Рынок инфракрасного тепловидения находится в самом разгаре: снижение затрат, стандартизация, интеллект

Технология инфракрасного тепловидения когда-то использовалась только в высокотехнологичных приложениях, таких как национальная оборона и армия, но за последние несколько десятилетий она постепенно стала более распространенной технологией. С ростом популярности портативных тепловизионных камер при техническом обслуживании и поиске неисправностей в электрооборудовании растет осознание промышленных преимуществ этой технологии.

В 2020 году мы снова столкнулись с новой эпидемией короны, и логично, что на рынок хлынуло большое количество решений для инфракрасного тепловидения. Для обнаружения тепла используются различные технологии тепловизионных датчиков и камеры, хотя технически тепловизионные датчики могут измерять только температуру поверхности кожи.

Тем не менее, инфракрасное тепловидение остается загадкой для многих конечных пользователей. Даже самый квалифицированный персонал может оказаться в затруднении при использовании методов визуализации в невидимом свете. В этом нет ничего необычного, поскольку у людей отсутствует зрительная способность визуально воспринимать температуру.

Чтобы лучше понять работу инфракрасных камер и тепловизионных камер , пользователи должны понимать, как работают инфракрасные тепловизионные камеры и связанные с ними физические процессы. В отличие от стандартных камер машинного зрения, которые работают в видимом спектре (диапазон от 400 до 700 нм), инфракрасные камеры и тепловизоры охватывают более широкий спектральный диапазон, который подразделяется на три основных диапазона: от 0,9 до 1,7 мкм. инфракрасный (SWIR), диапазон от 3 до 5 мкм принадлежит средневолновому инфракрасному излучению (MWIR), а диапазон от 8 до 14 мкм принадлежит длинноволновому инфракрасному излучению (LWIR).

Спектральные полосы в первую очередь определяются характеристиками детекторной техники в различных типах камер. Спектральные полосы происходят от чувствительных длин волн материала детектора. В зависимости от научных принципов в физической литературе инфракрасная спектроскопия может классифицироваться по-разному.

Краткое введение в длинноволновое инфракрасное излучение

LWIR собирает свет в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм — диапазоне длин волн наиболее доступных тепловизионных камер. Фактически, согласно закону Планка, в LWIR излучаются в первую очередь наземные цели. Приложения системы LWIR включают тепловидение/контроль температуры, профилактическое обслуживание, обнаружение утечек газа, визуализацию сцены в очень широком диапазоне температур (и требующую широкого динамического диапазона), визуализацию дыма и т. д. Два наиболее часто используемых неохлаждаемых детектора в LWIR — это аморфный кремний (a-Si) и оксид ванадия (VOx), тогда как охлаждаемые детекторы в этой области — в основном HgCdTe.

Микроболометры: более экономичный метод тепловидения.

Реальный тепловой эффект при комнатной температуре и ниже проявляется в полосах 3 мкм и выше. Устройства формирования изображения, способные фиксировать эти тепловые эффекты, часто считаются настоящими тепловизионными камерами. Термин «инфракрасная камера» относится не только к этой части тепловизионных устройств, поскольку большая часть улавливаемых ими сигналов исходит от длинноволнового инфракрасного излучения.

MWIR-детекторы также можно использовать в тепловидении. Однако у них есть общий недостаток: они очень дорогие. Средняя цена продажи детектора с разрешением 640 x 512 пикселей составляет около 70 000 долларов. Эти детекторы дороги, поскольку их необходимо охлаждать примерно до 75 К (или -198,15 ℃). Материал детектора сам по себе очень чувствителен к тепловому излучению, что приводит к немедленному насыщению датчика при комнатной температуре.

В современных камерах MWIR криогенное охлаждение достигается с помощью охладителя Стирлинга замкнутого цикла, расположенного внутри корпуса камеры. Раньше для охлаждения таких камер требовалось использование больших баллонов, наполненных жидким азотом.

Более экономичный вариант — тепловизор со встроенным детектором-микроболометром. В зависимости от разрешения пикселей, уровня шума детектора и точности измерения температуры, эти камеры могут стоить менее 1000 долларов США с разрешением 80 x 60 пикселей. Микроболометры работают совершенно иначе, чем типичные детекторы, улавливающие фотоны, и в основном основаны на крошечных терморезистивных пикселях. В некоторых из этих камер в основном используются термоэлектрические охлаждающие элементы, которые проще в эксплуатации. Когда эти пиксели подвергаются воздействию инфракрасного излучения (тепла), их сопротивление меняется. Никакого низкотемпературного охлаждения не требуется, операция проще, а стоимость ниже.

Каждый пиксель в камере LWIR имеет физическую массу, которая должна улавливать тепловое излучение объекта, на который он направлен, чтобы нагреть его. Это дает фиксированную постоянную времени для прогрева каждого пикселя, прежде чем камера считывает изменение сопротивления. Эта константа обычно составляет от 8 до 14 миллисекунд, в зависимости от размера пикселя. Недостатком таких детекторов является то, что постоянная времени создает проблемы при визуализации движущихся объектов.

Восемь миллисекунд могут показаться коротким временем, однако, в зависимости от поля зрения камеры и скорости отображаемого объекта, на захваченном изображении может быть заметное размытие изображения. В течение времени интегрирования (т.е. постоянной времени) размытие изображения происходит, когда часть объекта проходит мимо пикселя детектора. Другими словами, пиксель может не полностью интегрировать тепловое излучение, которое он пытается уловить, прежде чем объект переместится к соседнему пикселю. В результате это может вызвать эффекты усреднения температуры, что может привести к ошибкам измерения и другим проблемам.

Размытие в движении — не единственный тип размытия в тепловидении. Поскольку контраст тепловых изображений вызван изменениями температуры, большинство тепловых изображений выглядят размытыми. Это размытие не является результатом фокусировки или отсутствия фокусировки. Точнее, это вызвано физическими термодинамическими функциями.

Тепловая энергия течет из более теплых регионов с более высокой энергией в более холодные регионы с более низкой энергией. Такое поведение является полностью динамическим и приводит к температурным переходам или температурным градиентам. Изменения температуры представлены на тепловых изображениях как изменения яркости: белый цвет представляет более горячие области, черный — более холодные области, а серый переход происходит между более теплыми и более холодными областями.

Эти переходы делают края изображения размытыми. Этот эффект обычно не наблюдается в стандартных приложениях машинного зрения, которые больше полагаются на эффект отражения света от поверхности или элемента. Этот шаблон отражения является постоянным, как и контраст, который он создает на изображении. Тепловые изображения становятся более четкими только при изменении яркости или когда более теплые области термически изолированы от окружающих областей. Именно это динамическое поведение, вызванное термодиффузией, позволяет предположить, что тепловидение может иметь больше общего с обработкой сигнала, чем с обработкой изображения.

Понимание излучательной способности

Коэффициент излучения, вероятно, является наиболее важным явлением, которое необходимо понимать при изучении тепловизионных камер. Поэтому эта тема, как правило, является одной из самых горячих тем на курсах и семинарах по тепловизионной визуализации. Проще говоря, излучательная способность характеризует способность твердого тела излучать инфракрасную энергию. Коэффициент излучения в основном состоит из трех компонентов: отражения, пропускания и лучистой энергии. Сумма этих коэффициентов должна равняться 1.

Поскольку большинство материалов не пропускают инфракрасное излучение, визуализация в первую очередь связана с отраженной и излучаемой энергией. В этом случае процесс деривации может затруднить измерение температуры теплоотражающего объекта. Например, попытка определить температуру блестящего резервуара из нержавеющей стали считается невозможным применением тепловидения, если не удастся изменить излучательную способность поверхности резервуара. Если разрешено, можно нанести на участок резервуара черную краску, чтобы увеличить его коэффициент излучения до 0,9 или более. Благодаря теплопроводности это покрытие с высоким коэффициентом излучения поглощает температуру поверхности резервуара. Затем покрытие помогает передавать энергию на тепловизор, обеспечивая точные измерения температуры.

Когда речь идет о приложениях, включающих поверхности с низким коэффициентом излучения, которые невозможно изменить, могут потребоваться измерения контактными методами (например, подключением физической термопары).

Еще одним фактором, который следует учитывать при использовании тепловизора в машинном зрении, является доступное пространственное разрешение тепловизора. Для коммерческого применения тепловизоры имеют максимальное разрешение около 1,3 МП, а более экономичные камеры предлагают разрешение 640×480 или 640×512 пикселей. Это разрешение бледнеет по сравнению с современными камерами машинного зрения, которые предлагают 70 или даже 100 МП. Таким образом, инфракрасным камерам еще есть куда совершенствоваться.

Материалы линз для тепловизионных камер особенные. Наиболее типичным является германий (Ge). Стандартное боросиликатное стекло блокирует средневолновое и длинноволновое инфракрасное излучение, что делает его непригодным в качестве оптического материала для тепловизионных камер.

Производители камер должны калибровать свои объективы в соответствии с самой камерой, поэтому многие производители камер также являются поставщиками объективов. Поэтому нередко каждый тепловизор предлагает всего 1-5 вариантов объективов, что усложняет конструкцию системы формирования изображений.

Ситуация еще больше усложняется, если тепловизору также требуется кожух для защиты от суровых условий окружающей среды. В этом случае смотровое окно также должно быть оснащено пропускающим инфракрасное излучение стеклом из германия или другого подходящего материала.

Заключение

Несмотря на эти проблемы и недостатки, тепловизионные камеры становятся все более важными в промышленных и непромышленных приложениях для получения изображений. Тепловизионные камеры обязательно засияют по-своему.

Quanhom является профессиональным производителем инфракрасных линз по индивидуальному заказу . Наши универсальные решения сложных задач в области обороны, безопасности и коммерческих приложений признаны клиентами по всему миру. Команда экспертов постоянно разрабатывает первоклассные тепловые инфракрасные технологии. Опытные инженеры имеют многолетний опыт разработки сложных продуктов, связанных с инфракрасной оптикой. Талантливая команда Quanhom создала множество историй успеха для различных приложений, таких как тепловизионные прицелы для наружного и оборонного использования, тепловизионные монокуляры/бинокли, пограничная и прибрежная безопасность, морское применение и инфракрасная полезная нагрузка БПЛА.