼是不可见的。然而，构成热成像仪阵列的探测器能够通过以可测量的方式改变其财产来响应入射的红外热，例如，通过改变其电阻或通过产生由于

塞贝克效应。这些变化被读出电路放大并数字化，最终产生的数字代码被转换成温度值。

因此，每个热探测器都在其自身的瞬时视野中测量物体的表面温度，即它可以感知到发射的热辐射的世界的一部分。然后，有序的二维探测器阵列产生一个二维像素阵列-类似于灰度视觉图像，但在这种情况下，每个像素代表场景的那部分有多热，而不是它有多亮。

除了简单的类比之外，对灰度图像的引用是有用的，因为人们可以很容易地直觉到热图像也可以通过或多或少的视觉图像处理的标准技术来处理和分析。它还可以显示为信息热图，从而对于每个温度值，都有特定的关联颜色。
图1显示了一个视觉图像、灰度热图像和彩色热图像的示例，这三个图像都属于同一场景。

图1：视觉摄像机图像与热摄像机图像（来源：Meridian创新)

这些热图像由一个特殊的相机模块使用图2所示的LWIR热成像芯片拍摄。

核心体温测量

我们之前说过，热成像仪测量视场中物体或物体的表面温度。现在的问题是，我们是否以及如何利用热图像中的信息来确定人体的核心体温。

在回答这个问题之前，让我们回顾一下，传统上，核心体温是通过水银或数字温度计（图3）测量的，该温度计必须与体温非常接近或与内脏温度相同的身体隐蔽区域进行物理接触。典型的接触部位是直肠内（直肠温度计，这是接触温度计中最准确的）、舌下（口腔温度计，比直肠温度读数低0.3°C）或腋窝（腋窝温度计，比肛门温度读数低0.6°C）。

图3：靴形接触温度计（来源：Meridian创新)

接触式温度计的实际局限性已经通过开发不同类型的非接触式红外传感温度计而得到克服，这些温度计可以通过其形状因素和进行测量时必须定位的方式来区分——例如，位于耳道远端的鼓膜温度计；颞动脉温度计，滑过前额一侧的颞浅动脉；或前额温度计（图4），放置在前额正前方。这些温度计有三个共同因素：

1. 他们有一个能感知皮肤温度的LWIR探测器，它是由大块硅热电堆技术生产的。
2. 根据测量的皮肤温度、环境温度和传热方程，在设备中计算显示的核心体温。
3. 温度计必须非常靠近皮肤（即，最多几厘米远），即使皮肤和探测器之间不需要物理接触。

用于检测高温的热成像摄像机

另一方面，热成像相机如前所述围绕多像素热成像传感器构建。用于形成探测器的设计和制造过程不仅允许小型化，这有利于每个管芯封装更多的探测器（例如，5000像素或更多），而且还导致具有短响应时间的更灵敏的探测器，这允许人们以每秒1至30帧的帧速率不仅捕获静态场景，还捕获热视频流。

该技术加上通常具有至少40°角视场的专用镜头，可以在50厘米到几米的距离内捕捉复杂的动态热场景，包括同时拍摄多人。

所有这些似乎都使人们能够在不阻止的情况下，从远处同时快速测量各组个体的体温——但这真的足够吗？显然不是。

首先，探测器只能检测皮肤表面的温度。与前额温度计类似，核心体温必须基于人体的某些生物物理模型来计算。

现在出现的问题是将哪个像素作为感兴趣的皮肤温度的代表。这是一件无关紧要的事情，因为热成像仪以多个像素分辨人脸，温度读数可以变化超过1°C。

此外，透镜缺陷等因素；相机和被摄体之间的视角；以及面罩、遮挡面部的发型、眼镜等的存在，都会导致温度读数不准确，并使其解释比简单的前额或耳内红外温度计复杂得多。

图5：Meridian Innovation多人发热检测摄像头解决方案（来源：Meridian创新)

这就是热图像处理和分析的关键作用。考虑到热图像中可用的“多余”信息，各种误差大多具有系统性，可以进行补偿。然而，这使得用于发热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财产，精通热成像和一些生物物理学，当然，精通图像和数据分析。

用于温度扫描的典型系统包括视觉和热成像传感器。分析视觉图像流以进行面部检测和面部掩模检测，并且将所得的感兴趣区域映射到热数据流以进行温度分析。

这种处理的结果如图5所示，其中在给定的视觉和热框架中识别出三个人，并且在视觉框架上标注每个人的估计核心体温。然而，当必须保护个人隐私并且因此不能在系统上使用视觉图像传感器时，发烧扫描变得更加困难。在这种情况下，受试者检测和随后的核心体温估计的整个过程必须仅基于热视频流。

Meridian Innovation的Stanislav Markov博士在《发热检测研究笔记》中详细介绍了它的工作原理erp.meridianinno.com/documents/On_Fever_Dection_english.pdf。

参考设计

如上所述，及时交付用于检测高温的热成像相机的必要性以及构建良好解决方案的复杂性，导致了为OEM和ODM提供大量参考设计的共同努力。这种参考设计的示例由Arrow Electronics提供，并在www.arrowopenlab.com/HkOpenLab/solutions/2021E001.pdf.

参考设计的核心是Meridian Innovation（meridianinno.com）推出的新型热成像仪。该成像仪通过CMOS/MEMS技术大规模生产，在像素设计方面是传统微测辐射热计和体热电堆的混合。除了热成像仪之外，参考设计还包括一个环境传感器和一个飞行时间传感器，用于估计与受试者的距离。它得益于AI增强的应用软件，该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的质量。选择具有成本效益的组件以及软件开发套件，有助于克服最重要的障碍，包括计算核心体温，降低了采用该设计的障碍，并有助于满足对可检测发烧的热成像相机的需求。

结论

热成像传感器现在很容易获得，并且对于大众市场产品来说价格合理。可访问的参考硬件设计和软件解决方案有助于采用该技术，并使热成像相机（包括用于自动发热检测的相机）能够快速开发周期。此类产品有助于管理大流行，并呈现出一个引人注目的故事，在这个故事中，创新技术促进了更安全和更好的生活。

---

-Hasan Gadjali是Meridian Innovation Ltd.有限公司的联合创始人兼首席运营官。

-Stanislav Nikolaev Markov是Meridian Innovation Ltd.有限公司的科学家。