Войти
Изображение померанского шпица, снятое в среднем инфракрасном ("тепловом") свете (ложно- цветная )A термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизором или тепловизором ) - это устройство, которое создает изображение с помощью инфракрасное излучение, аналогично обычной камере, которая формирует изображение, используя видимый свет. Вместо 400–700 нанометров диапазона камеры видимого света инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 мкм) до примерно 14000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термография.
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершель как форма излучения за пределами красного света. Эти «инфракрасные лучи» («инфра» - латинская префикс «внизу») использовались в основном для измерения температуры. Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон теплового излучения Кирхгофа, закон Стефана-Больцмана, закон Планка и закон смещения Вина. Разработка детекторов была в основном сосредоточена на использовании термометров и болометров до Первой мировой войны. Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили, используя Эффект Зеебека, создал первую известную термопару, изготовил усовершенствованный термометр, грубую термобатарею. Он описал этот инструмент Македонио Меллони. Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал один, в 1833 году разработав прибор (многоэлементную термобатарею ), который мог обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. Следующим значительным шагом в усовершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли. Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжали совершенствовать этот инструмент. К 1901 году он был способен обнаруживать излучение коровы с расстояния 400 метров и был чувствителен к перепадам температуры в сто тысячных градуса Цельсия. Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередач.
Первым передовым применением ИК-технологии в гражданской части могло быть устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. Вскоре это было превзойдено первым настоящим ИК-айсбергом. детектор, в котором не использовались термобатареи, запатентованный в 1914 году Р. Д. Паркер. За этим последовал Г.А. Предложение Баркера использовать инфракрасную систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. Этот метод не получил промышленного развития до тех пор, пока в 1935 году его не использовали для анализа однородности нагрева горячекатаных стальных полос.
В 1929 году венгерский физик Калман Тиханьи изобрел в Великобритании чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны. Первыми разработанными американскими термографическими камерами были инфракрасные линейные сканеры. Он был создан вооруженными силами США и Texas Instruments в 1947 году, и на создание одного изображения ушло один час. Несмотря на то, что было исследовано несколько подходов к повышению скорости и точности технологии, одним из наиболее важных факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с использованием охлаждаемого фотопроводника.
Первое инфракрасное сканирование линий Система была британской Yellow Duckling середины 1950-х годов. В нем использовались непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием оси Y движением самолета-носителя. Несмотря на неудачу в предполагаемом применении слежения за подводными лодками, он был применен для наземного наблюдения и стал основой военного инфракрасного сканирования.
Эта работа получила дальнейшее развитие в Royal Signals and Radar Establishment в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия ртути был фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Honeywell в Соединенных Штатах также разработала массивы детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, но сканировали их механически. У этого метода было несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру, которая сканирует с помощью пироэлектроники и которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других достижений в 1970-х годах. Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных массивов, которая в конечном итоге привела к созданию современных гибридных монокристаллических устройств формирования изображений.
Одна из наиболее важных областей развития для систем безопасности была для способности разумно оценивать сигнал, а также предупреждать о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могут объединять зондирование, извлечение, обработку и понимание сигналов. Есть два основных типа интеллектуальных датчиков. Один, аналогичный тому, что называется «микросхемой зрения » при использовании в видимом диапазоне, допускает предварительную обработку с использованием методов Smart Sensing из-за увеличения роста интегральных микросхем. Другая технология больше ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки благодаря своей конструкции и структуре.
К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения переходило в гражданское использование. Произошло резкое снижение затрат на неохлаждаемые массивы, что наряду с большим ростом разработок привело к появлению рынка двойного использования между гражданскими и военными. Эти области применения включают контроль окружающей среды, анализ зданий / искусства, медицинскую функциональную диагностику и управление автомобилем, а также системы предотвращения столкновений.
Тепловое изображение, показывающее изменение температуры в воздушном шаре. Инфракрасное энергия - это всего лишь одна часть электромагнитного спектра, которая включает излучение гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолета, тонкой области видимого света, инфракрасного, терагерцовых волн, микроволн и радиоволн. Все они связаны и различаются по длине волны (длине волны). Все объекты излучают определенное количество излучения черного тела в зависимости от их температуры.
Вообще говоря, чем выше температура объекта, тем больше инфракрасного излучения испускается как излучение черного тела. Специальная камера может обнаруживать это излучение аналогично тому, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Он работает даже в полной темноте, потому что уровень окружающего освещения не имеет значения. Это делает его полезным для спасательных операций в задымленных зданиях и под землей.
Основное отличие оптических камер заключается в том, что фокусирующие линзы не могут быть сделаны из стекла, так как стекло блокирует длинноволновый инфракрасный свет. Обычно спектральный диапазон теплового излучения составляет от 7 до 14 мкм. Необходимо использовать специальные материалы, такие как германий, фторид кальция, кристаллический кремний или недавно разработанный специальный тип халькогенидного стекла. За исключением фторида кальция, все эти материалы довольно твердые и имеют высокий показатель преломления (для германия n = 4), что приводит к очень высокому френелевскому отражению от поверхностей без покрытия (до более 30%). По этой причине большинство линз для тепловизионных камер имеют просветляющее покрытие. Более высокая стоимость этих специальных объективов является одной из причин, по которым тепловизоры более дорогие.
Термографическое изображение кольчатого лемура Изображения с инфракрасных камер обычно монохромные, поскольку в камерах обычно используется датчик изображения , который не различает длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, потому что разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.
Иногда эти монохроматические изображения отображаются в псевдоцвете, где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезкой по плотности, полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон определения интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть мелкие различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена.
Для использования при измерении температуры самые яркие (самые теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры - в красный и желтый, а самые тусклые (самые холодные) части - в черный. Рядом с изображением в искусственных цветах должна быть показана шкала, чтобы соотнести цвета с температурой. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, чаще всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже, чем их аналоги в видимом спектре, хотя в 2014 году добавочные тепловизионные камеры с низкой производительностью для смартфонов стали доступны за сотни долларов. Более дорогие модели часто рассматриваются как двойное использование и ограничение экспорта, особенно при разрешении 640 x 480 или выше, если частота обновления не превышает 9 Гц. Экспорт тепловизионных камер регулируется Международными правилами торговли оружием.
. В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 ° C в месте съемки вызывает разницу всего в 0,03 ° C на датчике. Время отклика пикселя также довольно низкое, порядка десятков миллисекунд.
Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловизора специалисты по обслуживанию линий электропередачи обнаруживают перегрев соединений и деталей, что является явным признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. Когда теплоизоляция выходит из строя, строительные специалисты могут увидеть утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или обогрева кондиционирования воздуха.
Горячие копыта указывают на больную корову Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых роскошных автомобилях, чтобы помочь водителю (Автомобильное ночное видение ), первым из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска .
Некоторые физиологические процессы, в частности реакции, такие как лихорадка, у людей и других теплокровных животных также можно контролировать с помощью термографических изображений. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти в крупных астрономических исследованиях телескопов, даже тех, которые не являются инфракрасными телескопами.
Термографическое изображение змеи вокруг руки, показывающее контраст между теплые- и холоднокровные существа Термографические камеры можно условно разделить на два типа: камеры с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и камеры с неохлаждаемыми детекторами.
Термографическое изображение нескольких ящериц 
Тепловизионная камера и экран в терминале аэропорта в Греции. Тепловидение может обнаружить лихорадку, один из признаков инфекции.Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в герметичном корпусе или Дьюара и криогенно остыл. Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры находятся в диапазоне от 4 K до температуры чуть ниже комнатной, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 K до 100 K (от -213 до -173 ° C), в зависимости от типа и уровня производительности.
Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет в значительной степени так же, как обычные цифровые фотоаппараты, но изготовленные из других материалов) будут «ослеплены» или залиты собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер состоят в том, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение требует больших затрат энергии и времени.
Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она начнет работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения - это охладители Пельтье, которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, но относительно просты и компактны. Для получения изображений лучшего качества или для получения изображений низкотемпературных объектов требуются криокулеры двигателя Стирлинга. Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают значительно более высокое качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми камерами, особенно для объектов, температура которых близка или ниже комнатной. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с большим F-числом, что делает высокоэффективные линзы с большим фокусным расстоянием меньше и дешевле для охлаждаемых детекторов.
Альтернативой охладителям двигателя Стирлинга является использование газов, разлитых в баллоны под высоким давлением, причем азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через отверстие микроскопического размера и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению за счет эффекта Джоуля – Томсона. Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.
Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотодетекторы на основе широкого диапазона узкозонных полупроводников, включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия, теллурид кадмия ртути (MCT) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм), сульфид свинца и селенид свинца
Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур из полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, таких как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами.
Существует ряд технологий сверхпроводящих и несверхпроводящих охлаждаемых болометров.
В принципе, устройства с туннельным сверхпроводящим переходом могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не получили широкого распространения, поскольку их высокая чувствительность требует тщательного экранирования от фонового излучения.
Сверхпроводящие детекторы обладают исключительной чувствительностью, некоторые из них способны регистрировать отдельные фотоны. Например, ESA Сверхпроводящая камера (SCAM). Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.
В неохлаждаемых тепловизионных камерах используется датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с использованием небольших элементов контроля температуры. Все современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, которые работают по изменению сопротивления, напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.
Неохлаждаемые инфракрасные датчики можно стабилизировать до рабочей температуры, чтобы уменьшить шум изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих и энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения обычно ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными доступными в настоящее время технологиями. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна иметь дело со своей собственной тепловой сигнатурой.
Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или на технологии микроболометров. Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.
Тепловое изображение паровоза Сегнетоэлектрические детекторы срабатывают при температуре, близкой к температуре фазового перехода материала датчика; Считается, что температура пикселей сильно зависит от температуры. Достигнутая NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f / 1 и сенсорами 320x240 составляет 70-80 мК. Возможный узел датчика состоит из титаната бария-стронция с полиимидом теплоизолированным соединением.
Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного оксида ванадия (V), подвешенного на мостике из нитрида кремния над кремниевой сканирующей электроникой.. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.
Текущие усовершенствования матриц неохлаждаемой фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировало пятимикронную камеру LWIR, в которой используется матрица фокальной плоскости 1280 x 720 (FPA). Некоторые из материалов, используемых для матриц датчиков: аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), лантан легированный цирконат титанат свинца (PLZT), танталат свинца и скандия (PST), (PLT), титанат свинца (PT), (PZN), (PSrT), титанат бария-стронция (BST), титанат бария (BT), (SbSI) и поливинилидендифторид (ПВДФ).
Термографическая камера на вертолете Eurocopter EC135, принадлежащем Федеральной полиции Германии.Первоначально разработанная для использования в военных целях во время Корейской войны, термографические камеры постепенно перекочевали в другие области, такие как медицина и археология. В последнее время снижение цен способствовало внедрению технологии инфракрасного просмотра. Усовершенствованная оптика и сложные программные интерфейсы продолжают увеличивать универсальность ИК-камер.
Если смотреть из космоса с помощью WISE с помощью тепловизора, астероид 2010 AB78 кажется более красным, чем фоновые звезды, поскольку он излучает большую часть своего свет в более длинных инфракрасных волнах. В видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне он очень слабый и его трудно увидеть. Некоторые параметры спецификации системы инфракрасной камеры - это количество пикселей, частота кадров, Чувствительность, мощность, эквивалентная шуму, разница температур, эквивалентная шуму (NETD), спектральный диапазон, расстояние до - соотношение точек (D: S), минимальное фокусное расстояние, срок службы датчика, минимальная разрешаемая разница температур (MRTD), поле зрения, динамический диапазон, ввод мощность, масса и объем.
 | На Викискладе есть медиафайлы, связанные с тепловизионными камерами. |
| На Викискладе есть медиафайлы, связанные с тепловизионными изображениями. |
| Викискладе есть медиафайлы связанные с Термография. |
