如今，政府和私人安全機構為了減少犯罪或改善公共安全，越來越多的開始應用熱像儀。各種監控攝像頭和互聯網協議（IP）安全攝像頭在城市、酒店、商超、娛樂場所、體育場館和其他商業及工業區隨處可見。
搭載紅外探測器的攝像頭需要主動冷卻，以最大限度地降低熱噪聲，改善圖像分辨率
搭載紅外探測器的熱像儀通常用于改善夜間的設施和邊界安全。近兩年，為了管控新冠疫情（COVID-19）流行，熱像儀已經作為一種必要的安全措施來篩查人員的體溫。
根據市場研究機構MarketsandMarkets的報告數據，由于公共安全和安保關注度的提高、監控攝像頭的日益普及和需求增長，全球視頻監控市場規模預計將從2020年的455億美元增長到2025年的746億美元。
另有數據顯示，2018年僅IP攝像頭市場規模就超過了80億美元，預計2019年~2025年期間將以14%的復合年增長率（CAGR）增長，到2025年全球產業出貨量預計將超過1億臺。
此外，2019年全球紅外相機市場規模超過了60億美元，預計2020年~2026年期間將以7%的復合年增長率增長。
應用背景
監控攝像頭應用了多種光電技術，所有這些技術都需要溫度穩定以達到最佳的性能。數字安防攝像頭通常采用兩種主要類型的圖像傳感器：電荷耦合器件（CCD）和互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器。這兩種圖像傳感器都采用復雜的2D光電探測器陣列（像素）將光子轉換為電荷，然后將這些電荷放大和數字化，以創建數字圖像。兩者之間的區別在于如何以及在何處完成這一過程。
現在，很多安防攝像頭都采用熱成像技術進行夜間監測。類似普通相機利用可見光成像，這些相機利用紅外輻射進行成像?？梢姽庀鄼C的敏感波段大約為400~700 nm，紅外相機對1000 nm~14000 nm的波長敏感。而熱成像相機則使用焦平面陣列來對更長的紅外波長作出響應。
有些智能熱像儀包括功能強大的視頻處理器，能夠處理和分析成像以實現更精確的檢測。先進的視頻處理技術還能夠使熱像儀具有更寬廣的覆蓋范圍，使其能夠在超過600米的距離檢測人體大小的目標。熱像儀大致可分為兩種類型：制冷型和非制冷型。制冷型探測器，可以最大限度地提高探測性能和觀察范圍。
3D相機能夠像人類的雙眼一樣感知場景深度，生成三維圖像。有些3D相機使用兩個或多個攝像頭來記錄多個視點，也有3D相機采用單個攝像頭移動位置來完成拍攝。2D相機基于陰影數據探測、識別成像物體的外觀及尺寸，而3D相機則包含深度信息或者說xyz三維坐標，利用三維坐標數據可以獲得物體的體積和截面信息。
3D檢測可以識別跟物體圖案相近的微小缺陷，這用2D成像很難實現。隨著3D相機技術的發展，應用也在不斷擴展。現在，3D相機已經應用于機器人定位、自動化檢測以及制造和測試應用的特征識別，現在它們正被引入體育場館和娛樂場所，以改善用戶體驗。
熱管理挑戰
無論采用何種成像技術，在應用過程中，成像敏感元件的工作溫度都必須保持在最高極限以下，以確保高質量成像。例如，監控熱像儀利用紅外探測器捕捉目標物體的輻射熱，并將其轉換為視覺圖像。為了獲得最高的圖像質量，紅外探測器必須冷卻到零度以下，以最小化熱噪聲，熱噪聲會破壞或影響成像質量。被動冷卻技術（如散熱器和風扇）通常不足以冷卻熱像儀，因為它們一般無法冷卻到環境溫度以下。下一代熱電冷卻器可提供主動熱管理解決方案，滿足熱像儀中光電器件所要求的尺寸限制和高溫度等級。
工程師在設計熱像儀時可能面臨各種挑戰，包括熱噪聲、尺寸限制、氣流不足以及材料放氣等。
溫度低于露點的所有表面都需要外部保護，以防止在敏感元件上形成水汽。為避免材料放氣，建議使用具有低放氣特性的界面材料。（Ta：環境溫度；Tc：冷側控制溫度不超過40°C；Qc：冷卻要求，即從熱電冷卻器冷側的裝置或外殼中移除熱能的速率，以瓦特為單位）
傳統閉路監控和IP室外攝像頭能夠在高達50°C的溫度下高效工作，但當溫度超過該極限時性能會下降。而紅外相機一般要求工作溫度低于35°C。對于室外陽光暴曬下的監控攝像頭，再加上緊湊設備中外圍組件釋放的熱量，這些應用的工作溫度可能高達90°C。
根據成像要求，相機可能包含多個CMOS傳感器，以提高分辨率或性能。例如，有新款3D相機包含四個CMOS傳感器來生成高質量3D圖像。更復雜的3D相機系統，其內部電源可以產生超過60 W的熱量。加上太陽輻射，戶外3D相機組件往往需要在超過其溫度限制的條件下運行。
因此，這些相機系統必須冷卻，以最大限度地降低熱量的產生。優先考慮將每個CMOS傳感器冷卻到其熱耐受限以下，以優化圖像質量。這需要具有足夠冷卻能力的解決方案，以高效冷卻四個CMOS傳感器，并將所有敏感電子元件的熱量散發到周圍環境中。
熱像儀對熱噪聲非常敏感。熱像儀檢測的是輻射熱，因此來自無源元件本身的熱量都會影響成像。熱管理系統必須能夠為內部組件快速散熱，包括探測器和視頻處理器。高性能熱管理系統使熱像儀能夠以高達0.025°C的精度檢測熱輻射。
熱像儀的小型化趨勢是影響熱負荷的另一個重要因素。為了提高性能和功能，現代安防攝像頭往往需要以更小的尺寸配備更多的電子設備。空間限制會在增加熱流密度的同時，對空氣流通帶來負面影響。空氣流通的限制使熱管理設計變得低效，無法有效冷卻，從而使圖像傳感器溫度高于其最高工作溫度。
熱電器件等冷卻組件也會向散熱路徑增加熱量，這就需要更強大的熱交換器來將熱量散發到空氣環境中。氣流的考量非常重要，需要它們充分耗散熱量，以降低熱交換器熱側的熱阻。風扇或液體熱交換器增加了成本，并且需要在空間本已有限的設計中爭奪空間，這可能會帶來挑戰。
利用珀耳帖效應，熱電冷卻器可以有效地為敏感元件散熱
此外，同樣影響氣流的還有組件完全密封的相機設計。這樣做是為了使相機能夠承受水、液體、灰塵或污垢等外部環境。完全密封的設計，為熱敏元件的散熱帶來了更大挑戰。大多數情況下，外殼必須具有熱傳導路徑，如冷板，通過散熱器或熱管傳導熱量。
冷卻重要組件的過程可能會導致其表面低于露點，從而產生冷凝，帶來有害的水分。構建保護性的外部環境，以防止濕氣、冷凝和其他外部污染物進入，對于保護相機敏感電子元件至關重要。此外，還必須不惜一切代價避免材料放氣，因為它會污染相機的鏡頭。在設計階段，就必須考慮盡量減少可能排氣的材料，如界面材料或導線絕緣材料等。
普通標準散熱器無法將設備冷卻到環境溫度以下，因而不能作為獨立裝置滿足熱像儀的需求，為其提供溫度控制。熱電冷卻器等主動熱電設備與無源熱交換器結合使用，可以為熱像儀探測器提供局部冷卻。熱電冷卻器利用珀耳帖效應產生溫差，從熱交換器熱側溫度測量，可將探測器溫度降低約40°C。
然后，熱量需要通過散熱器、風扇等散熱裝置傳遞到周圍的空氣中（這個過程會增加能耗）。但是，利用風扇確保熱側散熱器不會飽和至關重要。否則，熱量會回流到器件端，導致升溫。顯然，需要對系統進行優化以提高散熱性能系數。
隨著政府和私人安全機構對視頻監控的應用增長，戶外攝像頭的用量大幅增加
由于標準熱電器件無法在高溫室外應用中高效運行，因此在熱像儀應用中對成像探測器進行局部冷卻并非易事。在高溫下，用于構建熱電器件的材料（包括焊料和銅母線），會擴散到熱電器件中。這將導致標準熱電器件最終失效。
熱電冷卻器解決方案
下一代熱電冷卻器將具有堅固的結構，使其能夠應對惡劣的應用環境。有些熱電冷卻器可以在高達150°C的溫度下運行，這超過大多數室外應用。
下一代熱電冷卻器采用了碲化鉍半導體材料和導熱氧化鋁陶瓷，與傳統熱電冷卻器相比，可將冷卻能力提高10%。與標準熱電材料相比，這些固態熱泵具有更高的熱絕緣屏障，可將溫差（ΔT）提高5 K。增強的熱電材料加上堅固的結構，可以防止下一代熱電冷卻器在高溫環境中的性能退化，這是當前標準熱電冷卻器的常見問題。
熱電冷卻器可將關鍵的CMOS傳感器溫度相對散熱器的熱側溫度降低約40°C
先進的熱電冷卻器可以保持高性能系數，以最大限度地降低運行所需要的輸入功率，并降低熱側的散熱要求，這對于散熱性能較差的應用至關重要。
室外熱像儀應用中仍需要采用溫度敏感的光電器件，最壞情況下其工作的環境溫度可能超過90°C。這些系統中的熱波動可能導致器件的性能下降，甚至系統故障。因此，這些熱像儀需要主動冷卻，以確保在室外環境中低于最高工作溫度，維持高成像分辨率。
不過，傳統的標準熱電器件也無法在這種高溫下工作。然而，專為現代、更復雜熱電冷卻器設計的新材料，可以確保當前熱像儀中熱敏電子器件的可靠性及最佳性能。
Laird Thermal Systems熱電冷卻器產品組合
本文作者Andrew Dereka，麥姆斯咨詢編譯
Andrew Dereka是萊爾德熱系統（Laird Thermal Systems）熱電冷卻器及其組件產品線的產品總監，Laird Thermal Systems是知名的熱管理解決方案全球領導者之一。Andrew Dereka擁有20年的熱管理經驗，與世界各地的主要OEM合作，了解并幫助他們解決相關的熱管理問題。
