CN110914670A - 气体成像***和方法 - Google Patents

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P·莱拉
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E·A·库尔特
布瑞恩·B·西莫隆
N·Y·阿齐兹
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Abstract

一种IR成像装置，包括：光学元件，其接收来自场景的红外辐射；滤光器，其阻挡特定波长范围之外的IR辐射；传感器像素阵列，用于基于通过所述光学元件和滤光器接收的红外辐射来捕获场景的图像，该传感器像素阵列包括传感器像素的第一阵列以在第一光谱带宽内成像气体，以及传感器像素的第二阵列以感测其中未检测到气体的第二光谱带宽中的红外辐射；读取集成电路(ROIC)和逻辑电路，产生由第一阵列感测的第一图像和由第二阵列感测的第二图像；以及气体检测逻辑，以检测第一图像中气体的存在。

Description

气体成像***和方法
Hakan E.Nygren，Jonas Sandsten，Per Lilja，Marta Barenthin-Syberg，Henning Hagman，Eric A.Kurth，Brian B.Simolon，Naseem Y.Aziz和UlfWallgren
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年3月31日提交的，名称为“UNCOOLED CAMERA SYSTEMOPTIMIZED FOR OPTICAL GAS IMAGING”(“针对光学气体成像而优化的未冷却相机***”)的美国临时专利申请No.62/480,234和2017年8月4日提交的名称为“DUAL COLOR HIGHSENSITIVITY INFRARED SENSOR FOR GAS IMAGING”(“用于气体成像的双色高灵敏度红外传感器”)的美国临时专利申请No.62/541,626的优先权和权益，它们在此通过引用以其整体结合进来。
技术领域
本公开的一个或多个实施例大体上涉及红外成像，并且尤其涉及使用红外成像***和方法的气体检测和/或可视化。
背景技术
场景的红外(IR)(例如，热)图像通常可用于监视，检查和/或维护目的，例如，用于监视工业设备的气体泄漏。IR成像装置(例如，IR相机，热相机等)可以捕获表示从被观察的场景发射的红外辐射的IR图像数据。所捕获的IR图像可以例如在IR成像装置中或在连接到IR成像装置的计算设备(例如，平板计算机、智能电话、膝上型计算机或台式计算机)中进行处理、显示和/或存储。
红外成像装置用于检测气体的存在，例如以气体云或气体羽流的形式，并用于在红外图像中产生气体的可视表示。例如，气体红外图像可用于可视化和监视气体泄漏。然而，使用常规的未冷却IR成像***对气体的检测经常遭受灵敏度太低而不能检测低于特定气体颗粒浓度的气体的困扰。例如，在所产生的气体红外图像中气体信息与噪声/干扰之间的对比度和/或气体信息与背景调制之间的对比度可能太低而不能有效地识别图像中的气体。气体信息和背景调制之间的对比度可以通过包含窄带通滤光器来改善，但是由于这种变化，噪声会成比例地增加。对于常规的IR成像***，通常不存在具有足够高的气体背景/跨度对比度和气体噪声对比度的带宽。灵敏度可以通过各种物理方面进一步降低，例如观察到的场景背景中变化的温度和发射率、噪声、其他气体、气溶胶颗粒和移动的气体云。
用于IR成像装置以提高检测气体的能力并减少噪声的一种方法是实现冷却的IR检测器，其中成像传感器与低温冷却器集成在一起。低温冷却器将传感器温度降低到低温温度，而传感器温度的降低有效地降低了热引起的噪声。然而，冷却的IR成像装置易碎，尺寸大，速度慢，成本高并且难以在危险场所使用。因此，存在对于提高IR成像装置的气体敏感性的持续需要。仍然存在对于提高用于气体检测的IR灵敏度和未冷却的IR成像装置的信噪比的持续需要。
发明内容
本文公开的方法和***的各种实施例可以用于提供在捕获场景中一种或多种类型的气体的IR图像方面具有高性能的红外(IR)成像***。
根据本公开的一个实施例的IR成像装置具有各种***参数(例如，光学和/或非光学组件配置)，该***参数被构造为检测感兴趣的窄波长带(波长范围)内的气体。可以调节未冷却的IR成像装置(其例如可以被冷却或不冷却)，使得窄波长带对应于场景中要检测的感兴趣的气体的类型。
根据本公开的一个或多个实施例的IR成像***可以包括成像传感器，该成像传感器包括传感器像素阵列，该传感器像素阵列在阵列中具有两个光谱响应。具有第一光谱响应的第一组传感器像素被构造为检测和成像感兴趣的气体。具有第二光谱响应的第二组传感器像素被构造为感测气体检测带宽之外的辐射。在一个实施例中，第二光谱带具有高于第一光谱带的较低频率。读取集成电路和逻辑电路被构造为生成由第一传感器阵列感测的场景的第一图像和由第二传感器阵列感测的场景的第二图像。气体检测逻辑构造为通过计算第一图像的像素值与第二图像的相应像素值之间的差来检测第一图像中气体的存在。在一个实施例中，如果像素值的差超过气体检测阈值，则确定在像素位置处存在气体。使用气体存在的确定和差值来修改第一图像，以增强检测到的气体的可视性。
在本文公开的方法和***的一个或多个实施例中，未冷却的红外(IR)成像***提供场景中一种或多种类型的气体的IR图像的高性能捕获，并且在一些实施例中具有与经冷却的红外成像装置的性能接近的性能。一方面，根据本公开的一个或多个实施例的未冷却的IR成像装置具有各种***参数(例如，光学和/或非光学组件配置)，该***参数被构造为允许来自场景的感兴趣的窄波长带(波长范围)内的IR辐射大百分比(例如，大于90％)击中IR成像装置的成像传感器，同时基本上阻止了该波长带之外的IR辐射到达成像传感器。未冷却的IR成像装置可以以使得波长带对应于感兴趣的气体的类型的方式被调谐。结果，未冷却的IR成像装置可以被构造为对检测场景内感兴趣的特定类型的气体高度敏感。
在一个方面，例如，根据本公开的一个或多个实施例的未冷却的IR相机***可以包括：透镜组件，其包括具有至少一个透镜涂层的一组透镜元件，其允许特定波长范围内的IR辐射至少90％地传送通过该组透镜元件；阻挡该特定波长范围之外的IR辐射的滤光器；以及包括具有大于或等于15微米的像素间距的传感器像素阵列的成像传感器。在一些实施例中，像素间距大于或等于15微米。在一些实施例中，像素间距大于或等于20微米，或在大约15至20微米之间。
本公开的范围由权利要求书限定，所述权利要求书通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的实施例的更完整理解，以及其附加优点的实现。将对附图页进行参考，附图页将首先简要描述。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的红外(IR)成像装置可以在其中操作的操作环境。
图2示出了根据本公开实施例的从场景到操作环境内的IR成像装置的示例性IR辐射路径。
图3A示出了根据本公开的实施例的，作为穿过吸收IR能量的气体羽流的检测到的IR辐射的波长的函数的辐射水平。
图3B示出了根据本公开的实施例的，作为穿过发射IR能量的气体羽流的检测到的IR辐射的波长的函数的辐射水平。
图4是根据本公开的实施例的IR成像装置的示意图。
图5是根据本公开的实施例的IR成像装置的框图。
图6是根据本公开的实施例的用于配置未冷却的IR成像装置的流程图。
图7A和7B是示出根据本公开的实施例的示例性超像素阵列结构的框图。
图7C是示出根据本公开的实施例的示例性超像素阵列结构的框图。
图8是示出根据本公开的实施例的示例性超像素阵列结构的框图。
图9A，9B和9C是示出根据本公开的实施例的成像阵列的示例性偏置配置的框图。
图10A和10B是示出根据本公开的实施例的成像阵列的示例性偏置配置的框图。
图11A和11B是示出根据本公开的实施例的示例性成像阵列的框图。
图12是示出根据本公开的实施例的气体检测***的示例性操作的流程图。
通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同的元件。
具体实施方式
本文中公开的方法和***的各种实施例可用于提供在捕获场景中一种或多种类型的气体的IR图像方面具有高性能的未冷却红外(IR)成像***。在一个实施例中，未冷却的IR成像装置(例如，IR相机，热相机等)被构造为从击中IR成像装置的成像传感器的场景中检测感兴趣的窄波长带(波长范围)内的IR辐射。未冷却的IR成像装置还被构造为检测在气体检测范围之外的第二波长带内的IR辐射，并分析两个IR图像之间的差异以检测感兴趣的气体的存在。
在一个实施例中，未冷却的IR成像装置可以以使得波长带对应于感兴趣的气体的类型的方式被调谐。结果，未冷却的IR成像装置可以被构造为对检测场景内感兴趣的特定类型的气体高度敏感。例如，微辐射热计可以包括在吸收体和感测基底之间形成的光学腔，可以通过调节基底和吸收体之间的高度，将其调谐到感兴趣的选定气体吸收/发射带，从而提高信噪比。相反，常规的微辐射热计通常具有平坦的、不依赖于波长的响应曲线。在各种实施例中可以使用具有与气体(例如，甲烷)检测器的7.7μm的光谱响应最大值匹配的固有的窄响应曲线的调谐检测器。此外，成像传感器可以被构造为例如通过向像素提供针对气体成像而优化的像素间距来实现高灵敏度。
另外，根据一些实施例的未冷却的IR成像装置可以包括逻辑设备(例如，处理器和/或读取集成电路)，其被构造为处理所捕获的IR图像以例如通过像素装仓(binning)、帧平均和降噪操作来提高灵敏度。通过使用噪声等效浓度长度(NECL)(NECL描述了IR成像装置将响应的气体量)作为测量IR成像装置的敏感度性能的度量，常规的未冷却IR成像装置可能达到百万分之1300米(ppm×m)的NECL，而经冷却的红外成像装置可能达到13ppm×m的NECL。使用本文所述的一些实施例的方法和***，未冷却的IR成像装置可以达到100ppm×mNECL的气体灵敏度。注意，根据本文描述的各种实施例的未冷却的IR成像装置的各种配置旨在提高在NECL度量下的性能。
使用IR成像装置捕获气体的视觉表示取决于气体吸收和/或释放热能的特性。例如，气体可能在寒冷的背景下发出特定波长带中的热辐射，在这种情况下，IR成像装置通过捕获存在气体的场景的区域周围的波长带内的热辐射的上升来提供气体的可视表示。气体可以针对温暖的背景吸收特定波长带中的热辐射，在这种情况下，IR成像装置通过捕获其中存在气体的场景中的区域周围的特定波长带中的热辐射的减少来提供气体的可视表示。因此，气体成像基于气体温度TG和背景温度TB的差，其称为气体与背景温度差ΔT。
图1示出了根据本公开的一个实施例的IR成像装置170可以在其中操作的环境100。IR成像装置170适于捕获可控制的波长带内的辐射，并因此产生代表来自场景105的IR辐射的特定选择的波长带的红外图像(也称为“IR图像”或“热图像”)。场景105包括场景背景110和处于场景背景110与IR成像装置170之间的呈气体羽流形式的气体160。气体160显示为呈气体云的形状。场景背景110具有背景温度TB 122，气体160具有气体温度TG121。应注意，由于气体160吸收或散发热能，背景温度TB 122气体温度TG 121之间存在温差ΔT130。
根据一个或多个实施例，IR成像装置170被构造为捕获场景105的热辐射并生成表示来自场景105的热辐射的IR图像。场景105的热辐射包括来自场景背景110的热辐射(表示为TB122)，其与气体160发出和/或吸收的热辐射(表示为TG 121)结合在一起。
具体来说，根据本公开的一个或多个实施例的IR成像装置170通过捕获来自击中IR成像装置170的成像传感器的场景的各个部分的热辐射来产生场景105的IR图像。来自场景的不同区域的热辐射击中成像传感器的不同的区域。这样，代表场景105的部分而没有来自气体160的任何遮挡的IR图像的某些部分可以包括基于仅从场景背景110发出的热辐射的热辐射信息。另一方面，代表场景105的被气体160遮挡的部分IR图像的其他部分可以包括基于从场景背景110发出的热辐射以及气体160吸收和/或发出热辐射的特征这两者的热辐射信息。
图2示出了在场景105内，在击中IR成像装置170的成像传感器之前来自场景背景110的穿过气体160的热辐射路径202。如图所示，从场景背景110发射的热能或IR辐射在位置204处从场景背景110的边缘行进，在击中气体羽流160之前沿着热辐射路径202的第一部分行进。一旦IR辐射(例如在位置206处)进入气体羽流160中，IR辐射就发生变化。在气体160具有吸收波长带内的IR辐射的特性的情况下，某些IR辐射被气体160吸收，因此，在波长带内IR辐射的辐射水平逐渐降低，而IR辐射在气体羽流160中行进，导致IR辐射减小，因为其在击中IR成像装置170的成像传感器之前离开气体羽流160(例如，在位置208)。结果，只有一部分从场景背景110发射的热能或IR辐射到达IR成像装置170的成像传感器。注意到，不同类型的气体可以吸收具有不同气体吸收或发射强度的不同波长带中的热能或IR辐射。例如，甲烷(CH4)具有吸收在7.0微米(μm)和8.5μm之间的波长带中的热能或IR辐射的特性。另一类气体可能具有吸收不同波长带中的热能或IR辐射的特性。在各种实施例中，对不同类型的气体进行成像是基于气体对比度(气体与背景温度差ΔT)的函数，该气体对比度是背景温度TB与气体温度TG之间的差、气体路径的长度和气体吸收/发射线强度(例如，与波长、压力和温度有关)的函数。
图3A的曲线图300示出了检测到的热能或IR辐射的辐射水平，当气体160具有作为波长的函数吸收热能的特性时，其通过场景105中的热辐射路径202。如图所示，除了在v1和v2之间的波长带之外，辐射水平在整个波长上基本上是均匀的。v1和v2之间的波长带中检测到的辐射水平的下降是由气体160吸收热能或IR辐射引起的。因此，如果气体160包含非常大量的甲烷，则v1和v2将基本上分别对应7.0μm和8.5μm。
另一方面，在气体160具有在波长带内发射IR辐射的特性的情况下，当IR辐射处于气体羽流160内时，附加的IR辐射被添加到来自场景背景110的IR辐射中。因此，当IR辐射行进穿过气体羽流160时，波长带内的IR辐射的辐射水平逐渐增加，导致红外辐射增加，因为其在击中IR成像装置170的成像传感器之前离开气体羽流160(例如，在位置208处)。结果，从场景背景110和气体160发出的组合的热能或IR辐射到达IR成像装置170的成像传感器。注意，不同类型的气体可能以不同的波长带发出热能或IR辐射。
图3B的曲线图305示出了检测到的热能或IR辐射的辐射水平，当气体160具有作为波长的函数发射热能的特性时，其通过场景105中的热辐射路径202。如图所示，除了在v3和v4之间的波长带之外，辐射水平在整个波长上基本上是均匀的。v3和v4之间的波长带中检测到的辐射水平的峰值是由气体160发出的热能或IR辐射引起的。
代替在整个IR光谱上捕获热能或IR辐射，已经设想到可以通过在较窄的IR波长带内捕获热能或IR辐射来提高IR成像装置的灵敏度。这样，根据本公开的一个实施例的未冷却的IR成像装置包括各种***参数(例如，光学和/或非光学组件)，其被构造为允许来自场景的窄波长带内的红外(IR)辐射的大百分比(例如，大于90％)到达IR成像装置的成像传感器，同时基本上阻止了该波长带之外的IR辐射到达该成像传感器。
图4是IR成像装置400的示例的示意图。在一些实施例中，IR成像装置400是相机，并且更具体地，是IR相机。另外，根据本公开的一个实施例的IR成像装置400被构造为被优化以用于捕获在与气体的类型相对应的窄波长带内的IR辐射。优选地，窄波长带具有小于或等于2μm的范围。进一步更优选地，窄波长带具有小于或等于1.5μm的范围。取决于感兴趣的气体的类型，IR成像装置400可以被构造为捕获在与感兴趣的气体相对应的特定的窄波长带内的IR图像。例如，为了捕获甲烷气体的IR图像，根据本公开的一个或多个实施例的IR成像装置400可以被配置(具有各种特定的***参数)以捕获在7.0μm和8.5μm之间的范围内的窄波长带中的IR辐射。
在一些实施例中，IR成像装置400具有包围IR成像装置400的各个部件的外壳402。如图所示，IR成像装置400具有透镜组件404、入口406、窗口408、过滤部件410、成像传感器412以及其他电子构件414。透镜组件404包括一个或多个透镜元件416，它们一起构造为从成像传感器412的位置的角度对场景(例如场景105)进行光学聚焦。这样，该一个或多个透镜元件416包括折射特性，该折射特性将IR辐射从场景(例如场景105)重定向到成像传感器412。在一些实施例中，透镜组件404固定在IR成像装置170上，而在其他实施例中，透镜组件404可从IR成像装置170移除，使得出于不同的目的，不同的透镜组件可被附接到IR成像装置170。例如，具有不同焦距和/或变焦能力的不同透镜组件对于IR成像装置170可以互换。在该示例中，透镜组件404具有特定焦距，该特定焦距定义了IR成像装置400的特定视场(FOV)。
可以将诸如抗反射涂层的涂层应用到每个透镜元件416。该涂层可以具有减少来自透镜元件的IR辐射的反射的特性(即，提高通过透镜元件的IR辐射的透射效率)。不同的涂层可以具有不同的抗反射特性。根据本公开的一个或多个实施例，选择被优化以减少在感兴趣的(一个或多个)波长带内的IR辐射的反射的涂层来应用在透镜元件416上。
在一些实施例中，可以将涂层应用到每个透镜元件416的一侧或两侧。可以选择允许窄波长带内的超过90％的IR辐射透射通过透镜元件416的涂层。在一些实施例中，选择允许窄波长带内的大于95％(或甚至98％)的IR辐射透射通过透镜元件416的涂层。
要注意的是，无论透镜元件(即使具有如上所述的涂层)在透射IR辐射方面的效率如何，每个透镜元件都会在一定程度上降低IR辐射的透射率。这样，已经在各种实施例中考虑到透镜组件404将包括最少数量的光学元件以满足性能和成本参数。在一些实施例中，透镜组件404包括五个或更少的透镜元件。已经考虑到透镜组件404可以包括两个或更少的透镜元件，以进一步改善IR辐射的透射。
IR成像装置400还包括设置在与透镜组件404的连接点处的辐射入口406。辐射入口406是开口(孔)，由透镜组件404重定向的IR辐射可以通过该开口进入外壳402的内部，并且最终进入成像传感器412。优选地，辐射入口406具有相关联的孔隙(尺寸)，并且在一些实施例中，其形状基本上是圆形的(例如，90％)。入口406的孔隙确定进入外壳402并到达成像传感器412的IR辐射量。为了使来自场景105而到达成像传感器412的IR辐射量最大化，为入口406选择大的孔隙。在一些实施例中，孔隙具有小于或等于f/2的f数(为透镜组件404指定的焦距与入口406的直径的比)。进一步更优选地，孔隙具有小于或等于f/1.5的f数，并且进一步更优选地小于或等于f/1.0。在一些实施例中，为入口406选择的孔隙小于或等于f/0.6。在一些实施例中，焦距和孔隙直径之间的比率被选择为与利用未冷却检测器进行气体检测时合理可行的一样小。
根据本公开的一些实施例，窗口408设置在入口406处。在一些实施例中，窗口408覆盖入口406的整个开口，使得由透镜组件404重定向的IR辐射在到达外壳402内的IR成像装置400的其他元件—例如成像传感器412—之前穿过窗口408。窗口408可以有利地防止外部颗粒(例如，灰尘)进入外壳402，该外部颗粒可能潜在地损坏IR成像装置400的电子构件和/或对捕获场景105的图像造成干扰。窗口408可以由在特定的窄波长带内具有高的IR辐射透射效率的材料制成。根据本公开的一个实施例，窗口408由锗制成。
在一些实施例中，可以将诸如上面参考透镜元件的描述所描述的涂层类型的涂层应用至窗口408的一侧或两侧，以进一步提高透射IR辐射的效率。根据本公开的一个或多个实施例，优化涂层以减少感兴趣的(一个或多个)特定波长带内的IR辐射的反射。已经考虑到仅使相关的IR辐射(例如，特定窄波长带内的IR辐射)通过成像传感器412并且消除其他IR辐射到达成像传感器412可以通过增加图像的信噪比进一步提高由IR成像装置400产生的图像的质量。这样，根据一些实施例的IR成像装置400，IR成像装置400还可以包括设置在入口406和成像传感器412之间的过滤构件，其被构造为仅允许特定窄波长带内的IR辐射通过，同时阻挡在该特定的窄波长带之外的IR辐射。过滤构件410可以包括一个或多个滤光器。在一个示例中，过滤构件410可以包括被构造为在特定窄波长带内的最短波长处截开的截开(cut-on)滤光器和被构造为在特定窄波长带内的最长波长处截止的截止滤光器。截开/截止滤光器可以由阻挡(或反射)波长低于(截开滤光器的情况下)或高于(截止滤光器的情况下)一定波长的任何光波的材料和配置制成。在各种实施例中，过滤构件410被构造为通过基于包括所选择的滤光器的截开、截止、位置、透射率和公差的滤波准则选择一个或多个滤光器，来选择期望的光谱带。如本文所述选择滤光器以选择光谱带提高了信噪比，并减小了不希望的(假警报)波长依赖性效应，例如，光谱带上的反射率变化。在一些实施例中，过滤构件410和窗口408不是分开的元件，而是它们可以组合成一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被构造成覆盖入口406并光学地过滤入射的IR辐射。
在一些实施例中，成像传感器412可以包括IR成像传感器，该IR成像传感器可以例如由辐射热计、微辐射热计、热电偶、热电堆、热电探测器或响应于各种波长—例如在1微米和14微米之间的范围内—的IR辐射的其他IR传感器元件的焦平面阵列(FPA)来实现。在一个示例中，成像传感器412可以被构造为捕获非常窄的波长范围的图像。例如，成像传感器412可以被构造为捕获7.0μm和8.5μm之间的特定窄波长带的图像。
根据本公开的一些实施例，成像传感器412具有像素间距为至少20μm的像素。在其他实施例中，成像传感器412具有像素间距为至少25μm的像素。具有较大的像素间距允许每个像素占据成像传感器412的较大表面积，从而增加用于检测IR辐射的面积。
此外，类似于透镜元件416和入口406，可以为成像传感器412中的每个单独像素(检测器)应用涂层。根据本公开的一个或多个实施例，选择被优化以减少感兴趣的(一个或多个)窄波长带内的IR辐射的反射的涂层，以将其应用到透镜元件416。在一些实施例中，应用到像素的涂层与应用到透镜元件416和入口406的涂层相同。
如图所示，成像传感器412与设置在IR成像装置400的外壳402内的电子构件414通信地耦联。图5更详细地示出了IR成像装置400的各种电子组件。如图所示，成像传感器412经由读取集成电路502与逻辑设备504通信地耦联。读取集成电路502可以由任何类型的集成电路实现，并且被构造为读取(或累积)信号(例如，电流或电压)，该信号指示在成像传感器412的每个像素(检测器)处接收的IR辐射的强度，然后将所得信号传输到输出抽头上以进行读取。在一些实施例中，读取集成电路502也被构造为将模拟电流信号转换为数字数据。在其他实施例中，逻辑设备504被构造为从读取集成电路502读取模拟输出并将模拟输出转换为数字数据。在一些实施例中，数字数据包括与图像帧或视频图像帧内的像素相对应的像素数据。图像帧中的像素可以对应于成像传感器412上的像素(检测器)，或者可以不与其对应。
在一个示例中，读取集成电路502被构造为对成像传感器412上的每个检测器提供像素值。然而，已经考虑到读取集成电路502可以被构造为执行像素装仓处理以进一步改善IR图像的信噪比。例如，读取集成电路502可以被构造为将相邻的检测器(例如，2×2检测器块)分组，取来自那些检测器的信号的总和或平均值，并且将该值用于图像帧上的单个像素。在一些其他实施例中，像素装仓可以由逻辑设备504而不是读取集成电路502来执行。
逻辑设备504可以被实现为被配置(例如，通过硬件配置、软件指令或二者的组合)为执行本文所述的IR成像装置400的各种操作的任何适当的电路或装置(例如，处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他可编程或可配置逻辑设备)。例如，逻辑设备504可以被构造为对如上所述的经由读取集成电路502从成像传感器412接收的图像信号执行像素装仓。逻辑设备504可以可通信地耦联到成像传感器412(通过读取集成电路502)、控制构件506、存储器构件508、显示构件510和通信接口装置512(例如，构造为与其通信)。
根据本公开的一些实施例，读取集成电路502、逻辑设备504或两者可以被构造为针对每个图像帧或视频图像帧，控制来自成像传感器412的像素(检测器)的信号被积分(例如收集)，以提供对应像素值(例如，模拟值或数字值)的时间量。例如，在根据一些实施例的成像传感器412的微辐射热计阵列实现中，读取集成电路502可以包括积分放大器，以将来自像素的信号积分到代表对应像素值的放大像素信号的期望范围内。在这方面，根据本公开的一些实施例的读取集成电路502和/或逻辑设备504可以被构造为控制这种信号积分的持续时间(也称为“积分时间”)以提供为气体成像优化的已捕获的IR图像的信噪比。
为了进一步提高IR图像的信噪比，已经考虑到读取集成电路502可以被构造为提供长的积分时间以捕获每个图像帧或每个视频图像帧。根据本公开的一些实施例，逻辑设备504可以被构造为提供至少1/20秒的积分时间(即，以20Hz的速度捕获视频图像帧)，或至少1/15秒的积分时间(即以15Hz的速度捕获视频图像帧)。在一些实施例中，读取集成电路502可以被构造为提供至少1/10秒的快门速度(即，以10Hz的速度捕获视频图像帧)。取决于实施例，可以由逻辑设备504备选地或附加地控制积分时间。
另外，已经设想将成像传感器412的检测器的范围灵敏度限制为窄动态范围可以改善在检测器处获得的信号的质量。因此，一些实施例的读取集成电路502和/或逻辑设备504可以被构造为对成像传感器412可检测的IR辐射强度提供窄动态范围，诸如100摄氏度的动态范围、80摄氏度的动态范围、甚至50摄氏度的动态范围。例如，积分放大器、偏置电路和/或读取集成电路502的其他电路可以被构造为使得由读取集成电路502提供的IR图像数据中的输出像素值的范围(例如，模拟或数字信号)对应于所需的窄动态范围(例如，范围从0到50摄氏度，包括0和50摄氏度)。另外或备选地，逻辑设备504可以被构造为转换图像数据中的输出像素值的范围以对应于期望的窄动态范围(例如，范围从0到50摄氏度，包括0和50摄氏度)。
根据本公开的一些实施例，在经由读取集成电路502从成像传感器412接收到表示图像帧(或视频图像帧)的图像数据之后，逻辑设备504可以对图像帧执行附加的图像处理，这可以进一步改善图像帧的信噪比。举例来说，逻辑设备504可经配置以对多个图像帧(例如，2个帧，3个帧，4个帧等)执行帧平均。逻辑设备504可以通过生成新图像帧来执行帧平均，该新图像帧取多个帧中每个像素的平均值。代替帧平均或除帧平均之外，逻辑设备504还可被构造为在图像帧上执行一种或多种降噪算法(诸如线性平滑滤光器、各向异性扩散、小波变换、非线性滤光器、时间滤光、空间滤光/平滑化等)。
如图5所示，IR成像装置400还可包括其他构件，例如控制构件506、存储器构件508、显示构件510、通信接口装置512和/或其他。在一个实施例中，控制构件506包括用户输入和/或接口装置，例如可旋转的旋钮(例如，电位计)、按钮、滑动条、键盘、触敏显示设备和/或其他设备，其适用于产生用户输入控制信号。逻辑设备504可以被构造为经由控制构件506感测来自用户的控制输入信号，并且响应于从其接收的任何感测的控制输入信号。如本领域技术人员通常所理解的，逻辑设备504可以被构造为将这种控制输入信号解释为值。在一个实施例中，控制构件506可以包括控制单元(例如，有线或无线手持控制单元)，该控制单元具有适于与用户交流并接收用户输入控制值的按钮。在一种实施方式中，控制单元的按钮可以用于控制IR成像装置400的各种功能，诸如指示IR成像装置400正在捕获场景的图像，显示已经被IR成像装置400捕获的IR图像，和/或成像***或相机的各种其他功能。
在一个实施例中，存储器构件508包括一个或多个存储设备，其被构造为存储数据和信息，包括视频图像数据和信息。存储器构件508可以包括一种或多种各种类型的存储器设备，包括易失性和非易失性存储器设备，诸如RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、EEPROM(电可擦除只读存储器)、闪存、硬盘驱动器和/或其他类型的存储器。如上所述，逻辑设备504可以被构造为执行存储在存储器构件508中的软件指令，以执行本文所述的方法和处理步骤和/或操作。逻辑设备504可以被构造为将由成像传感器412捕获的视频图像帧或数字图像数据存储在存储器构件508中。
在一个实施例中，显示构件510包括图像显示设备(例如，液晶显示器(LCD))或各种其他类型的大体已知的视频显示器或监视器。逻辑设备504可以被构造为在显示构件510上显示图像数据和信息(例如，视频分析信息)。逻辑设备504可以被构造为从存储器构件508获取图像数据和信息，并在显示构件510上显示任何获取的图像数据和信息。显示构件510可以包括显示电路，该显示电路可以被逻辑设备504用来显示图像数据和信息。显示构件510可适于直接从成像传感器412或逻辑设备504接收图像数据和信息，或者图像数据和信息可以通过逻辑设备504从存储器构件508传输。
通信接口装置512可以包括网络接口构件(NIC)或硬件模块，该网络接口构件或硬件模块适于与网络以及与连接到网络的其他设备进行有线和/或无线通信。通过通信接口装置512，逻辑设备504可以将在IR成像装置400处生成的视频图像帧发送到外部设备，例如用于在远程监控处观看，并且可以从远程站处的外部设备接收命令、配置或其他用户输入。在各种实施例中，通信接口装置512可以包括无线通信构件，例如基于IEEE802.11标准的无线局域网(WLAN)构件、无线宽带构件、移动蜂窝构件、无线卫星构件或各种其他类型的无线通信构件，包括射频(RF)、微波频率(MWF)和/或红外频率(IRF)构件，例如适合与有线和/或无线网络通信的无线收发器。这样，通信接口装置512可以包括耦联到其的天线以用于无线通信目的。在其他实施例中，通信接口装置512可以适于经由诸如DSL(例如，数字用户线路)调制解调器、PSTN(公共交换电话网)调制解调器、以太网设备、电缆调制解调器、电力线调制解调器等的有线通信构件与有线网络接口连接，以便与DSL、以太网、电缆、光纤、电力线和/或各种其他类型的有线网络接口连接，以及用于与有线网络上的其他设备进行通信。
在各种实施例中，成像传感器412是未冷却的微辐射热计成像传感器。使用未冷却的微辐射热计的气体检测继续关于气体检测的灵敏度提出挑战。例如，常规的未冷却微辐射热计可能具有在长波IR(LWIR)带低端处—例如，大约7um(实际检测范围TBR)—检测气体的灵敏度，但可能无法检测更高波长—例如大约8um—的气体。参考图6-12，描述了用于增加未冷却的微辐射热计成像传感器中的气体灵敏度的成像传感器412、ROIC502和逻辑设备504的各种实施例。
在各种实施例中，成像传感器412包括在同一成像阵列中具有不同光谱响应的两个或更多个微辐射热计，其包括以行和列布置的多个像素传感器。像素传感器的阵列包括具有窄光谱带宽的像素传感器的第一子集，其灵敏度低至较低的气体检测范围(例如7um)，以及具有宽光谱带宽的像素传感器的第二子集，其灵敏度低至在气体检测范围之外的较低范围(例如8um)(例如，由***参数和配置确定的、像素传感器无法感测气体时的所处较低范围)。
在各种实施例中，像素传感器的第一子集和第二子集在相同的阵列中在图像传感器412上彼此紧邻布置。ROIC 502和逻辑设备504被构造为分别提取第一像素子集和第二像素子集中的每个的像素值。在一个实施例中，从像素的第一子集构造场景的第一图像，并且从像素的第二子集构造场景的第二图像。第一图像的像素值对应于由图像传感器的第一子集检测到的气体的存在或不存在。
在一个实施例中，比较第一图像和第二图像的对应像素值，并且比较结果用于增强第一图像中气体存在性的可视化，从而允许更高灵敏度的气体检测。例如，可以从第一图像的相应像素中减去第二图像的像素，结果值的大小提供每个像素处存在或不存在气体的指示。在一个实施例中，所得的比较图像(或差异图像)可以用于增强第一图像，从而产生所检测气体的更高灵敏度的可视化。
在各种实施例中，ROIC 502和成像传感器412被布置为成像阵列，该成像阵列具有在长波IR(LWIR)带内具有不同光谱响应的两个或更多个不同的辐射热计。常规辐射热计可能通过LWIR带具有标准响应，并且对场景中的气体不敏感。通过使用具有不同光谱响应的两个或更多个辐射热计，可以使用本文所公开的宽光谱响应辐射热计，其对LWIR波长带中的较低波长具有更高的灵敏度，从而允许以更高的灵敏度对场景中的气体进行响应。通过将两个具有不同光谱响应的不同辐射热计在阵列上一起靠近放置，可以用标准辐射热计形成图像，同时可以通过将宽光谱响应辐射热计的输出与相邻的标准响应辐射热计进行比较以及寻找大的差异来同时进行气体检测。
图6示出了用于配置未冷却的红外相机以执行光学气体成像的过程600。一些实施例的未冷却的红外相机包括一组透镜元件、成像传感器和逻辑设备。注意，在一些实施例中，可以执行过程600中包括的步骤的子集或全部，以相对于NECL度量来提高未冷却的红外相机的光学气体成像性能。在步骤602，在成像传感器上提供传感器像素的阵列。已经考虑到，相对于NECL度量，IR传感器中的大像素间距可以改善所得的IR图像。即使较大的像素间距可能导致较低的分辨率，由于气体图像没有高空间频率，其通常也是可以接受的。传感器像素的阵列具有大于或等于15微米的像素间距，并且在一些实施例中，大于或等于20微米。在一些实施例中，传感器像素的阵列可以具有在20微米与100微米之间(包括20微米与100微米)的像素间距。在一些实施例中，可以在像素水平将增加感兴趣的光谱区域(例如7.0μm至8.5μm)中的灵敏度的涂层应用到每个微辐射热计。在一些实施例中，如本领域技术人员将理解的，可以通过对两个或更多个具有较小间距的像素进行装仓来实现期望的像素间距(例如，大于或等于15微米的像素间距)。
在各种实施例中，当将微辐射热计用于窄带相机中时，大像素面积可能是优点。通过调谐已被调谐到气体带的光学腔体，可获得进一步的优点。以这种方式，可以将气体检测器设计为尽可能多地限制信号光子噪声，同时限制微辐射热计和IC中的其他噪声分量。对几个像素进行装仓还会增加信噪比。
在步骤604，将至少一个涂层应用到该组透镜元件上。该至少一个涂层可以被应用到该组透镜元件中的每个透镜元件的一个或两个表面上。如上所述，该涂层具有允许在波长带内(例如，在7.0μm与8.5μm之间)的至少90％的IR辐射透射通过该组透镜元件的特性。针对窄光谱范围(窄波长带)的优化涂层和响应，相对于NECL度量，进一步改善所得的IR图像。
在步骤606，将滤光器***未冷却的红外相机中，并将其设置在该组透镜元件和成像传感器之间。在一些实施例中，滤光器被构造为阻挡在波长带之外的IR辐射。窄带通滤光器相对于NECL度量进一步改善了所得的IR图像(降低了NECL得分)，因为它允许在较窄的带内的IR辐射的高平均传输。在步骤608，在该组透镜元件和成像传感器之间提供辐射入口，以允许穿过该组透镜元件的IR辐射到达成像传感器。在一些实施例中，辐射入口具有孔隙，该孔隙相对于该组元件的焦距具有小于或等于f/2的焦比。在一些实施例中，孔隙基本上在f/1附近。
在步骤610，成像传感器被构造为具有小于或等于50摄氏度的减小的动态范围。在一些实施例中，减小的动态范围等于或小于50摄氏度。减小的(变窄的)动态范围使数字化噪声不会干扰气体检测。常规的未冷却IR成像***通常具有200摄氏度的动态范围。为了避免数字化噪声，动态范围优选地小于常规未冷却的IR成像***的动态范围的一半。在步骤612，将至少一种涂层应用到成像传感器的检测器窗口和传感器像素，以允许在波长带内的至少90％的IR辐射透射通过成像传感器的检测器窗口。针对窄光谱范围(窄波长带)的优化涂层和响应相对于NECL度量进一步改善了所得的IR图像。
在步骤614，逻辑设备被构造为以大于或等于1/30秒的积分时间来捕获IR图像数据。在一些实施例中，积分时间可以是1/30秒与1秒之间的任何积分时间。进一步更优选地，逻辑设备可以被构造为以基本等于1/15秒的积分时间来捕获图像数据。优化的积分时间(和帧率)进一步使所得IR图像中的噪声降到最低。但是，可以预见的是，积分时间不能太长，因为它可能会产生粉红色(1/f)噪声，其不能被轻易滤除。
在步骤616，逻辑设备被构造为执行图像处理以提高捕获的图像的信噪比。如上所述，图像处理可以包括像素装仓、帧平均和降噪。
参照图7A和7B，将讨论宽光谱响应像素传感器(“W像素”或“W传感器”)和标准响应像素传感器(“S像素”或“S传感器”)的布置的实施例。图像像素传感器布置在具有C列×R行的大小的图像阵列700中。图7A的图像阵列700包括尺寸为M×N的多个超像素阵列702。例如，320×256的图像阵列可以包括多个16×16的超像素阵列，其在列上重复20次，在行上重复16次。在该MxN超像素内，可以获得宽光谱响应像素“W”和标准响应像素“S”的各种排列。例如，为了使每隔一列具有不同的光谱响应辐射热计，可以用M＝2列的像素传感器和N等于行数R来定义超像素阵列MxN，如图7A所示。在一个实施例中，每个超像素包括一个1xR列的宽光谱响应像素和一个1xR列的标准响应像素。类似地，如图7B所示，为了改变每一行的光谱响应，可以为具有C列乘以2行的大小的阵列710定义超像素712。
在各种实施例中，假定宽响应辐射热计用于检测气体，而标准响应辐射热计负责显示图像。在这样的实施例中，期望最大化用于成像的标准响应辐射热计的数量并且最小化用于检测场景内的气体的宽光谱响应辐射热计的数量。宽像素与标准像素的最佳数量将根据预期的场景、像素大小、光学元件以及其他***配置和布置而变化。
为了增加标准像素的数量，CxM的超像素可以由Cx1宽光谱响应辐射热计(W)和C x(M-1)标准辐射热计(S)组成，如图7C所示。同样，NxR的超像素可以由1xR宽光谱响应辐射热计(W)和(N-1)x R标准辐射热计(S)组成。
在各种实施例中，为了最大化图像阵列内的标准像素的数量，MxN超像素可以仅由1个宽光谱响应辐射热计组成，其余像素是如图8所描绘的标准辐射热计。例如，如果超像素为2x2，则1个像素将具有较宽的光谱响应，其余3个像素将为标准响应辐射热计。在下文中，还构思了其他布置，例如可以使用在宽光谱响应辐射热计和标准光谱响应辐射热计之间交替的棋盘状图案。
在一个实施例中，ROIC 502被构造为正确地偏置两个不同的辐射热计中的每一个，从而它们产生均匀的场景，并且在环境温度上具有最小的输出变化，从而允许在较大的环境温度范围内具有最大的动态范围。取决于在ROIC 502上如何实现温度补偿，可能需要超级单元内的不同配置。例如，如果基于行来执行由ROIC 502的温度补偿，则可以使用由Cx1宽光谱响应辐射热计和Cx(M-1)标准辐射热计组成的CxM的超像素。这样，可以将1行宽光谱响应辐射热计一起进行温度补偿，而M-1标准辐射热计行可以各自具有标准温度补偿。
已知可以使用一定数量的参考辐射热计来执行温度补偿，但不一定需要参考辐射热计。因此，如果如上例中的每行进行温度补偿，则每个超像素的1行将具有用于温度补偿的宽光谱响应参考辐射热计，其余(M-1)行将具有标准参考辐射热计，如图9A和9B中所示。代替每行具有一组参考，可以为一排宽光谱响应辐射热计切换(MUX)1个全局组的宽光谱响应参考辐射热计(或电路)，且可切换进另一组全局的标准参考辐射热计(或电路)，以便以对标准行进行温度补偿(图9C)。
在包括仅具有1个宽光谱响应辐射热计的MxN超像素的图像阵列的各种实施例中，包含宽光谱响应辐射热计(W)和标准辐射热计(S)两者的行将包括穿过该行的两组偏置，使得每个不同的辐射热计将具有适当的偏置用于温度补偿。为了同时提供两个不同的温度补偿偏置，这可能需要额外的电路和/或参考像素。在图10A和10B中描绘了两个这样的实施例。
图10A示出了根据本公开的实施例的具有偏置控制电路1002的示例性微辐射热计读取集成电路1000的各方面的框图。ROIC 1000包括微辐射热计阵列，该微辐射热计阵列包括布置成行和列的多个S传感器，其中至少一行包括一个或多个W传感器并且由偏置控制电路1002控制。ROIC1000还可包括诸如定时电路、单元寻址电路、放大器、模数转换器的附加元件。
图10B示出了根据本公开的另一实施例的具有列控制电路1016的示例性微辐射热计读取集成电路1010的各方面的框图。如图所示，ROIC 1010包括微辐射热计阵列，该微辐射热计阵列包括以行和列布置的多个S传感器和W传感器，每4×2块中有一个W传感器。为具有W和S传感器两者的每列提供多路复用器1014，以在列控制电路1016的控制下在W和S偏置之间切换。
尽管已经描述了基于行的温度补偿，但是应当理解，该温度补偿也可以在列或像素级或行和列补偿的组合中实现。同样，尽管这些示例着重于对像素进行偏置，但是也可以通过操纵辐射热计响应来执行温度补偿，以便所有S和W辐射热计都可以被相同地偏置，但是对于W和S辐射热计，信号操纵以不同的方式进行，以便最大化各自的动态范围。
现在将讨论配置的各种实施例。在一个实施例中，如本文所述涂覆两个不同的光谱响应调谐的辐射热计中的一个或多个，以滤出在它们各自的带之外的电磁辐射。如图11A和11B中所示，W像素具有更高的灵敏度，而其余的S像素是标准像素。图像阵列的校准可以包括在每隔一行上的校正，该校正将应用于下一行。在一些实施例中，由于对一个辐射热计或另一个辐射热计而不是对两个辐射热计进行片上补偿的调谐，因此难以对列进行偏置。
在本文描述的实施例中，描述了在同一阵列内的两个不同的光谱响应调谐的辐射热计，但是将理解的是，可以在每个超像素内放置三个或更多个不同的光谱响应辐射热计。将向每个辐射热计提供适当的偏置或对输出信号的操纵，或者对所有辐射热计类型进行全局设置就足够了。
现在将参照图12描述本文描述的各种实施例的操作的实施例。图12示出了根据本公开的实施例的执行气体检测的过程。如所讨论的，本文描述的图像传感器阵列包括具有至少两个光谱灵敏度的传感器。在一个实施例中，图像传感器阵列包括标准响应像素和宽光谱响应像素，每个像素检测不同的电磁辐射带。在步骤1201，接收图像传感器阵列信号，例如响应于检测到的电磁辐射由S和W传感器提供的像素值。在一个实施例中，标准响应像素S被优化以检测在频率范围内的气体的存在，并且宽光谱响应像素W被构造为具有在用于检测期望的气体的光谱范围之外的光谱范围。
在一个实施例中，传感器阵列可以被构造为检测电磁辐射的宽光谱带W，而其他传感器阵列可以被构造为检测电磁辐射的窄光谱带S。例如，S带可以近似匹配已知气体的吸收带之一(例如，波长范围)。并且W光谱带可以是其中未检测到气体的带。
接下来，在步骤1202中，针对每个传感器阵列处理传感器阵列信号。在这方面，对应于W传感器阵列信号的样本被传递到框1203，在框1203中，样本被映射到全局W场景坐标空间。在这方面，例如，通过选择具有最接近地匹配对应传感器的中心的中心的场景坐标(例如，一个或多个像素)，可以将每个W传感器映射到W场景坐标空间的对应坐标。
对应于S传感器阵列信号的样本被传递到框1204，在框1204中，样本被映射到全局S场景坐标空间。在这方面，例如，通过选择具有最接近地匹配对应S传感器的中心的中心的场景坐标，每个S传感器可以被映射到S场景坐标空间的对应坐标。
在框1205处，将W传感器阵列针对特定场景坐标提供的映射样本(例如，像素值)与S传感器阵列针对相同场景坐标提供的映射样本进行比较。在一个实施例中，减去两个映射的样本，并且两个测量之间的差提供了在场景中的特定位置处是否存在气体的指示。
在一个实施例中，如果由S传感器阵列和W传感器阵列提供的场景坐标值之间的差超过气体检测阈值，则该值可以指示在场景坐标处存在气体(框1207)。可以通过处理映射的样本(框1208)以提供图像1209(例如，结果图像)来在场景坐标处指示气体的存在，该图像1209例如在与识别为的气体对应的场景坐标处被加高亮或颜色编码。
在另一个实施例中，不同的S传感器阵列可以检测不同窄带中的S电磁辐射。例如，一个或多个S传感器阵列的第一组可以检测第一窄带中的S电磁辐射，而一个或多个S传感器阵列的第二组可以检测与第一窄带不同的第二窄带中的S电磁辐射。还可以提供与其他窄带相关联的S传感器阵列的附加组。
在另一实施例中，一个或多个S传感器阵列可以检测与多种气体的吸收带相匹配的多个窄带中的电磁辐射。在这种情况下，可以检测到具有不同光谱特性的多种气体。可以使用针对不同光谱带的不同S传感器阵列以高精度检测气体。例如，不同的光谱带可以与相同气体的不同吸收带相关联。因此，通过在图12的过程中使用这样的不同的S传感器阵列，可以将W传感器阵列提供的样本值(例如，信号强度)与不同的S传感器阵列202针对不同光谱带提供的样本值进行比较。
在一个实施例中，每个S光谱带具有相关联的W传感器阵列，其具有在S光谱带中感兴趣的气体的气体检测范围之外的带。在另一个实施例中，为多个S光谱带选择单个W传感器阵列。因此，如果气体具有多个吸收带，那么使用不同的光谱带对这些带进行检测可以提高气体检测的准确性，并减少错误检测的可能性(例如，由于多种气体或材料共享相同或相似的吸收带)。
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现由本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文中阐述的各种硬件构件和/或软件构件可以被组合成包括软件、硬件和/或两者的复合构件。在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件构件和/或软件构件可以被分成包括软件、硬件或两者的子组件。另外，在适用的情况下，可以预期的是，软件构件可以被实现为硬件构件，反之亦然。
在适用的情况下，可以更改本文描述的各个步骤的顺序，将其组合为复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
可以将根据本公开的软件，诸如非暂时性指令、程序代码和/或数据，存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还预期可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机***、网络和/或以其他方式来实现本文中标识的软件。在适用的情况下，可以更改本文描述的各个步骤的顺序，将其组合为复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
以上描述的实施例示出但不限制本公开。还应当理解，根据本公开的原理，许多修改和变化是可能的。因此，本公开的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (25)

1.一种用于光学气体检测的红外(IR)相机***，包括：
光学元件，所述光学元件布置成用于接收来自场景的红外辐射；
成像传感器，所述成像传感器包括传感器像素的阵列，所述传感器像素的阵列适于捕获基于通过所述光学元件接收的红外辐射的场景的图像，所述传感器像素的阵列还包括第一传感器阵列和第二传感器阵列，所述第一传感器阵列能够操作以对第一光谱带宽中的气体进行成像，所述第二传感器阵列能够操作以感测其中基本上不能检测到气体的第二光谱带宽中的红外辐射；
读取集成电路(ROIC)，所述读取集成电路能够操作以提供由所述第一阵列感测的第一图像和由所述第二阵列感测的第二图像；和
气体检测逻辑元件，所述气体检测逻辑元件能够操作来通过计算所述第一图像的像素值与所述第二图像的对应像素值之间的差而检测所述第一图像中气体的存在。
2.根据权利要求1所述的红外相机***，其中，所述第一传感器阵列具有与用于检测所述气体的所述传感器的响应灵敏度相对应的光谱带宽。
3.根据权利要求1所述的红外相机***，其中，所述图像传感器包括多个超像素，每个超像素包括单个W传感器和多个窄传感器。
4.根据权利要求1所述的红外相机***，其中，所述第一传感器阵列能够操作来感测在7.0与8.0微米之间的波长范围。
5.根据权利要求1所述的红外相机***，其中，所述第二传感器阵列能够操作来感测具有在8.0微米以上的下限的波长范围。
6.根据权利要求1所述的红外相机***，其中，所述成像传感器包括微辐射热计的阵列，所述微辐射热计包括光学腔结构，所述光学腔结构被调谐到与要检测的气体相对应的光谱带。
7.根据权利要求1所述的红外相机***，还包括：
透镜组件，所述透镜组件包括具有至少一个透镜涂层的一组透镜元件，所述至少一个透镜涂层允许在特定波长范围内的IR辐射至少90％地透射通过所述一组透镜元件；和
滤光器，所述滤光器阻止特定波长范围之外的IR辐射；
其中，所述成像传感器包括具有大于15微米的像素间距的传感器像素的阵列。
8.根据权利要求7所述的红外相机***，还包括与所述透镜组件相耦接的辐射入口，其中，所述辐射入口具有孔隙，所述孔隙具有关于与所述一组透镜元件相关联的焦距小于或等于f/2的焦比。
9.根据权利要求7所述的红外相机***，其中，所述传感器像素的阵列中的每个传感器像素具有探测器窗口，所述探测器窗口具有涂层，所述涂层允许在所述特定波长范围内的IR辐射至少90％地透射通过所述探测器窗口。
10.根据权利要求7所述的红外相机***，还包括设置在所述透镜组件和所述成像传感器之间的窗口，其中，所述窗口由锗制成，并且其中，所述窗口包括允许所述特定波长范围内的IR辐射至少90％地透射通过所述窗口的涂层。
11.根据权利要求7所述的红外相机***，其中，所述滤光器包括在所述特定波长范围的最小波长处截开的截开滤光器和在所述特定波长范围的最大波长处截止的截止滤光器；并且其中滤光器特性被配置为针对包括斜率、位置、透射率和滤光器公差的特定波长范围。
12.根据权利要求7所述的红外相机***，其中，所述成像传感器能够操作以产生场景的图像数据，其中，所述红外相机***还包括逻辑设备，所述逻辑设备能够操作以：
从所述成像传感器接收包括来自所述传感器像素的阵列的像素数据的所述图像数据；
将所述传感器像素的阵列划分为像素组的集合，其中，每个像素组包括至少两个相邻像素；
针对所述集合中的每个像素组，基于所述像素组中像素的像素数据计算平均像素值；和
基于计算的平均像素值生成图像帧。
13.根据权利要求12所述的红外相机***，其中，所述逻辑设备还能够操作以：
生成所述场景的至少两个图像帧；和
通过对所述场景的所述至少两个图像帧取平均来产生平均帧。
14.根据权利要求12所述的红外相机***，其中，所述逻辑设备还能够操作以将降噪滤光器应用于所述图像帧。
15.一种在红外(IR)相机中检测气体的方法，所述红外相机具有用于对场景成像的光学元件、成像传感器和逻辑设备，所述方法包括：
在所述成像传感器上提供能够操作以对所述场景成像的传感器像素的第一阵列，所述传感器像素的第一阵列在对应于待检测气体的光谱带中具有响应灵敏度；
在所述成像传感器上提供能够操作以对所述场景成像的传感器像素的第二阵列，所述传感器像素的第二阵列在其中无法由传感器的第二阵列检测到气体的光谱带中具有响应灵敏度；
生成由所述第一阵列感测的第一图像和由所述第二阵列感测的第二图像；和
通过计算所述第一图像的像素值与所述第二图像的对应像素值之间的差来检测所述第一图像中气体的存在。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二传感器阵列具有在要由所述第一传感器阵列检测的气体的可检测范围之外的带宽。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述图像传感器包括多个超像素，每个超像素包括单个W传感器和多个窄传感器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一传感器阵列能够操作来感测在7.0微米与8.0微米之间的波长范围。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二传感器阵列能够操作以感测具有在8.0微米以上的下限的波长范围。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，通过与所述成像传感器通信地耦接的读取集成电路来生成所述第一图像和所述第二图像。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述成像传感器包括微辐射热计的阵列，所述微辐射热计具有被调谐到对应于待检测气体的光谱带的光学腔结构。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在一组透镜元件上应用至少一个涂层，所述至少一个涂层允许特定波长范围内的IR辐射至少90％地透射通过所述一组透镜元件；和
配置滤光器以阻止所述特定波长范围之外的IR辐射。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述成像传感器的检测器窗口上应用所述至少一种涂层。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一组透镜元件具有焦距，所述方法还包括在所述一组透镜元件与所述成像传感器之间提供辐射入口，所述辐射入口具有孔隙，所述孔隙具有相对于焦距小于或等于f/2的焦比。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述成像传感器能够操作来捕获场景的图像数据，其中，所述方法还包括将所述逻辑设备构造为执行操作，所述操作包括：
从所述成像传感器的所述传感器像素的阵列获取包括像素数据的图像数据；
将所述传感器像素的阵列划分为像素组的集合，其中，每个像素组包括至少两个相邻像素；
针对所述集合中的每个像素组，基于所述像素组中的像素的像素数据来计算平均像素值；和
基于计算的平均像素值生成图像帧。
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