Термографическая камера

Материал из wikixw
Перейти к навигации Перейти к поиску

"Инфракрасный датчик" перенаправляет сюда. Другие виды инфракрасных датчиков см. В разделах пассивный инфракрасный датчик, инфракрасный точечный датчики Недисперсный инфракрасный датчик.

Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизионной камерой или тепловизором) - это устройство , которое создает изображение с помощью инфракрасного излучения, аналогичное обычной камере, которая формирует изображение с помощью видимого света. Вместо 400-700 нанометрового диапазона камеры видимого света инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 Нм (1 мкм) до примерно 14 000 Нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией.

История[править]

Открытие и исследование инфракрасного излучения[править]

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения за пределами красного света. Эти "инфракрасные лучи" (infra-латинская приставка, означающая "ниже") использовались главным образом для тепловых измерений.Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон теплового излучения Кирхгофа, закон Стефана-Больцмана , законПланкаи закон смещениявина . Развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров вплоть до Первой мировой войны. значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили, используя эффект Зеебека, создал первую известную термопару, изготовив усовершенствованный термометр, сырой термопил. Он описал этот инструмент Македонио Меллони. Первоначально они совместно разработали значительно усовершенствованный инструмент. Впоследствии Меллони работал в одиночку, разработав в 1833 году прибор (многоэлементный термопил), который мог обнаружить человека на расстоянии 10 метров. Следующим значительным шагом в совершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли. Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжалось совершенствование этого инструмента. К 1901 году он обладал способностью обнаруживать излучение от коровы с расстояния 400 метров и был чувствителен к перепадам температур в сто тысячных градуса Цельсия. Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередачи.

Первым передовым применением ИК-технологии в гражданском секторе, возможно, было устройство для обнаружения присутствия айсбергов и пароходов с помощью зеркала и термопила, запатентованное в 1913 году. вскоре это было превзойдено первым истинным ИК-детектором айсбергов, который не использовал Термопилы, запатентованные в 1914 году Р. Д. Паркером.За этим последовало предложение Г. А. Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934году. Этот метод не был по-настоящему промышленно развит до тех пор, пока он не был использован при анализе равномерности нагрева в горячих стальных полосах в 1935 году.] Первая термографическая камера

В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел инфракрасную чувствительную (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны в Великобритании.[10] Первыми разработанными американскими термографическими камерами были инфракрасные линейные сканеры. Он был создан американскими военными и Texas Instruments в 1947году [неудачная проверка] и потребовался один час, чтобы создать одно изображение. В то время как было исследовано несколько подходов для повышения скорости и точности технологии, один из наиболее важных факторов касался сканирования изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с помощью охлажденного фотопроводника.]

Первой инфракрасной системой linescan была Британская Yellow Duckling середины 1950-х годов.[13] она использовала непрерывно вращающееся зеркало и детектор, со сканированием по оси Y движением самолета-носителя. Несмотря на неудачу в своем предполагаемом применении слежения за подводными лодками с помощью обнаружения по следу, он был применен к наземному наблюдению и стал 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, который требует гораздо меньшего охлаждения. Компания Honeywell в Соединенных Штатах также разработала массивы детекторов, которые могут охлаждаться при более низкой температуре, но они сканируются механически. Этот метод имел ряд недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт в английской компании Electric Valve Company в Великобритании была запатентована камера, которая сканировала пироэлектронно и которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других прорывов на протяжении 1970-х годов. Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных матриц, которая в конечном итоге привела к современным гибридизированным монокристаллическим срезам устройств визуализации.

Интеллектуальные датчики[править]

Одним из наиболее важных направлений развития систем безопасности была возможность интеллектуальной оценки сигнала, а также предупреждения о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативыСША стали появляться "умные сенсоры". Это датчики, которые могут интегрировать зондирование, извлечение сигнала, обработку и понимание.[15] существует два основных типа интеллектуальных датчиков. Один, похожий на то, что называется "чипом зрения"при использовании в видимом диапазоне допускайте предварительную обработку с использованием интеллектуальных методов зондирования из-за увеличения роста интегральных микросхем.[16] Другая технология более ориентирована на конкретное использование и выполняет свою цель предварительной обработки через свой дизайн и структуру.]

К концу 1990-х годов инфракрасное излучение стало использоваться в гражданских целях. Произошло резкое снижение расходов на массивы неохлаждаемых, что наряду с большим увеличением тенденций приведет к двойной рынок использовать путь между гражданскими и военными. , в том числе для экологического контроля, строительство/искусство анализа, медицинская функциональной диагностики, и автомобильные руководства и системы предотвращения столкновений.

Теория работы[править]

Инфракрасная энергия - это только одна часть электромагнитного спектра, которая включает в себя излучение гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолета, тонкой области видимого света, инфракрасных, терагерцовых волн, микроволни радиоволн. Все они связаны между собой 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 в виде излучения черного тела. Специальная камера может обнаружить это излучение таким же образом, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Он даже работает в полной темноте, потому что уровень окружающего света не имеет значения. Это делает его полезным для спасательных работ в задымленных зданиях и под землей.

Основное отличие оптических камер состоит 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 халькогенидных стекол. За исключением фторида кальция все эти материалы достаточно тверды и имеют высокий показатель преломления (для Германия n=4), что приводит к очень высокому отражению Френеля от непокрытых поверхностей (до более чем 30%). По этой причине большинство объективов для тепловизионных камер имеют просветляющие покрытия. Более высокая стоимость этих специальных объективов является одной из причин, почему термографические камеры стоят дороже.

В использовании[править]

Изображения с инфракрасных камер, как правило, монохромные, потому что камеры обычно используют датчик изображения, который не различает различные длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для дифференциации длин волн, и цвет имеет меньшее значение за пределами нормального видимого спектра, потому что различные длины волн не отображаются равномерно в системе цветового зрения, используемой людьми.

Иногда эти монохроматические изображения отображаются в псевдо-цвете, где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый плотностным разрезанием, полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон обнаружения интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть тонкие различия интенсивности в ярких областях довольно ограничена.

Для использования в 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. Шкала должна быть показана рядом с ложным цветным изображением, чтобы связать цвета с температурами. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном только 160 х 120 или 320 х 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 х 1024 пикселей. Тепловизионные камеры стоят намного дороже, чем в видимом спектре аналогов, хотя малопроизводительные добавить-на тепловизоры для смартфонов стали доступны сотни долларов в 2014 году. более дорогие модели часто считается двойного назначения и экспортные ограничения, в частности при разрешении 640 х 480 или больше, если частота обновления 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется международными правилами торговли оружием.

В неохлажденных детекторах разница температур на пикселях датчика мала; разница в 1 °C на сцене индуцирует только разницу в 0,03 °C на датчике. Время отклика пикселя также довольно медленно, в диапазоне десятков миллисекунд.

Термография находит много других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловизора специалисты по техническому обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегрев соединений и деталей, что является предательским признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. В тех случаях, когда теплоизоляция выходит из строя, специалисты по строительству зданий могут увидеть утечку тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или обогрева кондиционеров.

Тепловизионные камеры также установлены в некоторых роскошных автомобилях, чтобы помочь водителю (автомобильное ночное видение), первым из которых является Cadillac DeVille 2000года выпуска .

Горячие копыта указывают на больную корову.

Некоторые физиологические действия , в частности реакции, такие как лихорадка, у людей и других теплокровных животных также могут контролироваться с помощью термографического изображения. Охлажденные инфракрасные камеры можно найти на крупных астрономических исследовательских телескопах, даже тех, которые не являются инфракрасными телескопами.

Типы[править]

Термографические камеры можно широко разделить на два типа: с охлажденными инфракрасными детекторами изображения и с неохлажденными детекторами.

Охлажденные инфракрасные детекторы[править]

Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в вакуумно-герметичном корпусе или корпусе Дьюара и криогенно охлаждаются. Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры варьируются от 4 К до чуть ниже комнатной температуры, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 до 100 К (от -213 до -173 °C), в зависимости от типа и уровня производительности.]

Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет почти так же, как обычные цифровые камеры, но сделаны из разных материалов) были бы "ослеплены" или затоплены собственным излучением. Недостатками охлаждаемых инфракрасных камер являются их дороговизна как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение является одновременно энергоемким и трудоемким процессом.

Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она сможет начать работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения-это охладители Пельтье, которые, хотя и неэффективны и ограничены в охлаждающей способности, являются относительно простыми и компактными. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов криокулеры двигателя Стирлинга необходимы. Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают значительно более высокое качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми, особенно объектов вблизи или ниже комнатной температуры. Кроме того, большая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с более высоким числом F, что делает высокоэффективные объективы с большим фокусным расстоянием как меньшими, так и более дешевыми для охлаждаемых детекторов.

Альтернативой охладителям двигателей Стирлинга является использование газов, разлитых под высоким давлением, причем азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через микроразмерное отверстие и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению через Джоуль.–Эффект Томсона. Для таких систем поставка сжатого газа является логистической задачей для использования в полевых условиях.

Материалы, используемые для инфракрасного детектирования с охлаждением, включают фотоприемники на основе широкого спектра узкозонных полупроводников, включая антимонид Индия (3-5 мкм), арсенидИндия , теллурид ртути кадмия (МКТ) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм), сульфид свинцаи селенид свинца

Инфракрасные фотоприемники могут быть созданы со структурами полупроводников с высокой запрещенной зоной, например, в инфракрасных фотоприемниках с квантовой ямой.

Существует целый ряд сверхпроводящих и не сверхпроводящих охлаждаемых болометрических технологий.

В принципе, сверхпроводящие туннельные переходные устройства могут быть использованы в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не были широко приняты для использования, потому что их высокая чувствительность требует тщательного экранирования от фонового излучения.

Сверхпроводящие детекторы обладают исключительной чувствительностью, причем некоторые из них способны регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера ESA (SCAM). Однако они не используются регулярно вне научных исследований.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы[править]

Неохлаждаемые тепловизионные камеры используют датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к окружающей среде, с использованием небольших элементов контроля температуры. Современные неохлаждаемые детекторы все используют датчики, которые работают по изменению сопротивления, напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями рабочей температуры датчика.

Неохлаждаемые инфракрасные датчики могут быть стабилизированы до рабочей температуры для снижения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогостоящих, энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения, как правило, ниже, чем у охлажденных детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными имеющимися 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 микроболометрической технологии. Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые теплоизолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.

Сегнетоэлектрические детекторы работают близко к температуре фазового перехода материала датчика; температура пикселя считывается как сильно зависящий от температуры поляризационный заряд. Достигнутая НЕТД сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f / 1 и датчиками 320x240 составляет 70-80 МК. Возможный узел датчика состоит из титаната бария-стронция, скрепленного полиимидным термоизолированным соединением.

Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 МК. Они состоят из слоя аморфного кремнияили тонкопленочного чувствительного элемента оксида ванадия (V), подвешенного на нитридном мостике кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз на кадр.

Современные усовершенствования неохлаждаемых матриц фокальной плоскости (UFPA) сосредоточены главным образом на повышении чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировала пятимикронную камеру LWIR, использующую матрицу фокальной плоскости 1280 x 720 (FPA). Некоторые материалы, используемые для датчика массивы аморфного кремния (а-Си), ванадия(V) оксид (вокал), барием манганите лантана (LBMO), цирконат-титанат свинца (ЦТС), лантана , легированного свинца, цирконат-титанат (ЦТСЛ), свинца-скандия танталат (ПСТ), лантана-титанат свинца (ПЛТ), титанат свинца (ПТ), свинец, цинк ниобата (ПЗН), стронция титанат свинца (PSrT), титанат стронция бария (BST), титанат бария (BT), сульфоиодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (PVDF).

Приложения[править]

Первоначально разработанные для военного использования во время Корейской войны, термографическиекамеры медленно мигрировали в другие области, такие же разнообразные, как медицина и археология. Совсем недавно снижение цен способствовало внедрению инфракрасной технологии просмотра. Усовершенствованная оптика и сложные программные интерфейсы продолжают повышать универсальность ИК-камер.

  • Осмотр здания
  • Диагностика неисправностей и устранение неполадок
  • Домашнее представление
  • Обнаружение влаги в стенах и крышах (и, таким образом, в свою очередь, часто является частью восстановления плесени)
    • Структурный анализ стеновой кладки
  • Правоохранительные органы и борьба с терроризмом
    • Карантинный мониторинг посетителей страны
    • Обнаружение и прием военных и полицейских целей: дальновидный инфракрасный, инфракрасный поиск и след
    • Мониторинг состояния и наблюдение за ним
  • Контрмеры технического надзора
  • Прицел теплового оружия
  • Поисково-спасательные работы
    • Противопожарные работы
  • Термография (медицинская) - медицинское тестирование для диагностики
    • Ветеринарная тепловизионная съемка
  • Мониторинг программного процесса
    • Контроль качества в производственных условиях
    • Прогнозное техническое обслуживание (раннее предупреждение о неисправностях) механического и электрического оборудования
  • Астрономия, в таких телескопах, как UKIRT, космический телескоп Spitzer, WISE и космический телескоп Джеймса Уэбба (запуск запланирован на 31 октября 2021 года)
  • Автомобильное ночное видение
  • Аудит акустической изоляции для снижения шума
  • Химическая визуализация
  • Мониторинг центра обработки данных
  • Диагностика и техническое обслуживание электрораспределительного оборудования, такого как трансформаторные станции и распределительные щиты
  • Неразрушающий контроль
  • Научные исследования и разработки новых продуктов
  • Обнаружение загрязнения сточных вод
  • Обнаружение заражений вредителями
  • Воздушная археология
  • Детектор пламени
  • Метеорология (тепловые изображения с метеорологических спутников используются для определения температуры/высоты облаков и концентрации водяного пара в зависимости от длины волны)
  • Система Рассмотрения Решений Судей По Крикету. Чтобы обнаружить слабый контакт мяча с битой (и, следовательно, подпись теплового пятна на битой после контакта).
  • Автономная навигация
  • Вредоносные Приложения
    • Тепловая атака-это подход, который использует тепловые следы, оставленные после взаимодействия с интерфейсами, такими как сенсорные экраны или клавиатуры, чтобы раскрыть ввод пользователя [круговая ссылка].
  • Ночная фотография дикой природы

Технические характеристики[править]

Некоторые уточнения параметров инфракрасной камеры системы количество пикселей, частота кадров, чувствительность, эквивалентная мощность шума, шум-эквивалент температуры разности (разности температур эквивалентной шуму фотоприемника), спектральный диапазон, расстояние до место соотношение (Д:х), минимальное фокусное расстояние, срок службы сенсора, минимальной разрешаемой разности температур (МСПД), поле зрения, динамический диапазон, потребляемая мощность, и масса и объем.

См. также[править]

Пруф[править]

/youtu.be/73dhEJrNrCc

Источник — https://wikixw.ru/index.php?title=Термографическая_камера&oldid=63641