Хроники тепловидения (Часть 1)
Как обычно, корни всех важных вещей так или иначе уходят в Древнюю Грецию – тепловидение в данной ситуации совсем не исключение. Тит Лукреций Кар первый высказал предположение, что существуют некие «тепловые» лучи, невидимые человеческому глазу, но дальше умозрительных заключений дело не дошло. Вспомнили о тепловом излучении в эпоху развития паровой техники и одними из первых стали шведский химик Карл Шееле и немецкий физик Иоганн Ламберт. Первый в своем труде «Химический трактат о воздухе и огне» удостоил теплу целую главу – случилось сие событие в 1777 году и стала предшественником книги «Пирометрия», написанной Ламбертом два года спустя. Ученые выяснили прямолинейность распространения тепловых лучей и определили, наверное, самое главное – их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но наиболее поразительный опыт с теплом проделал Марк Огюст Пикте в 1790 году, когда установил друг против друга два вогнутых зеркала, а в фокусе одного поместил нагретый шар. Измерив температуры зеркал, Пикте выяснил удивительную для той эпохи вещь — теплее оказалось зеркало, в фокусе которого находился горячий шар. Ученый пошел дальше и поменял нагретое тело на снежный комок – ситуация развернулась ровно наоборот. Так было открыто явление отражение теплового излучения и навсегда ушло в прошлое понятие о «лучах холода».
Уильям Гершель (1738-1822 гг.) Английский астроном, первооткрыватель инфракрасного излучения. Источник — ru.wikipedia.org
Следующей значимой личностью в истории тепловидения стал первооткрыватель Урана и его спутников английский астроном Уильям Гершель. Ученый обнаружил в 1800 году существование невидимых лучей, «обладающих наибольшей нагревательной силой», расположенные за пределами видимого человеком спектра. Удалось ему это с помощью стеклянной призмы, разлагающей свет на составляющие, и термометра, который фиксировал максимальную температуру чуть правее видимого красного света. Будучи последователем корпускулярного учения Ньютона, Гершель твердо верил в идентичность световой и лучистой теплоты, однако, после опытов с преломлением невидимых инфракрасных лучей, вера его изрядно пошатнулась. Но в любой истории не обходится без авторитетных умников от науки, которые портят картину своими ложными домыслами. В этой роли выступил физик Джон Лесли из Эдинбурга, заявивший о существовании нагретого воздуха, который, собственно, и является теми самыми «мифическими тепловыми лучами». Он не поленился повторить эксперимент Гершеля, изобрел для этого специальный дифференциальный ртутный термометр, который зафиксировал максимальную температуру как раз в зоне видимого красного спектра. Гершеля объявили чуть ли не шарлатаном, указав на недостаточную подготовку экспериментов и ложность выводов.
Однако время рассудило иначе – к 1830-му году многочисленные опыты ведущих мировых ученых доказали существование «лучей имени Гершеля», которые Беккерель назвал инфракрасными. Изучение различных тел на способность пропускать (или не пропускать) подобное излучение привело ученых к понимаю того, что жидкость, наполняющая глазное яблоко, поглощает инфракрасный спектр. В общем, именно такая ошибка природы и создала необходимость изобретения тепловизора. Но в XIX веке ученые лишь познавали природу теплоносного и невидимого излучения, вдаваясь во все нюансы. Оказалось, что разные источники тепла – горячий чайник, раскаленная сталь, спиртовая лампа – имеют разный качественный состав «инфракрасного пирога». Экспериментально доказал это итальянец Мачедонио Меллони при помощи одного из первых теплорегистрирующих приборов – висмут-сурьмянистого термостолбика (thermomultiplicateur). Разобраться с этим феноменом позволила интерференция инфракрасного излучения — в 1847 году с её помощью впервые эталонировали спектр с длиной волны до 1,94 мкм.
Паутинный болометр — регистратор теплового излучения. Источник — ru.wikipedia.org
А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость. Такой приемник излучения позволил дойти до максимально возможной на то время длины волны до 5,3 мкм, а к 1923 году в излучении маленького электрического осциллятора детектируются уже 420 мкм. Начало XX века ознаменовывается появлением массы идей, касающихся практического воплощения теоретических поисков предшествующих десятилетий. Так, появляется фоторезистор из сернистого таллия, обработанный кислородом (оксисульфид таллия), способный изменять свою электропроводность под действием инфракрасных лучей. Немецкие инженеры создали на их основе таллофидные приемники, ставшие надежным средством связи на поле боя. До 1942 года вермахту удавалось держать в секрете свою систему, способную работать на дальность до 8 км, пока не прокололись при Эль-Аламейне. Эвапорографы являются первыми истинными тепловизионными системами, позволяющими получать более или менее удовлетворительные теплограммы.
Схема эвапорографа. Из книги «Основы инфракрасной техники» Козелкин В. В.
Устройство следующее: в камере располагается тонкая мембрана с пересыщенными парам спирта, камфары или нафталина, причем температура внутри такая, что скорость испарения веществ равна скорости конденсации. Такое тепловое равновесие нарушается оптической системой, фокусирующей тепловую картинку на мембрану, что ведет за собой ускорение испарения на самых горячих участках – в итоге формируется тепловое изображение. Бесконечные десятки секунд в эвапорографе уходили на формирование картинки, контрастность которого оставляла желать лучшего, шумы порой затмевали собой всё, а о качественной передаче движущихся объектов и говорить было нечего. Несмотря на неплохую разрешающая способность в 10 градусов Цельсия, совокупность минусов не оставляла эвапорографу места в массовом производстве. Однако, в СССР появился мелкосерийный аппарат ЭВ-84, в Германии — EVA, вели экспериментальные поиски и в Кембридже. С 30-х годов внимание инженеров привлекли полупроводники и их особые взаимоотношения с инфракрасным спектром. Здесь бразды правления перешли к военным, под руководством которых появились первые охлаждаемые фоторезисторы на основе сульфида свинца. Идея о том, что чем ниже температура приемника, тем выше его чувствительность, подтвердилась и кристаллы в тепловизорах стали замораживать твердой углекислотой и жидким воздухом. И уже совсем хайтеком для тех предвоенных лет стала, разработанная в Пражском университете, технология напыления чувствительного слоя в условиях вакуума. С 1934 года электронно-оптический преобразователь нулевого поколения, более известный как «стакан Холста», стал родоначальником массы полезной техники – от приборов для ночного вождения танков до индивидуальных снайперских прицелов.
Стакан Холста — первый электронно-оптический преобразователь. Источник — zodiak.uu.ru
Важное место ночное зрение получило в военно-морском флоте – корабли обрели способность в полной темноте ориентироваться в прибрежной зоне, сохраняя режим светомаскировки. 1942 году наработки флота в деле ночной навигации и коммуникации были заимствованы военно-воздушными силами. Вообще, первыми обнаружить самолет в ночном небе по его инфракрасной сигнатуре удалось в 1937 году англичанам. Дистанция, конечно, была скромной – около 500 метров, но для того времени это был несомненный успех. Ближе всех к тепловизору в классическом понимании подошли в 1942 году, когда был получен сверхпроводящий болометр на основе тантала и сурьмы с охлаждением жидким гелием. Немецкие теплопеленгаторы «Донау-60» на его основе позволяли распознавать крупные морские суда на расстоянии до 30 км. Сороковые годы стали своеобразным перекрестком для тепловизионной техники – один путь вел к системам, аналогичным телевизионным, с механическим сканированием, а второй к инфракрасным видиконам без сканирования.
История отечественной военной тепловизионной техники ведет свой отсчет с конца 1960-х годов, когда в Новосибирском приборостроительном заводе началась работа в рамках научно-исследовательских проектов «Вечер» и «Вечер-2». Теоретическую часть курировал головной НИИ прикладной физики в Москве. Серийного тепловизора тогда не получилось, но наработки использовались при научно-исследовательской работе «Лена», итогом которой стал первый тепловизор для разведки 1ПН59, оснащенный фотоприемным устройством «Лена ФН». 50 светочувствительных элементов (каждый размером 100х100 мкм) располагались в один ряд с шагом 130 мкм и обеспечивали работу прибора в средневолновом (MWIR – Middle Wave Infrared) спектральном диапазоне 3-5 мкм с дальность распознавания целей до 2000 м. Газовая смесь на базе азота под высоким давлением поступала на микротеплообменник фотоприемника, охлаждала его до -194,5ОС и возвращалась в компрессор. Такова особенность приборов первого поколения – высокая чувствительность требовала низкие температуры. А низкие температуры требовали в свою очередь большие габариты и внушительное энергопотребление в 600 Вт.
Устанавливали 1ПН59 на отечественной разведывательной машине ПРП-4 «Нард», использующей базу БМП-1.
Разведывательная машина ПРП-4 «Нард»Источник — cris9.armforc.ru
К 1982 году отечественные инженеры решили сместить рабочий спектральный диапазон тепловизионных приборов до 8-14 мкм (длинноволновый LWIR – Long Wave Infrared) в связи с лучшей «пропускной способностью» атмосферы теплового излучения в этом сегменте. Изделие под индексом 1ПН71 стало итогом подобной конструкторской работы по направлению «Пособие-2», имеющее в качестве «всевидящего ока» фотоприемник из теллурида кадмия-ртути (CdHgTe или КРТ).
Изделие 1ПН71. Источник — army-guide.com
Назвали этот чувствительный элемент «Невесомость-64» и имел он… правильно, 64 кристалла КРТ размеров 50х50 с шагом в 100 мкм. Морозить «Невесомость» приходилось еще сильнее – до -196,50С, но массогабаритные показатели изделия заметно снизились. Всё это позволило достичь дальнозоркости 1ПН71 в 3000 метров и заметно улучшить картинку перед пользователем. Тепловизор устанавливался на артиллерийском подвижном разведывательном пункте ПРП-4М «Дейтерий», который помимо прибора 1ПН71, имеет на вооружении импульсный прибор ночного видения, радиолокатор и лазерный дальномер. Редкий вид в российской армии – БРМ-3 «Рысь» также оснащается тепловизионным прибором разведки Новосибирского приборостроительного завода. Менять в войсках эту технику призван тепловизор 1ПН126 «Аргус-АТ», разработанный в 2005 году ЦКБ «Точприбор» и оснащенный микроскопическими чувствительными элементами размерность 30х30 мкм из проверенного CdHgTe. Настоящей изюминкой сто двадцать шестого тепловизора стала вращающаяся восьмигранная германиевая призма, прозрачная для инфракрасного излучения. Именно этот сканер за один оборот формирует два кадра на фотоприемном устройства в режиме регистрации тепловой сигнатуры наблюдаемого объекта. Для сравнения – в 1ПН71 эту роль выполняло плоское зеркало – в Советском Союзе отсутствовали недорогие технологии производства германиевых стекол. Под новый отечественный тепловизор была подготовлена разведывательная платформа переднего края ПРП-4А или, как его часто называют, «всевидящее око бога войны». Ощетинившийся многочисленный объективами оптических средств разведки, машина вполне походит на древнегреческого многоглазого великана, в честь которого и была названа.
Кто изобрел первый тепловизор — от 18-века к современности
Гершель измерил температуру каждого из цветов, но в сумме, арифметически, не достиг температуры, излучаемой солнечным светом.
Долгие эксперименты не помогли найти ответ на вопрос. Работать можно сутками, но надо же и обедать.
И во время обеденного перерыва, ученый оставлял чувствительный термометр рядом с красной частью спектра, а когда он поел и вернулся к своему рабочему месту, он внезапно обнаружил, что наблюдалось значительное повышение случайно измеренной температуры.
Таким образом была получена “недостающая” температура, которая по спектру лежит дальше видимого нашими органами зрения “красного” участка спектра, т.е. в визуально невидимой области.
Это и было излучение, которое идет от Солнца и вообще от любого объекта не только теплого в привычном нам смысле, а температура которого выше абсолютного нуля и которое воспринимает пирометр и отображает на дисплее или если купить тепловизор — температурный визуализатор. Поскольку при абсолютном нуле движение атомов и молекул полностью прекращается. И температуры нет. Как бы это странно не звучало. Именно поэтому в шкале Кельвина нет минусовых значений. Или плюс или ноль. Вот так.
Кстати, а Вы знаете какой самый холодный объект во Вселенной ? Считается, что на это ледяное звание претендует туманность Бумеранга в созвездии Центавра, удаленная от земли на 5000 световых лет. Ее температура 1К или минус -272,15 по Цельсию. По сравнению с этой невообразимой цифрой, самая холодная температура -89,2 °C, зарегистрированная на нашей планете 21.07.1983 на советской антарктической станции “Восток”, покажется настоящей жарой.
Итак, он пришел к выводу, что обнаружил область нового невидимого излучения, косвенным образом, по наблюдаемому нагревательному эффекту. Таким образом, излучение получило четкую термическую категоризацию.
- В 1821 году
Немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком был обнаружен эффект электродвижущей силы (термо ЭДС) – возникновение электричества под действием тепла - В 1834 году
Французский изобретатель и часовщик Жан Шарль Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, выяснив, что разность температур возникает на стыке двух разных типов материалов под действием электрического тока. А есть и обратный процессе — создание напряжение при нагревании. Так например работает термопара, подключаемая к мультиметру или цифровому термометру. - В 1878 году
Сэмюел Лэнгли, полагая, что вся жизнь и деятельность на Земле стали возможными благодаря солнечному излучению, изобрел болометр, сверхчувствительный детектор лучистого тепла, который различает перепады температуры в сотую тысячную градуса Цельсия (0,00001 С)
Этот прибор, состоящий из двух тонких металлических полос, измерительного моста, источника питания и гальванометра (устройства для измерения электрического тока), позволил ему изучать световые лучи от солнца далеко в его инфракрасной области и измерять интенсивность солнечного излучения на разных длинах волн.
Вот оно, дистанционное измерение температуры ! В те то годы.
Уже по этим примерам из тех далеких времен, видим как выстраивается цепочка, на основе которой и функционирует алгоритм:
Поверхность ➤ исходящее инфракрасное излучение ➤ преобразование в электричество.
Не хватает еще цифрового дисплея, но мы много хотим для 18 века. Открытия сделанные тогда, и так опередили свое время на более чем 100 лет.
Тепловизор
Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C. Более подробная информация доступна в разделе Термография.
В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.
Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.
Содержание
История создания
Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора.
Современные тепловизорные системы начали свое развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.
С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощённо, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.
Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования [источник не указан 1102 дня] . В России производство портативных тепловизоров по технологии неохлаждаемых болометров освоено в 2007 году в ЦНИИ «Циклон». [1]
Проблемы производства
Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы — матрица и объектив составляют около 90 % общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем [когда?] , по заверениям экспертов [источник не указан 1102 дня] , их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни [когда?] активно ведутся поиски более дешёвых материалов [источник не указан 1102 дня] .
Классификация
Тепловизоры делятся на:
- Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −40 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.
- Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.
Тепловизоры часто путают с приборами ночного видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного видения позволяет ориентироваться при низком уровне освещенности, усиливая свет, попадающий в объектив. Во многих случаях яркий объект, оказавшийся в поле зрения, «слепит» прибор. С этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень. Тепловизор же в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, в данном случае на тепло.
Назначение
Тепловизоры применяют во всех отраслях промышленности, где необходимо обеспечить качественный контроль за технологическими процессами производства. Они позволяют оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения, происходящие в отдельно взятых частях машин или механизме в целом. При этом, повышение температуры может быть расценено, как знак к возрастанию нагрузки, после чего может быть принято решение об остановке эксплуатации устройства.
Тепловизор должен входить в стандартный набор инструментов технических инженеров, осуществляющих тепловой контроль на предприятиях. Специально для этих целей были разработаны портативные высокопроизводительные тепловизоры, которые позволяют с высокой степенью точности оценивать изменения температуры объекта в режиме реального времени. Небольшие размеры и вес подобных устройств позволяют применять их на выездных мероприятиях, когда доступ к стационарному оборудованию затруднен.
Область применения
Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.
Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.
Тепловизоры все шире применяются вооруженными силами развитых государств для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Из специализированного разведывательного прибора тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации (вертолетов) и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.
Тепловизоры также широко применяют в энергетике, металлургии, при строительстве дорог, судостроении, строительстве и эксплуатации железнодорожного полотна, метрополитене, автомобильной промышленности, ветеринарии, искусстве.
Применение тепловизоров в медицине
Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии. [2]
С 2008—2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа. [3] [4]
Тепловизионные прицелы и приборы: как это работает
Тепловизор – это устройство, которое способно получить изображение в инфракрасном диапазоне, причем в так называемом дальнем инфракрасном диапазоне с длиной волн от 7,5 до 14 мкм. Это принципиальная разница тепловизоров от других инфракрасных приборов, таких как приборы ночного видения. Дело в том, что инфракрасный диапазон волн электромагнитного спектра имеет более высокую длину, чем диапазон, видимый человеческому глазу.
Особенностью инфракрасного диапазона является то, что в воздухе инфракрасные волны распространяются неравномерно: волны с одной длиной поглощаются, другие же могут не поглощаться вовсе. Те участки инфракрасного диапазона, где волны не поглощаются атмосферой, называются окнами прозрачности атмосферы. В этих диапазонах и работают инфракрасные приборы, в основном их подразделяют на два типа:
— дальний инфракрасный диапазон от 8 до 14 мкм;
— ближний инфракрасный диапазон 3–5 мкм, он расположен ближе к видимому спектру.
В ближнем инфракрасном диапазоне распространяется в основном отраженное излучение, причем солнце, звезды и другие источники электромагнитного излучения светятся не только в видимом диапазоне, но и в инфракрасном, иногда даже более ярко. Поэтому приборы ночного видения позволяют фиксировать изображение ночью так же хорошо, как днем. Однако приборы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, не являются тепловизионными. Как уже говорилось выше, они фиксируют лишь отраженные инфракрасные волны, поэтому могут подвергаться засветке при интенсивном отраженном излучении или не показывать ничего при полной темноте, когда нет ни одного источника излучения данного диапазона.
С тепловизорами дело обстоит иначе. Тепло – это форма энергии, которая может накапливаться, передаваться и излучаться. Таким образом, любое нагретое тело обладает электромагнитным излучением, называемым тепловым. Диапазон этих волн наиболее близок именно к дальнему инфракрасному диапазону, причем распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры. При повышении температуры спектральная область излучения смещается в фиолетовую сторону, а при 100 °С тело начинает раскаляться, и появляется излучение, которое становится видимым даже человеческому глазу.
В связи с этим тепловизионные приборы преобразуют тепловое излучение от объектов и местности в видимое изображение и способны давать результат даже в полной темноте. Регистрируемое тепловое излучение является двухмерным, поэтому на дисплее тепловизора изображение визуализируется как черно-белое или «псевдоцветное», где тот или иной цвет будет соответствовать той или иной фиксируемой температуре объекта.
Устройство и принцип действия тепловизора
Техническое устройство и принцип действия тепловизора очень похожи на устройство обычного фотоаппарата. Инфракрасное излучение от нагретых предметов проходит через фокусирующую оптику и фиксируется инфракрасным сенсором (матрицей), далее полученное изображение поступает в цифровой электронный блок, где оно обрабатывается и выводится на экран дисплея.
Электромагнитные волны инфракрасного диапазона распространяются в соответствии с законами оптики, поэтому фокусирующая система тепловизора собирает эти волны и фокусирует их на инфракрасный сенсор, так же как и обычная оптическая линза. Фокусирующая оптика имеет важную характеристику – угол обзора. Чем больше этот угол, тем большая часть наблюдаемой сцены попадает на экран дисплея, но вместе с тем снижается детализация изображения.
Инфракрасный сенсор или чип по своему устройству напоминает матрицу фотоаппарата, поскольку характеризуется разрешающей способностью, которая указывается в количестве пикселей. Чем выше разрешение, тем более детализированное изображение получается. Разрешающая способность подобных датчиков ниже, чем у оптических, примерно 160х120 или 320х240 пкс. У наиболее современных моделей разрешение может составлять до 1024х768 пкс.
Очень важной характеристикой инфракрасного сенсора является динамический диапазон. Это диапазон температур, в пределах которого все объекты с такими температурами будут отображаться на дисплее.
Цифровой электронный блок обрабатывает полученное от инфракрасного сенсора изображение, убирает помехи и шумы, например вызванные собственным излучением воздуха, накладывает на изображение полезную информацию и различные данные, а также может выполнять ряд дополнительных функций (фото-, и видеозахват, выделение особо нагретых областей и т.д.)
Дисплей тепловизора тоже имеет ряд важных характеристик: диагональ, яркость и разрешение. Разрешение дисплея может не совпадать с разрешением инфракрасного сенсора, тогда итоговое изображение будет искажено. Например, если разрешение дисплея будет ниже инфракрасного сенсора – может пострадать детализация, если разрешение дисплея будет выше инфракрасного сенсора – станет заметным некорректное расстояние до объектов.
Необходимо заметить, что в работе тепловизионного оборудования есть своя специфика, например оно не дает изображения через стекло, воду или блестящие объекты, так как эти поверхности действуют как зеркала в системе.
Категории тепловизоров
Тепловизоры делятся на две категории: стационарные и переносные. Стационарные – это, как правило, тепловизоры третьего поколения, на основе матриц полупроводниковых приемников, для нормального функционирования которых часто используется азотное охлаждение.
Переносные – это наиболее современные тепловизоры, на базе неохлаждаемых микроболометров. Они более эффективны и во многом превосходят по функциональности стационарных собратьев.
Болометр – это тепловой приемник оптического излучения, который был изобретен в 1878 г. американским астрономом, физиком, пионером авиации Сэмюэлем Припонтом Лэнгли (1834–1936 гг.) Принцип действия прибора основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания его под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии.
Проще говоря, главным компонентом болометра является очень тонкая, затемненная для лучшего эффекта поглощения пластинка, проводящая электрический ток. Эта пластинка из-за своей малой толщины довольно быстро нагревается под воздействием электромагнитного излучения, и ее сопротивление повышается. На основе болометра базируется большинство современных тепловизоров.
Неохлаждаемые инфракрасные детекторы делятся на классы: микроболометры, ферроэлектрики и другие типы. В свою очередь, микроболометры делятся на два подкласса – это микроболометры на оксиде ванадия (VOx), используемые в основном в США, и микроболометры на аморфном кремнии (a-Si). Ферроэлектрики также подразделяются на два подкласса – использующие толстопленочную технологию (Thick Film BST) и тонкопленочную технологию (Thin Film PLZT). К другим типам неохлаждаемых инфракрасных детекторов можно отнести Poly-SiGe и приемники на солях свинца.
Микроболометры на оксиде ванадия более чувствительные и работают при более низких температурах, их используют, как правило, для измерительных приборов. Пожарным и спасательным подразделениям высокая точность получаемой температуры не так важна, как высокая частота снимаемой информации, и для этой роли идеально подходят микроболометры с аморфным кремнием. Ферроэлектрики же значительно проигрывают микроболометрам.
Тепловизор является довольно дорогостоящим оборудованием, около 90% стоимости прибора приходятся на объектив и инфракрасный сенсор. Производство неохлаждаемых инфракрасных чувствительных элементов – очень наукоемкий и высокотехнологичный процесс. А в объективах используются редкие и дорогие материалы, такие как германий (Ge). В отличие от стекла германий обладает прозрачностью в инфракрасной области спектра, поэтому металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики. Именно поэтому в мире существует немного производителей, которые могут себе позволить содержать такое производство.