Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизионной камерой , тепловизионной камерой или тепловизором ) — это устройство, которое создает изображение с помощью инфракрасного (ИК) излучения, аналогично обычной камере , которая формирует изображение с помощью видимого света . Вместо диапазона 400–700 нанометров (нм), как у камеры видимого света, инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 микрометр или мкм) до примерно 14 000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией .
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения, превосходящая красный свет. [1] Эти «инфракрасные лучи» (infra — латинская приставка, означающая «ниже») использовались в основном для тепловых измерений. [2] Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон теплового излучения Кирхгофа , закон Стефана-Больцмана , закон Планка и закон смещения Вина . До Первой мировой войны развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров . Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили , используя эффект Зеебека , создал первую известную термопару , изготовив усовершенствованный термометр — грубую термобатарею . Он описал этот инструмент Маседонио Меллони . Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал один, создав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею ), способный обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. [3] Следующим значительным шагом в совершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли . [4] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжали совершенствовать этот инструмент. К 1901 году он мог обнаруживать радиацию коровы на расстоянии 400 метров и был чувствителен к разнице температур в сто тысячных (0,00001 C) градуса Цельсия. [5] [6] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки линий электропередачи высокого напряжения.
Первым передовым применением ИК-технологии в гражданском секторе, возможно, стало устройство для обнаружения присутствия айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. [7] Вскоре его превзошел первый точный ИК-детектор айсбергов, который не использовали термобатареи, запатентованные в 1914 году Р.Д. Паркером. [8] За этим последовало предложение Г.А. Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. [9] Этот метод не получил настоящего промышленного применения до тех пор, пока он не был использован для анализа однородности нагрева горячих стальных полос в 1935 году. [10]
В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телекамеру для противовоздушной обороны в Великобритании. [11] Первой американской термографической камерой был инфракрасный линейный сканер. Он был создан военными США и компанией Texas Instruments в 1947 году [12] [ проверка не удалась ] , и на создание одного изображения ушёл один час. Хотя было исследовано несколько подходов для повышения скорости и точности технологии, один из наиболее важных факторов был связан со сканированием изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с помощью охлаждаемого фотопроводника. [13]
Первой инфракрасной системой линейного сканирования была британская система желтого утенка середины 1950-х годов. [14] При этом использовались непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием по оси Y за счет движения самолета-носителя. Несмотря на то, что предполагаемое применение слежения за подводными лодками с помощью обнаружения следа не удалось, оно было применено для наземного наблюдения и стало основой военного ИК-линейного сканирования.
Эта работа получила дальнейшее развитие в Королевском институте сигналов и радиолокации в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид ртути-кадмия является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Компания Honeywell в США также разработала ряд детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, [ требуются дальнейшие объяснения ], но они сканировали механически. Этот метод имел ряд недостатков, которые можно было преодолеть с помощью системы электронного сканирования. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из компании English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру с пироэлектронным сканированием, которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других прорывов 1970-х годов. [15] Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных матриц, которая в конечном итоге привела к созданию современных гибридных однокристаллических устройств формирования изображений. [13]
Используя трубки видеокамер, такие как видиконы, с пироэлектрическим материалом, таким как триглицинсульфат (ТГС), в качестве мишени, можно получить видикон, чувствительный в широкой части инфракрасного спектра [16] . Эта технология была предшественником современной технологии микроболометров и в основном использовалась в тепловизионных камерах пожаротушения. [17]
Одним из важнейших направлений развития систем безопасности была возможность разумной оценки сигнала, а также предупреждения о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могут интегрировать распознавание, извлечение, обработку и понимание сигналов. [18] Существует два основных типа интеллектуальных датчиков. Один, похожий на так называемый « чип зрения » при использовании в видимом диапазоне, позволяет осуществлять предварительную обработку с использованием методов интеллектуального зондирования благодаря увеличению роста интегральных микросхем. [19] Другая технология более ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки благодаря своему дизайну и структуре. [20]
К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения стало переходить к гражданскому использованию. Произошло резкое снижение стоимости неохлаждаемых массивов, что наряду со значительным ростом разработок привело к появлению рынка двойного назначения , охватывающего как гражданское, так и военное использование. [21] Эти области применения включают контроль окружающей среды, анализ зданий и произведений искусства, функциональную медицинскую диагностику, а также системы управления автомобилем и предотвращения столкновений . [22] [23] [24] [25] [26] [27]
Инфракрасная энергия — это лишь одна часть электромагнитного спектра , который включает в себя излучение гамма-лучей , рентгеновских лучей , ультрафиолета , тонкой области видимого света , инфракрасных , 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 излучается в виде излучения черного тела . Специальная камера может обнаружить это излучение так же, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Он работает даже в полной темноте, поскольку уровень окружающего освещения не имеет значения. Это делает его полезным для спасательных операций в задымленных зданиях и под землей.
Основное отличие оптических камер состоит в том, что фокусирующие линзы не могут быть изготовлены из стекла, поскольку стекло блокирует длинноволновое инфракрасное излучение. 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 достаточно тверды и имеют высокий показатель преломления (для германия n=4), что приводит к очень высокому френелевскому отражению от непокрытых поверхностей (до более 30%). По этой причине большинство линз тепловизионных камер имеют просветляющее покрытие. Более высокая стоимость этих специальных линз является одной из причин, почему термографические камеры стоят дороже.
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, поскольку 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 плотности , полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон определения интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть тонкие различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена.
Для измерения 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 отображаться шкала, позволяющая соотнести цвета с температурами. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном 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 видимого спектра, хотя в 2014 году низкопроизводительные дополнительные тепловизионные камеры для смартфонов стали доступны за сотни долларов. [28] Модели более высокого класса часто считаются оборудованием двойного назначения военного уровня. и имеют ограничения на экспорт, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или выше, за исключением случаев, когда частота обновления составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется международными правилами торговли оружием . Впервые тепловизионная камера была встроена в смартфон в 2016 году, в Cat S60 .
В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 °C на месте происшествия вызывает разницу всего в 0,03 °C на датчике. Время отклика пикселя также довольно медленное — десятки миллисекунд.
Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловидения специалисты по техническому обслуживанию линий электропередачи обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, что является явным признаком их неисправности, и устраняют потенциальные опасности. Там, где теплоизоляция выходит из строя, специалисты по строительству зданий могут обнаружить утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или обогрева системой кондиционирования воздуха.
Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых роскошных автомобилях для помощи водителю ( автомобильное ночное видение ), первой из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска .
Некоторые физиологические процессы, особенно реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных, также можно отслеживать с помощью термографической визуализации. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти на крупных астрономических исследовательских телескопах , даже на тех, которые не являются инфракрасными телескопами .
Термографические камеры можно разделить на два типа: с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и с неохлаждаемыми детекторами.
Охлаждаемые детекторы обычно помещаются в герметичный корпус или контейнер Дьюара и охлаждаются криогенно . Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры варьируются от 4 К (-269 ° C) до чуть ниже комнатной температуры, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 Кельвинов (К) до 100 К (от -213 до -173 °C), в зависимости от типа и уровня производительности. [29]
Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет почти так же, как обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или залиты собственным излучением. Недостатком охлаждаемых инфракрасных камер является то, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение является энергоемким и трудоемким процессом.
Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она сможет начать работу. Наиболее часто используемыми системами охлаждения являются охладители Пельтье , которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, но относительно просты и компактны. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов необходимы криорефрижераторы 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 объектов, температура которых близка к комнатной или ниже ее. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с более высоким числом F , что делает высокопроизводительные длиннофокусные объективы меньше и дешевле для охлаждаемых детекторов.
Альтернативой охладителям двигателей Стирлинга является использование газов, находящихся в баллонах под высоким давлением, обычно используется азот. Газ под давлением расширяется через отверстие микроразмера и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению за счет эффекта Джоуля-Томсона . Для таких систем поставка сжатого газа является логистической проблемой для использования на местах.
К материалам, используемым для охлаждаемого инфракрасного детектирования, относятся фотодетекторы на основе широкого спектра узкозонных полупроводников , включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия , теллурид ртути-кадмия (МСТ) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм). мкм), сульфид свинца и селенид свинца
Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами .
Существует ряд технологий сверхпроводящих и несверхпроводящих охлаждаемых болометров.
В принципе, сверхпроводящие устройства с туннельным 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 тщательной защиты от фонового излучения.
Сверхпроводящие детекторы обладают чрезвычайной чувствительностью, а некоторые способны регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера ЕКА (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 помощью небольших элементов контроля температуры. Во всех современных неохлаждаемых детекторах используются датчики, которые работают за счет изменения сопротивления , напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Эти изменения затем измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.
Неохлаждаемые инфракрасные датчики можно стабилизировать до рабочей температуры для снижения шумов изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих, энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения, как правило, 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 собственную тепловую сигнатуру.
Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров . [30] Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электроникой.
Сегнетоэлектрические детекторы работают близко к температуре фазового перехода материала датчика; температура пикселя считывается как поляризационный заряд, сильно зависящий от температуры. Достигнутый NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f/1 и датчиками размером 320х240 составляет 70-80 мК. Возможная сборка датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного полиимидным термоизолированным соединением.
Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V) , подвешенного на мостике из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.
Текущие усовершенствования неохлаждаемых матриц в фокальной плоскости (UFPA) ориентированы в первую очередь на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировало пятимикронную камеру LWIR, в которой используется матрица в фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. [31] Некоторые из материалов, используемых для сенсорных матриц, включают аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), [32] манганит лантана-бария (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), свинец , легированный лантаном . титанат цирконата (PLZT), танталат свинца-скандия (PST), титанат свинца-лантана (PLT), титанат свинца (PT), ниобат свинца-цинка (PZN), титанат свинца-стронция (PSrT), титанат бария-стронция (BST), титанат бария ( БТ), сульфиодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (ПВДФ).
Первоначально разработанные для использования в военных целях во время Корейской войны , термографические камеры постепенно мигрировали в другие области, такие разнообразные, как медицина и археология . Совсем недавно снижение цен способствовало внедрению технологии инфракрасного наблюдения. Усовершенствованная оптика и сложные программные интерфейсы продолжают повышать универсальность ИК-камер.
Некоторыми техническими параметрами системы инфракрасной камеры являются количество пикселей , частота кадров , чувствительность , эквивалентная шуму мощность , эквивалентная шуму разница температур (NETD), спектральный диапазон, соотношение расстояния к пятну (D:S), минимальное расстояние фокусировки. , срок службы датчика, минимальная разрешаемая разница температур (МСПД), поле зрения , динамический диапазон , входная мощность, а также масса и объем.
