FLIR LEPTON® 热成像相机模块：卓越性能与多模式应用的完美结合

在热成像技术领域，FLIR LEPTON® 带辐射测量功能的相机模块无疑是一款备受关注的产品。它以其紧凑的设计、出色的性能和多样化的功能，在众多应用场景中展现出了强大的竞争力。下面，我们就来深入了解一下这款热成像相机模块。

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1. 总体概述

1.1 基本构成

FLIR LEPTON 是一款集成了定焦镜头组件、80x60 长波红外（LWIR）微测辐射热计传感器阵列以及信号处理电子元件的红外相机系统。它还可配备一个积分快门组件，用于定期自动优化图像均匀性。

1.2 应用定位

该模块易于集成和操作，适用于移动设备以及任何对尺寸、功耗和即时启动性能有要求的应用场景。用户既可以让它在默认模式下运行，也能通过命令和控制接口（CCI）将其配置为其他模式。

2. 关键规格

2.1 光学与成像性能

规格参数	详细描述
功能	用于移动设备的被动热成像模块
传感器技术	非制冷氧化钒（VOx）微测辐射热计
光谱范围	长波红外，8 - 14μm
阵列格式	80 × 60，逐行扫描
像素尺寸	17μm
有效帧率	8.6Hz（可出口）
热灵敏度	<50mK（0.050°C）
温度补偿	自动。输出图像不受相机温度影响（可选模式）
辐射测量精度	高增益模式：±5°C 或 5%（典型值）；低增益模式：±10°C 或 10%（典型值）
场景内温度范围	高增益模式：-10°C 至 140°C（典型值）；低增益模式：-10°C 至 450°C（典型值）
非均匀性校正	无快门自动校正（有场景运动时）；有快门配置（用于静态应用）
水平视场角（FOV）	51°
对角视场角	66°
景深	10cm 至无穷远
镜头类型	f/1.1 硅双合透镜
光学畸变	9.7%
输出格式	用户可选择 14 位、8 位（应用自动增益控制，AGC）或 24 位 RGB（应用 AGC 和颜色化处理）
太阳能保护	集成式

2.2 电气与机械特性

规格参数	详细描述
输入时钟	标称 25MHz，CMOS IO 电压电平
视频数据接口	通过 SPI 传输视频（VoSPI 通道）
控制端口	CCI（类 I2C），CMOS IO 电压电平
输入电源电压（标称值）	2.8V、1.2V、2.8V 至 3.1V IO
功耗	室温下工作时标称 150mW，关机模式下 4mW
封装尺寸 - 插座版本	积分快门：11.8 x 12.7 x 7.2mm（宽×长×高）
重量	带快门配置：0.90 克（典型值）
最佳工作温度范围	-10°C 至 +80°C
非工作温度范围	-40°C 至 +80°C
冲击	1500G @ 0.4ms

3. 系统架构与功能模块

3.1 系统架构

镜头组件将场景中的红外辐射聚焦到一个由 80x60 个间距为 17 微米的热探测器组成的阵列上。每个探测器元件是一个氧化钒（VOx）微测辐射热计，其温度会随入射通量而波动，进而导致电阻成比例变化。VOx 具有高电阻温度系数（TCR）和低 1/f 噪声，从而具备出色的热灵敏度和稳定的均匀性。微测辐射热计阵列在读出集成电路（ROIC）上单片生长，构成完整的焦平面阵列（FPA）。每帧一次，ROIC 通过施加偏置电压并在有限的积分时间内对产生的电流进行积分，来感应每个探测器的电阻。

3.2 功能模块

• FPA 接口模块：为 FPA 生成定时和控制信号，接收并解串来自 FPA 的数字数据流。同时，将板载温度传感器的输出值多路复用进像素数据流，并将其剥离和累积以提高信噪比（SNR）。
• 系统控制（Sys Ctrl）模块：提供锁相环（PLL），为其他模块生成所需的所有时钟和复位信号。还能生成其他定时事件，如同步信号和内部看门狗定时器。此外，它还具备启动控制器、随机数生成器和命令与控制接口（CCI）解码逻辑。
• 电源管理模块：在系统控制模块的指导下控制电源开关。
• 基于软件的视频处理（SVP Core）模块：是一个非对称多核数字信号处理器（DSP）引擎，提供完整的视频处理流水线。
• 内存系统（Memory Sys）模块：为所有需要访问静态随机存取存储器（SRAM）和/或一次性可编程存储器（OTP）的模块提供内存接口。
• 通用处理器（GPP）：作为中央处理单元（CPU），负责服务 CCI 命令、初始化和配置视频处理流水线、进行电源管理以及其他日常管理功能。
• 视频接口模块（Video IF）：接收视频数据，并将其格式化为 VoSPI 协议。
• 一次性可编程存储器（OTP）：总容量为 384KB，包含相机的所有非易失性数据，如 SVP Core 和 GPP 的软件程序、校准数据和相机唯一数据（如序列号）。用户可选择将所需的默认设置（如 FFC 模式、辐射测量配置等）写入 OTP，避免在启动时进行初始化序列来配置运行时设置。
• 静态随机存取存储器（SRAM）：是所有其他模块使用的主要易失性存储器。
• 通用输入/输出（GPIO）接口模块：实现 GPIO 引脚功能，这些引脚可在运行时进行配置。

4. 工作状态与模式

4.1 电源状态

• 关闭状态：无电压施加时，相机处于关闭状态，所有相机功能均不可用。
• 未初始化状态：所有电压形式都已施加，但相机尚未启动，处于不确定状态。不建议长时间处于此状态，应将其启动到开启状态。
• 开启状态：所有功能和接口完全可用。
• 关机状态：所有电压形式都已施加，但功耗约为 4mW。此时无功能可用，但可通过启动序列转换到开启状态。
• 过热状态：当相机检测到温度超过约 80°C 时，会自动进入过热状态。进入该状态后，相机会在遥测线路中启用一个“即将关机”状态位，并启动一个 10 秒的计数器。若温度在计数器超时前降至 80°C 以下，“即将关机”位将被清除，系统将转换回开启状态；若计数器超时，相机将自动转换到待机状态。

4.2 平场校正（FFC）状态

相机在出厂时经过校准，在观察均匀温度场景时可产生高度均匀的输出图像。但长时间漂移效应会降低图像均匀性，影响图像质量和辐射测量精度。在场景有大量移动的情况下，相机可通过基于场景的非均匀性校正（SBNUC）算法自动补偿漂移效应；对于场景基本静止的情况，建议定期进行平场校正（FFC）。FFC 是一种自动重新校准相机信号处理引擎应用的 NUC 术语以产生最佳图像质量的过程，整个过程不到一秒。相机提供三种不同的 FFC 模式：外部手动、手动和自动（默认）。当前 FFC 状态通过遥测线路提供，共有四种状态：FFC 未命令（默认）、FFC 即将进行、FFC 正在进行和 FFC 完成。此外，相机还在遥测线路中提供一个“FFC 期望”标志，用于指示何时应进行 FFC。当检测到温度超出 -10°C 至 +80°C 范围时，相机会自动禁止快门操作，温度恢复到有效范围后，快门将自动恢复正常操作。

4.3 增益状态

相机可配置为高增益状态或低增益状态。高增益状态具有较低的噪声等效温差（NEDT）和较低的场景内温度范围，低增益状态则具有较高的 NEDT 和较高的场景内温度范围。相机提供三种增益选择模式：高（默认）、低和自动。在自动增益模式下，相机会根据场景条件和用户可选择的参数自动选择高增益或低增益状态。辐射测量必须启用才能将相机软件配置为自动增益模式，且在增益切换时需要进行 FFC 以更新均匀性和辐射测量精度。

4.4 遥测模式

有三种遥测模式会影响视频输出信号：遥测禁用（默认）、遥测作为头部和遥测作为尾部。可通过 CCI 上的显式命令选择每种模式。遥测数据的内容和编码详细列出，包括遥测版本、时间计数器、状态位、模块序列号、软件版本等信息。

4.5 辐射测量模式

• 辐射测量启用，TLinear 启用（默认）：此模式下，像素输出代表场景温度值（以开尔文为单位，乘以比例因子以包含小数）。启用辐射测量后，可利用点温计功能通过 CCI 和/或遥测获取给定帧和感兴趣区域（ROI）的平均、最大和最小温度读数。
• 辐射测量启用，TLinear 禁用：相机在这种模式下也能进行辐射测量相关调整，但像素输出不代表具体温度值。
• 辐射测量禁用：给定像素的输出旨在当观察与相机温度相同的场景时处于 14 位范围的下四分之一（约 4096）。

相机模块在高增益和低增益模式下针对 35°C 黑体有不同的辐射测量精度指标。但在实际系统中，辐射测量精度会受到多种因素影响，如环境和场景温度、目标的大小、距离和发射率、极端湿度、某些气体浓度以及附近的高温或低温物体等。为提高辐射测量精度，可通过软件配置一些参数来补偿系统与工厂校准之间的差异。

4.6 自动增益控制（AGC）模式

有两种 AGC 模式：AGC 禁用（默认）和 AGC 启用。AGC 是将红外传感器的大动态范围压缩到适合显示系统范围的过程，对于 Lepton 来说是从 14 位到 8 位的转换。简单的线性 AGC 在某些成像条件下可能无法提供令人满意的图像，因此相机采用了一种基于直方图的改进算法。该算法通过“高裁剪限制”和“低裁剪限制”两个参数来缓解传统直方图均衡化的一些缺点，用户可以根据具体应用场景调整这些参数，以获得最适合的图像显示效果。此外，还可以设置 AGC 感兴趣区域（ROI），使 AGC 算法在收集直方图时忽略部分场景内容。

4.7 视频输出格式模式

有两种视频输出格式模式：Raw14（默认）和 RGB888。Raw14 模式适用于查看 14 位数据（AGC 禁用）、16 位 TLinear 数据（AGC 禁用，TLinear 启用）或 8 位数据（AGC 启用）而不进行颜色化处理。RGB888 模式用于在应用颜色查找表（LUT）后查看生成的 24 位 RGB 数据。要正确查看 RGB888 数据，需要按照一定的操作顺序进行设置，包括必要时禁用遥测、启用 AGC、选择 RGB888 模式、同步或重新同步 VoSPI 通道以及可选地选择内置 LUT 或上传自定义 LUT。

4.8 GPIO 模式

支持两种 GPIO 模式：禁用（默认）和 VSYNC 启用。在禁用模式下，GPIO 引脚无输入或输出信号；在 VSYNC 模式下，GPIO3 引脚会输出视频同步信号，用于优化主机的定时操作。需要注意的是，无论选择哪种 GPIO 模式，GPIO0、GPIO1 和 GPIO2 都不应连接。

5. 接口描述

5.1 命令与控制接口（CCI）

Lepton 通过一个类似于 I2C 的两线接口提供命令和控制接口（CCI），与标准 I2C 不同的是，所有 Lepton 寄存器都是 16 位宽，因此只允许 16 位传输。CCI 地址为 0x2A，详细信息在单独的文档《Lepton 软件接口描述文档（IDD）》中描述。通过 CCI 发出的所有命令通常采用“获取”（读取数据）、“设置”（写入数据）或“运行”（执行功能）的形式。部分可通过 CCI 控制的参数包括 AGC 模式、AGC ROI、增益模式等。

用户还可以利用用户默认功能将所需的操作默认设置写入 OTP，避免在启动时进行初始化序列。此功能需要在 OEM 工厂进行，因为它需要额外的电压供应和引脚连接，这些在运行时操作中不应连接。

5.2 VoSPI 通道

Lepton 的 VoSPI 协议允许通过 SPI 通道高效且可验证地传输视频。该协议基于数据包，无嵌入式定时信号，也无需流量控制。主机（主设备）发起所有事务并控制时钟速度，可从相机（从设备）以灵活的速率提取数据。

5.2.1 VoSPI 物理接口

VoSPI 使用典型 SPI 通道的 4 条线中的 3 条：SCK（串行时钟）、/CS（片选，低电平有效）和 MISO（主设备输入/从设备输出）。MOSI（主设备输出/从设备输入）信号当前未使用，应接地。实现限制为单主设备和单从设备，相机使用 SPI 模式 3（CPOL = 1，CPHA = 1），SCK 空闲时为高电平。数据在 SCK 的下降沿由相机设置，主机控制器应在上升沿采样。数据按最高有效字节优先和大端顺序传输。最大时钟速率为 20MHz，最小时钟速率取决于每帧需要检索的数据位数，默认条件下（Raw14 模式，遥测禁用）约为 2MHz。

5.2.2 VoSPI 协议

• VoSPI 数据包：是主从设备之间的最小“事务”，每个视频数据包包含单条视频行或遥测行的数据。除视频数据包外，还包括在无视频数据包可用时提供的丢弃数据包。每个数据包包含一个 4 字节的头部，后跟一个 160 字节或 240 字节的有效负载，具体取决于所选的位分辨率。视频数据包的头部包括一个 2 字节的 ID 和一个 2 字节的循环冗余校验（CRC），用于验证数据完整性。
• VoSPI 帧：定义为一系列连续的 VoSPI 数据包，包含一帧完整的像素数据。
• VoSPI 流：是一系列连续的 VoSPI 帧。流的帧率标称略低于 27Hz，为符合美国出口限制，唯一帧的速率略低于 9Hz，每个唯一帧后会跟随两个重复帧。可通过遥测线路中的 32 位帧计数器来识别三个相同帧中的第一个帧。

5.2.3 帧同步

VoSPI 协议设计为无需嵌入式定时信号，但相机提供一个可选的帧定时输出脉冲，可通过选择 VSYNC GPIO 模式启用，该脉冲有助于优化主机定时。主机可以高速突发读取数据，然后空闲直到接收到下一个帧定时脉冲。该信号可通过 CCI 配置为领先或滞后实际内部帧起始时间 -3 至 +3 行周期（约 -1.5ms 至 +1.5ms），默认情况下无领先或滞后。

6. 安装与使用注意事项

6.1 安装规格

文档提供了相机的安装尺寸信息，确保在安装过程中准确放置相机，避免因安装不当影响其性能。

6.2 插座信息

Lepton 模块与两款市售插座兼容：Molex 105028 - 1001 和 Molex 105028 - 2031。前者在印刷电路板的上表面进行电气接触，后者在印刷电路板的下表面进行电气接触，且电路板上需有切口以容纳插座。两种情况下，焊接连接都在电路板的顶部或“元件”侧进行。订购插座可访问 www.arrow.com。

6.3 机械考虑

在高冲击条件下，上述插座不能有效固定 Lepton 组件，因此建议采用前侧固定方式。同时，相机不是密封组件，大多数应用中建议将其安装在密封的保护窗后面。常用的长波红外（LWIR）窗口材料包括硅、锗和硒化锌，但硅窗口的长波红外吸收约为 15%/mm，会对噪声等效温差（NEDT）产生不利影响，而锗和硒化锌的体吸收可忽略不计，只要窗口两面都进行抗反射（