FLIR LEPTON? 熱成像相機(jī)模塊：卓越性能與多模式應(yīng)用的完美結(jié)合

在熱成像技術(shù)領(lǐng)域，F(xiàn)LIR LEPTON? 帶輻射測(cè)量功能的相機(jī)模塊無疑是一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。它以其緊湊的設(shè)計(jì)、出色的性能和多樣化的功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。下面，我們就來深入了解一下這款熱成像相機(jī)模塊。

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1. 總體概述

1.1 基本構(gòu)成

FLIR LEPTON 是一款集成了定焦鏡頭組件、80x60 長波紅外（LWIR）微測(cè)輻射熱計(jì)傳感器陣列以及信號(hào)處理電子元件的紅外相機(jī)系統(tǒng)。它還可配備一個(gè)積分快門組件，用于定期自動(dòng)優(yōu)化圖像均勻性。

1.2 應(yīng)用定位

該模塊易于集成和操作，適用于移動(dòng)設(shè)備以及任何對(duì)尺寸、功耗和即時(shí)啟動(dòng)性能有要求的應(yīng)用場(chǎng)景。用戶既可以讓它在默認(rèn)模式下運(yùn)行，也能通過命令和控制接口（CCI）將其配置為其他模式。

2. 關(guān)鍵規(guī)格

2.1 光學(xué)與成像性能

2.2 電氣與機(jī)械特性

3. 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

鏡頭組件將場(chǎng)景中的紅外輻射聚焦到一個(gè)由 80x60 個(gè)間距為 17 微米的熱探測(cè)器組成的陣列上。每個(gè)探測(cè)器元件是一個(gè)氧化釩（VOx）微測(cè)輻射熱計(jì)，其溫度會(huì)隨入射通量而波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致電阻成比例變化。VOx 具有高電阻溫度系數(shù)（TCR）和低 1/f 噪聲，從而具備出色的熱靈敏度和穩(wěn)定的均勻性。微測(cè)輻射熱計(jì)陣列在讀出集成電路（ROIC）上單片生長，構(gòu)成完整的焦平面陣列（FPA）。每幀一次，ROIC 通過施加偏置電壓并在有限的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)生的電流進(jìn)行積分，來感應(yīng)每個(gè)探測(cè)器的電阻。

3.2 功能模塊

• FPA 接口模塊：為 FPA 生成定時(shí)和控制信號(hào)，接收并解串來自 FPA 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。同時(shí)，將板載溫度傳感器的輸出值多路復(fù)用進(jìn)像素?cái)?shù)據(jù)流，并將其剝離和累積以提高信噪比（SNR）。
• 系統(tǒng)控制（Sys Ctrl）模塊：提供鎖相環(huán)（PLL），為其他模塊生成所需的所有時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。還能生成其他定時(shí)事件，如同步信號(hào)和內(nèi)部看門狗定時(shí)器。此外，它還具備啟動(dòng)控制器、隨機(jī)數(shù)生成器和命令與控制接口（CCI）解碼邏輯。
• 電源管理模塊：在系統(tǒng)控制模塊的指導(dǎo)下控制電源開關(guān)。
• 基于軟件的視頻處理（SVP Core）模塊：是一個(gè)非對(duì)稱多核數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）引擎，提供完整的視頻處理流水線。
• 內(nèi)存系統(tǒng)（Memory Sys）模塊：為所有需要訪問靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）和/或一次性可編程存儲(chǔ)器（OTP）的模塊提供內(nèi)存接口。
• 通用處理器（GPP）：作為中央處理單元（CPU），負(fù)責(zé)服務(wù) CCI 命令、初始化和配置視頻處理流水線、進(jìn)行電源管理以及其他日常管理功能。
• 視頻接口模塊（Video IF）：接收視頻數(shù)據(jù)，并將其格式化為 VoSPI 協(xié)議。
• 一次性可編程存儲(chǔ)器（OTP）：總?cè)萘繛?384KB，包含相機(jī)的所有非易失性數(shù)據(jù)，如 SVP Core 和 GPP 的軟件程序、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和相機(jī)唯一數(shù)據(jù)（如序列號(hào)）。用戶可選擇將所需的默認(rèn)設(shè)置（如 FFC 模式、輻射測(cè)量配置等）寫入 OTP，避免在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化序列來配置運(yùn)行時(shí)設(shè)置。
• 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）：是所有其他模塊使用的主要易失性存儲(chǔ)器。
• 通用輸入/輸出（GPIO）接口模塊：實(shí)現(xiàn) GPIO 引腳功能，這些引腳可在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行配置。

4. 工作狀態(tài)與模式

4.1 電源狀態(tài)

• 關(guān)閉狀態(tài)：無電壓施加時(shí)，相機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，所有相機(jī)功能均不可用。
• 未初始化狀態(tài)：所有電壓形式都已施加，但相機(jī)尚未啟動(dòng)，處于不確定狀態(tài)。不建議長時(shí)間處于此狀態(tài)，應(yīng)將其啟動(dòng)到開啟狀態(tài)。
• 開啟狀態(tài)：所有功能和接口完全可用。
• 關(guān)機(jī)狀態(tài)：所有電壓形式都已施加，但功耗約為 4mW。此時(shí)無功能可用，但可通過啟動(dòng)序列轉(zhuǎn)換到開啟狀態(tài)。
• 過熱狀態(tài)：當(dāng)相機(jī)檢測(cè)到溫度超過約 80°C 時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入過熱狀態(tài)。進(jìn)入該狀態(tài)后，相機(jī)會(huì)在遙測(cè)線路中啟用一個(gè)“即將關(guān)機(jī)”狀態(tài)位，并啟動(dòng)一個(gè) 10 秒的計(jì)數(shù)器。若溫度在計(jì)數(shù)器超時(shí)前降至 80°C 以下，“即將關(guān)機(jī)”位將被清除，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換回開啟狀態(tài)；若計(jì)數(shù)器超時(shí)，相機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到待機(jī)狀態(tài)。

4.2 平場(chǎng)校正（FFC）狀態(tài)

相機(jī)在出廠時(shí)經(jīng)過校準(zhǔn)，在觀察均勻溫度場(chǎng)景時(shí)可產(chǎn)生高度均勻的輸出圖像。但長時(shí)間漂移效應(yīng)會(huì)降低圖像均勻性，影響圖像質(zhì)量和輻射測(cè)量精度。在場(chǎng)景有大量移動(dòng)的情況下，相機(jī)可通過基于場(chǎng)景的非均勻性校正（SBNUC）算法自動(dòng)補(bǔ)償漂移效應(yīng)；對(duì)于場(chǎng)景基本靜止的情況，建議定期進(jìn)行平場(chǎng)校正（FFC）。FFC 是一種自動(dòng)重新校準(zhǔn)相機(jī)信號(hào)處理引擎應(yīng)用的 NUC 術(shù)語以產(chǎn)生最佳圖像質(zhì)量的過程，整個(gè)過程不到一秒。相機(jī)提供三種不同的 FFC 模式：外部手動(dòng)、手動(dòng)和自動(dòng)（默認(rèn)）。當(dāng)前 FFC 狀態(tài)通過遙測(cè)線路提供，共有四種狀態(tài)：FFC 未命令（默認(rèn)）、FFC 即將進(jìn)行、FFC 正在進(jìn)行和 FFC 完成。此外，相機(jī)還在遙測(cè)線路中提供一個(gè)“FFC 期望”標(biāo)志，用于指示何時(shí)應(yīng)進(jìn)行 FFC。當(dāng)檢測(cè)到溫度超出 -10°C 至 +80°C 范圍時(shí)，相機(jī)會(huì)自動(dòng)禁止快門操作，溫度恢復(fù)到有效范圍后，快門將自動(dòng)恢復(fù)正常操作。

4.3 增益狀態(tài)

相機(jī)可配置為高增益狀態(tài)或低增益狀態(tài)。高增益狀態(tài)具有較低的噪聲等效溫差（NEDT）和較低的場(chǎng)景內(nèi)溫度范圍，低增益狀態(tài)則具有較高的 NEDT 和較高的場(chǎng)景內(nèi)溫度范圍。相機(jī)提供三種增益選擇模式：高（默認(rèn)）、低和自動(dòng)。在自動(dòng)增益模式下，相機(jī)會(huì)根據(jù)場(chǎng)景條件和用戶可選擇的參數(shù)自動(dòng)選擇高增益或低增益狀態(tài)。輻射測(cè)量必須啟用才能將相機(jī)軟件配置為自動(dòng)增益模式，且在增益切換時(shí)需要進(jìn)行 FFC 以更新均勻性和輻射測(cè)量精度。

4.4 遙測(cè)模式

有三種遙測(cè)模式會(huì)影響視頻輸出信號(hào)：遙測(cè)禁用（默認(rèn)）、遙測(cè)作為頭部和遙測(cè)作為尾部?？赏ㄟ^ CCI 上的顯式命令選擇每種模式。遙測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和編碼詳細(xì)列出，包括遙測(cè)版本、時(shí)間計(jì)數(shù)器、狀態(tài)位、模塊序列號(hào)、軟件版本等信息。

4.5 輻射測(cè)量模式

• 輻射測(cè)量啟用，TLinear 啟用（默認(rèn)）：此模式下，像素輸出代表場(chǎng)景溫度值（以開爾文為單位，乘以比例因子以包含小數(shù)）。啟用輻射測(cè)量后，可利用點(diǎn)溫計(jì)功能通過 CCI 和/或遙測(cè)獲取給定幀和感興趣區(qū)域（ROI）的平均、最大和最小溫度讀數(shù)。
• 輻射測(cè)量啟用，TLinear 禁用：相機(jī)在這種模式下也能進(jìn)行輻射測(cè)量相關(guān)調(diào)整，但像素輸出不代表具體溫度值。
• 輻射測(cè)量禁用：給定像素的輸出旨在當(dāng)觀察與相機(jī)溫度相同的場(chǎng)景時(shí)處于 14 位范圍的下四分之一（約 4096）。

相機(jī)模塊在高增益和低增益模式下針對(duì) 35°C 黑體有不同的輻射測(cè)量精度指標(biāo)。但在實(shí)際系統(tǒng)中，輻射測(cè)量精度會(huì)受到多種因素影響，如環(huán)境和場(chǎng)景溫度、目標(biāo)的大小、距離和發(fā)射率、極端濕度、某些氣體濃度以及附近的高溫或低溫物體等。為提高輻射測(cè)量精度，可通過軟件配置一些參數(shù)來補(bǔ)償系統(tǒng)與工廠校準(zhǔn)之間的差異。

4.6 自動(dòng)增益控制（AGC）模式

有兩種 AGC 模式：AGC 禁用（默認(rèn)）和 AGC 啟用。AGC 是將紅外傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍壓縮到適合顯示系統(tǒng)范圍的過程，對(duì)于 Lepton 來說是從 14 位到 8 位的轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)單的線性 AGC 在某些成像條件下可能無法提供令人滿意的圖像，因此相機(jī)采用了一種基于直方圖的改進(jìn)算法。該算法通過“高裁剪限制”和“低裁剪限制”兩個(gè)參數(shù)來緩解傳統(tǒng)直方圖均衡化的一些缺點(diǎn)，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整這些參數(shù)，以獲得最適合的圖像顯示效果。此外，還可以設(shè)置 AGC 感興趣區(qū)域（ROI），使 AGC 算法在收集直方圖時(shí)忽略部分場(chǎng)景內(nèi)容。

4.7 視頻輸出格式模式

有兩種視頻輸出格式模式：Raw14（默認(rèn)）和 RGB888。Raw14 模式適用于查看 14 位數(shù)據(jù)（AGC 禁用）、16 位 TLinear 數(shù)據(jù)（AGC 禁用，TLinear 啟用）或 8 位數(shù)據(jù)（AGC 啟用）而不進(jìn)行顏色化處理。RGB888 模式用于在應(yīng)用顏色查找表（LUT）后查看生成的 24 位 RGB 數(shù)據(jù)。要正確查看 RGB888 數(shù)據(jù)，需要按照一定的操作順序進(jìn)行設(shè)置，包括必要時(shí)禁用遙測(cè)、啟用 AGC、選擇 RGB888 模式、同步或重新同步 VoSPI 通道以及可選地選擇內(nèi)置 LUT 或上傳自定義 LUT。

4.8 GPIO 模式

支持兩種 GPIO 模式：禁用（默認(rèn)）和 VSYNC 啟用。在禁用模式下，GPIO 引腳無輸入或輸出信號(hào)；在 VSYNC 模式下，GPIO3 引腳會(huì)輸出視頻同步信號(hào)，用于優(yōu)化主機(jī)的定時(shí)操作。需要注意的是，無論選擇哪種 GPIO 模式，GPIO0、GPIO1 和 GPIO2 都不應(yīng)連接。

5. 接口描述

5.1 命令與控制接口（CCI）

Lepton 通過一個(gè)類似于 I2C 的兩線接口提供命令和控制接口（CCI），與標(biāo)準(zhǔn) I2C 不同的是，所有 Lepton 寄存器都是 16 位寬，因此只允許 16 位傳輸。CCI 地址為 0x2A，詳細(xì)信息在單獨(dú)的文檔《Lepton 軟件接口描述文檔（IDD）》中描述。通過 CCI 發(fā)出的所有命令通常采用“獲取”（讀取數(shù)據(jù)）、“設(shè)置”（寫入數(shù)據(jù)）或“運(yùn)行”（執(zhí)行功能）的形式。部分可通過 CCI 控制的參數(shù)包括 AGC 模式、AGC ROI、增益模式等。

用戶還可以利用用戶默認(rèn)功能將所需的操作默認(rèn)設(shè)置寫入 OTP，避免在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化序列。此功能需要在 OEM 工廠進(jìn)行，因?yàn)樗枰~外的電壓供應(yīng)和引腳連接，這些在運(yùn)行時(shí)操作中不應(yīng)連接。

5.2 VoSPI 通道

Lepton 的 VoSPI 協(xié)議允許通過 SPI 通道高效且可驗(yàn)證地傳輸視頻。該協(xié)議基于數(shù)據(jù)包，無嵌入式定時(shí)信號(hào)，也無需流量控制。主機(jī)（主設(shè)備）發(fā)起所有事務(wù)并控制時(shí)鐘速度，可從相機(jī)（從設(shè)備）以靈活的速率提取數(shù)據(jù)。

5.2.1 VoSPI 物理接口

VoSPI 使用典型 SPI 通道的 4 條線中的 3 條：SCK（串行時(shí)鐘）、/CS（片選，低電平有效）和 MISO（主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出）。MOSI（主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入）信號(hào)當(dāng)前未使用，應(yīng)接地。實(shí)現(xiàn)限制為單主設(shè)備和單從設(shè)備，相機(jī)使用 SPI 模式 3（CPOL = 1，CPHA = 1），SCK 空閑時(shí)為高電平。數(shù)據(jù)在 SCK 的下降沿由相機(jī)設(shè)置，主機(jī)控制器應(yīng)在上升沿采樣。數(shù)據(jù)按最高有效字節(jié)優(yōu)先和大端順序傳輸。最大時(shí)鐘速率為 20MHz，最小時(shí)鐘速率取決于每幀需要檢索的數(shù)據(jù)位數(shù)，默認(rèn)條件下（Raw14 模式，遙測(cè)禁用）約為 2MHz。

5.2.2 VoSPI 協(xié)議

• VoSPI 數(shù)據(jù)包：是主從設(shè)備之間的最小“事務(wù)”，每個(gè)視頻數(shù)據(jù)包包含單條視頻行或遙測(cè)行的數(shù)據(jù)。除視頻數(shù)據(jù)包外，還包括在無視頻數(shù)據(jù)包可用時(shí)提供的丟棄數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè) 4 字節(jié)的頭部，后跟一個(gè) 160 字節(jié)或 240 字節(jié)的有效負(fù)載，具體取決于所選的位分辨率。視頻數(shù)據(jù)包的頭部包括一個(gè) 2 字節(jié)的 ID 和一個(gè) 2 字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性。
• VoSPI 幀：定義為一系列連續(xù)的 VoSPI 數(shù)據(jù)包，包含一幀完整的像素?cái)?shù)據(jù)。
• VoSPI 流：是一系列連續(xù)的 VoSPI 幀。流的幀率標(biāo)稱略低于 27Hz，為符合美國出口限制，唯一幀的速率略低于 9Hz，每個(gè)唯一幀后會(huì)跟隨兩個(gè)重復(fù)幀?？赏ㄟ^遙測(cè)線路中的 32 位幀計(jì)數(shù)器來識(shí)別三個(gè)相同幀中的第一個(gè)幀。

5.2.3 幀同步

VoSPI 協(xié)議設(shè)計(jì)為無需嵌入式定時(shí)信號(hào)，但相機(jī)提供一個(gè)可選的幀定時(shí)輸出脈沖，可通過選擇 VSYNC GPIO 模式啟用，該脈沖有助于優(yōu)化主機(jī)定時(shí)。主機(jī)可以高速突發(fā)讀取數(shù)據(jù)，然后空閑直到接收到下一個(gè)幀定時(shí)脈沖。該信號(hào)可通過 CCI 配置為領(lǐng)先或滯后實(shí)際內(nèi)部幀起始時(shí)間 -3 至 +3 行周期（約 -1.5ms 至 +1.5ms），默認(rèn)情況下無領(lǐng)先或滯后。

6. 安裝與使用注意事項(xiàng)

6.1 安裝規(guī)格

文檔提供了相機(jī)的安裝尺寸信息，確保在安裝過程中準(zhǔn)確放置相機(jī)，避免因安裝不當(dāng)影響其性能。

6.2 插座信息

Lepton 模塊與兩款市售插座兼容：Molex 105028 - 1001 和 Molex 105028 - 2031。前者在印刷電路板的上表面進(jìn)行電氣接觸，后者在印刷電路板的下表面進(jìn)行電氣接觸，且電路板上需有切口以容納插座。兩種情況下，焊接連接都在電路板的頂部或“元件”側(cè)進(jìn)行。訂購插座可訪問 www.arrow.com。

6.3 機(jī)械考慮

在高沖擊條件下，上述插座不能有效固定 Lepton 組件，因此建議采用前側(cè)固定方式。同時(shí)，相機(jī)不是密封組件，大多數(shù)應(yīng)用中建議將其安裝在密封的保護(hù)窗后面。常用的長波紅外（LWIR）窗口材料包括硅、鍺和硒化鋅，但硅窗口的長波紅外吸收約為 15%/mm，會(huì)對(duì)噪聲等效溫差（NEDT）產(chǎn)生不利影響，而鍺和硒化鋅的體吸收可忽略不計(jì)，只要窗口兩面都進(jìn)行抗反射（