Инфрақызыл сәулеленуді қолданатын бейнелеу құрылғысы

Кіріспе

Инфрақызыл сәулелерді пайдаланатын бейнелеу құрылғысы

Термографиялық камера (сондай-ақ инфрақызыл камера, жылулық бейнелеу камерасы, жылулық камера немесе жылулық бейнелеу аппараты деп те аталады) – инфрақызыл (ИҚ) сәулелерді пайдаланып бейне жасайтын құрылғы, ол қалыпты камера сияқты көрінетін жарық арқылы бейне түзеді. Көрінетін жарық камерасының 400–700 нанометрлік (нм) диапазонына қарағанда, инфрақызыл камералар шамамен 1000 нм (1 микрометр немесе мкм) – шамамен 14000 нм (14 мкм) толқын ұзындығына сезімтал. Олар ұсынатын деректерді жинау және талдау процесі термография деп аталады.

Инфрақызыл сәулеленуді ашу және зерттеу

Инфрақызыл сәулелерді 1800 жылы сэр Уильям Гершель қызыл сәуледен артық сәуле түрінде ашты. Бұл «инфрақызыл сәулелер» (инфра – «төмен» деген латын сөзінің префиксі) негізінен жылу өлшеу үшін қолданылды. ИЖ сәулеленуінің төрт негізгі заңы бар: Кирхгоффтың жылулық сәулелену заңы, Стефан-Болцман заңы, Планк заңы және Виеннің ығысу заңы. Детекторлардың дамуы Бірінші дүниежүзілік соғысқа дейін негізінен термометрлер мен болметрлерді пайдалануға бағытталған. Детекторларды дамытудағы маңызды қадам 1829 жылы жасалды, Леопольдо Нобили Зеебек эффектісін пайдаланып, алғашқы белгілі терможұпты құрастырды, бұл жетілдірілген термометр, қарапайым термопил болды. Ол бұл құралды Македонио Мелониге сипаттады. Бастапқыда олар бірлесіп, одан да жетілдірілген құрал жасады. Кейіннен Мелони 1833 жылы 10 метр қашықтықта адамды анықтай алатын құрал (көп элементті термопил) жасап, жеке жұмыс істеді. Детекторларды жетілдірудегі келесі маңызды қадам – 1880 жылы Сэмюэл Пирпонт Лэнгли ойлап тапқан болметр. Лэнгли және оның ассистенті Чарльз Грили Аббот осы құралды жетілдіре берді. 1901 жылы ол 400 метр қашықтықтағы сиырдың сәулесін анықтай алды және температураның бір градустың жүз мыңнан бір бөлігіне (0,00001 °C) сезімтал болды. Бірінші коммерциялық жылулық бейнелеу камерасы 1965 жылы жоғары кернеулі электр желілерін тексеру үшін сатылды. Инфрақызыл технологияның азаматтық сектордағы алғашқы жетілдірілген қолданылуы 1913 жылы патенттелген айна мен термопилді пайдалана отырып, мұз таулары мен бу кемелерін анықтау құрылғысы болуы мүмкін. Бірақ бұл 1914 жылы Р. Д. Паркер патент алған, термопилдерді пайдаланбайтын алғашқы дәл инфрақызыл мұз тауларын анықтау құралымен озылып кетті. Одан кейін 1934 жылы Г. А. Баркер орман өрттерін анықтау үшін ИЖ жүйесін пайдалануды ұсынды. Бұл техника 1935 жылы ыстық болат жолақтарындағы жылудың біркелкілігін талдау үшін қолданылғанға дейін толыққанды өндіріске енбеді.

Бірінші термографиялық камера

1929 жылы венгр физигі Кальман Тиханьи Ұлыбританиядағы әуе шабуылына қарсы қорғаныс үшін инфрақызыл сезімтал (түнгі көріс) электрондық теледидар камерасын ойлап тапты. Американың алғашқы термографиялық камерасы инфрақызыл сызықтық сканері болды. Оны 1947 жылы АҚШ әскерилері мен «Техас Инструментс» компаниясы жасаған, бір суретті шығаруға бір сағат уақыт кеткен. Технологияның жылдамдығы мен дәлдігін арттыру үшін бірнеше тәсілдер зерттелді, бірақ ең маңызды факторлардың бірі – суретті сканерлеу болды, оны «AGA» компаниясы суытылған фотоөткізгішті пайдаланып коммерцияландырды. Алғашқы инфрақызыл сызықтық сканерлеу жүйесі – 1950 жылдардың ортасында пайда болған британдық «Сары қаз» жүйесі. Ол үздіксіз айналатын айна мен детекторды пайдаланды, ал Y осьті сканерлеуді тасымалдаушы ұшақтың қозғалысымен жүзеге асырды. Су асты кемелерін іздеуде сәтсіз болғанымен, ол құрлықтағы бақылауға қолданылып, әскери инфрақызыл сызықтық сканерлеудің негізіне айналды. Бұл жұмыс Ұлыбританиядағы Корольдік сигналдар және радарлар мекемесінде одан әрі дамытылды, олар сынап кадмий теллуридінің аз суытуды қажет ететін фотоөткізгіш екенін анықтады. АҚШ-тағы «Honeywell» компаниясы төмен температурада суытылатын детекторлар жасады, бірақ олар механикалық сканерлеуді қолданды. Бұл әдістің бірнеше кемшіліктері болды, оларды электрондық сканерлеу жүйесі арқылы жеңуге болады. 1969 жылы Ұлыбританиядағы «English Electric Valve Company» компаниясының Майкл Фрэнсис Томпсет пироэлектрондық сканерлеу камерасына патент алды, ол 1970 жылдары бірнеше жаңалықтардан кейін жоғары өнімділікке жетті. Томпсет сонымен қатар қатты күйдегі жылулық бейнелеу массивтері туралы идея ұсынды, ол ақырында заманауи гибридті бір кристалл кесінді бейнелеу құрылғыларына әкелді. Бұл технология қазіргі заманғы микроболометр технологиясының алғы күші болды және негізінен өрт сөндіруде қолданылатын жылу камераларында пайдаланылады.

Ақылды сенсорлар

Қауіпсіздік жүйелерін дамытудың маңызды салаларының бірі – сигналдарды интеллектуалды түрде бағалау және қауіптің бар екендігі туралы ескерту қабілеті болды. АҚШ Стратегиялық қорғаныс бастамасының ынталандыруымен "ақылды сенсорлар" пайда бола бастады. Бұл сенсорлар сезіну, сигналды бөліп алу, өңдеу және түсінуді біріктіре алады. Ақылды сенсорлардың екі негізгі түрі бар. Біріншісі, көрінетін спектрде қолданылғанда "көрнеу чипі" деп аталатынға ұқсас, интеграцияланған микросхемалардың дамуының артуына байланысты ақылды сезімдік техникаларды қолдану арқылы алдын ала өңдеуге мүмкіндік береді. Екінші технология нақты қолдануға бағытталған және өзінің дизайны мен құрылымы арқылы алдын ала өңдеу мақсатын орындайды. 1990 жылдардың соңына қарай, инфрақызыл сәуленің қолданылуы азаматтық қолдануға қарай жылжуда болды. Салқындатылмаған тізімдердің құны күрт төмендеді, бұл дамудың айтарлықтай өсуімен бірге азаматтық және әскери қолдануды қамтитын екі мақсатты нарыққа алып келді. Бұл қолдануларға қоршаған ортаны бақылау, ғимараттар мен өнерді талдау, функционалдық медициналық диагностика, автомобильдерді басқару және соқтығыстардан сақтану жүйелері кіреді.

Жұмыс істеу теориясы

Инфрақызыл энергия – электромагниттік спектрдің бір бөлігі ғана, оған гамма сәулелері, рентген сәулелері, ультракөк сәуле, көзге көрінетін жарықтың тар аймағы, инфрақызыл, терагерц толқындары, микротолқындар және радио толқындары кіреді. Бұлардың барлығы байланысты және толқын ұзындығымен (толқындық ұзындығы) ерекшеленеді. Барлық денелер температурасына қарай белгілі бір мөлшерде қара дене сәулесін шығарады. Жалпы айтқанда, дененің температурасы жоғары болған сайын, қара дене сәулесі ретінде инфрақызыл сәулеленудің мөлшері артады. Арнайы камера бұл сәулеленуді, қарапайым камераның көзге көрінетін жарықты қабылдауына ұқсас әдіспен анықтай алады. Ол тіпті толық қараңғыда да жұмыс істейді, себебі қоршаған ортаның жарық деңгейінің маңызы жоқ. Бұл оны түтінге толы ғимараттарда және жер астында жүргізілетін құтқару операциялары үшін пайдалы етеді. Оптикалық камералардан басты айырмашылығы – фокустау линзаларын шыныдан жасау мүмкін емес, себебі шыны ұзын толқынды инфрақызыл сәулені тоқтатады. Жылу сәулеленуінің спектрлік диапазоны әдетте 7-ден 14 мкм аралығында болады. Герман, кальций фториді, кристаллдық кремний немесе жаңадан әзірленген арнайы халькогенидтік шынылар сияқты арнайы материалдар қолданылуы керек. Кальций фторидінен басқа, бұл материалдардың барлығы өте қатты және жоғары сындыру көрсеткішіне ие (герман үшін n=4), бұл жалаң беттерден Френельдің жоғары шағылысуына (30% астам) алып келеді. Сондықтан жылу камераларының көптеген линзалары антирефлекстік жабынмен жабдықталған. Бұл арнайы линзалардың жоғары құны термографиялық камералардың қымбаттауының бір себебі болып табылады.

Қолданыста

Инфрақызыл камералардан түсірілген суреттер көбінесе монохромды болады, себебі камералар әдетте инфрақызыл сәулеленудің әртүрлі толқын ұзындықтарын ажырата алмайтын бейне сенсорларын пайдаланады. Түсті бейне сенсорлары толқын ұзындықтарын ажырату үшін күрделі құрылымды қажет етеді, ал түс нормативті көрінетін спектрден тыс мағынасын жоғалтады, өйткені әртүрлі толқын ұзындықтары адамның түс сезімі жүйесіне біркелкі бейімделмейді. Кейде осы монохромды суреттер жалған түспен көрсетіледі, онда сигналдың өзгеруін көрсету үшін интенсивтіліктің өзгеруі орнына түстің өзгеруі қолданылады. Бұл техника, тығыздық бөлу деп аталады, пайдалы, себебі адамдар түске қарағанда интенсивтілікті анықтауда кеңірек динамикалық диапазонға ие болғанымен, жарқын аймақтардағы ұсақ интенсивтілік айырмашылықтарын көру қабілеті шектеулі. Температураны өлшеу үшін суреттегі ең жарқын (ең ыстық) бөліктері әдетте ақ түспен боялады, орташа температуралар қызыл және сары, ал ең күңгірт (ең салқын) бөліктері қара түспен боялады. Жалған түсті суреттің жанында түстерді температурамен сәйкестендіретін шкала көрсетілуі керек. Олардың ажыратымдылығы оптикалық камераларға қарағанда айтарлықтай төмен, көбінесе 160 x 120 немесе 320 x 240 пиксел, бірақ қымбат камералар 1280 x 1024 пиксел ажыратымдылыққа жете алады. Термографиялық камералар көрінетін спектрдегі аналогтарынан әлдеқайда қымбат, бірақ 2014 жылы смартфондарға арналған төмен өнімділіктегі термокамералар жүздеген долларға қолжетімді болды. Жоғары деңгейдегі модельдер көбінесе екі мақсатта қолданылатын әскери деңгейдегі жабдықтар саналады және экспортқа шектеулер қойылады, әсіресе егер ажыратымдылығы 640 x 480 немесе одан жоғары болса, бірақ жаңару жиілігі 9 Гц немесе одан аз болса, бұл шектеулер қолданылмайды. Термиялық камералардың экспорты Халықаралық қару-жарақ саудасы ережелерімен реттеледі. Алғашқы жылу камерасы 2016 жылы Cat S60 смартфонына енгізілді. Салқындатылмаған детекторларда сенсор пиксельдері арасындағы температура айырмашылығы өте шағын; нысандағы 1 °C айырмашылық сенсорда 0,03 °C айырмашылықты тудырады. Пикселдің реакция уақыты да ондаған миллисекундтар диапазонында өте баяу. Термографияның көптеген басқа да қолданыстары бар. Мысалы, өрт сөндірушілер түтін арқылы көру, адамдарды табу және өрттің ошақтарын анықтау үшін оны пайдаланады. Термосуреттеу арқылы электр желілерін күтіп ұстаушы мамандар қызған буындар мен бөлшектерді, олардың бұзылуының нақты белгісін анықтап, ықтимал қауіптерді жояды. Жылу оқшаулауында ақаулар пайда болғанда, құрылыс инженерлері салқындату немесе жылыту жүйелерінің тиімділігін арттыру үшін жылудың ағып кетуін көре алады. Жылулық бейнелеу камералары кейбір сәнді автомобильдерге де орнатылған, жүргізушіге көмектесу үшін (автомобильдік түнгі көру), алғашқысы 2000 жылғы Cadillac DeVille болды. Адам және басқа жылы қанды жануарлардың кейбір физиологиялық белсенділіктері, әсіресе қызба сияқты реакциялар, термографиялық бейнелеу арқылы бақылануы мүмкін. Салқындатылған инфрақызыл камераларды ірі астрономиялық зерттеу телескоптарында, тіпті инфрақызыл телескоптар емес телескоптарда да кездестіруге болады.

Images from infrared cameras tend to be monochrome because the cameras generally use an image sensor that does not distinguish different wavelengths of infrared radiation. Color image sensors require a complex construction to differentiate wavelengths, and color has less meaning outside of the normal visible spectrum because the differing wavelengths do not map uniformly into the system of color vision used by humans. Sometimes these monochromatic images are displayed in pseudo color, where changes in color are used rather than changes in intensity to display changes in the signal. This technique, called density slicing, is useful because although humans have much greater dynamic range in intensity detection than color overall, the ability to see fine intensity differences in bright areas is fairly limited. For use in temperature measurement the brightest (warmest) parts of the image are customarily colored white, intermediate temperatures reds and yellows, and the dimmest (coolest) parts black. A scale should be shown next to a false color image to relate colors to temperatures. Their resolution is considerably lower than that of optical cameras, mostly only 160 x 120 or 320 x 240 pixels, although more expensive cameras can achieve a resolution of 1280 x 1024 pixels. Thermographic cameras are much more expensive than their visible spectrum counterparts, though low performance add on thermal cameras for smartphones became available for hundreds of dollars in 2014. Higher end models are often deemed dual use military grade equipment, and are export restricted, particularly if the resolution is 640 x 480 or greater, unless the refresh rate is 9 Hz or less. The export of thermal cameras is regulated by International Traffic in Arms Regulations. A thermal camera was first built into a smartphone in 2016, into the Cat S60. In uncooled detectors the temperature differences at the sensor pixels are minute; a 1 °C difference at the scene induces just a 0.03 °C difference at the sensor. The pixel response time is also fairly slow, at the range of tens of milliseconds. Thermography finds many other uses. For example, firefighters use it to see through smoke, find people, and localize hotspots of fires. With thermal imaging, power line maintenance technicians locate overheating joints and parts, a telltale sign of their failure, to eliminate potential hazards. Where thermal insulation becomes faulty, building construction technicians can see heat leaks to improve the efficiencies of cooling or heating air conditioning. Thermal imaging cameras are also installed in some luxury cars to aid the driver (automotive night vision), the first being the 2000 Cadillac DeVille. Some physiological activities, particularly responses such as fever, in human beings and other warm blooded animals can also be monitored with thermographic imaging. Cooled infrared cameras can be found at major astronomy research telescopes, even those that are not infrared telescopes.

Түрлері

Термографиялық камераларды екі негізгі түрге бөлуге болады: суытылған инфрақызыл кескішті (бейне) детекторлары бар және суытылмаған детекторлары бар.

Салқындатылмаған инфрақызыл детекторлар

Салқындатылмаған жылу камералары қоршаған орта температурасында жұмыс істейтін немесе кішкентай температураны реттеу элементтерін пайдаланып, қоршаған ортаға жақын температурада тұрақтандырылған сенсорды қолданады. Қазіргі заманғы салқындатылмаған детекторлар инфрақызыл сәулеленумен қыздырылғанда кедергісі, кернеуі немесе тогы өзгеретін сенсорларды пайдаланады. Бұл өзгерістер өлшеніп, сенсордың жұмыс температурасындағы мәндермен салыстырылады. Салқындатылмаған инфрақызыл сенсорлар бейнедегі шуды азайту үшін жұмыс температурасына дейін тұрақтандырылуы мүмкін, бірақ олар төмен температураға дейін салқындатылмайды және үлкен, қымбат, көп энергия жұмсайтын криогендік салқындатқыштарды қажет етпейді. Бұл инфрақызыл камераларды кішкентайрақ және арзанрақ етеді. Дегенмен, олардың ажыратымдылығы мен бейне сапасы салқындатылған детекторларға қарағанда төмен болады. Бұл олардың өндіріс процестеріндегі айырмашылықтарға байланысты, және қазіргі технологиямен шектеледі. Салқындатылмаған жылу камерасы сондай-ақ өзінің жылу сигнатурасын ескеруі керек. Салқындатылмаған детекторлар көбінесе пироэлектрлік және ферроэлектрлік материалдарға немесе микроболометр технологиясына негізделген. Бұл материалдар жоғары температураға тәуелді қасиеттері бар пиксельдерді құру үшін қолданылады, олар сыртқы ортадан жылу оқшауланып, электрондық түрде оқылады. Ферроэлектрлік детекторлар сенсорлық материалдың фазалық өту температурасына жақын жұмыс істейді; пиксел температурасы температураға тәуелді поляризациялық заряд ретінде оқылады. f/1 оптикасы және 320x240 сенсоры бар ферроэлектрлік детекторлардың NETD көрсеткіші 70-80 мК құрайды. Мүмкін сенсор жиынтығы полиимидтік жылу оқшаулағыш қосылысымен байланысқан барий стронций титанатынан тұрады. Кремний микроболометрлер 20 мК дейін NETD көрсеткішіне жетеді. Олар аморфты кремний қабатынан немесе кремнийге негізделген сканерлік электрониканың үстіндегі кремний нитридтік көпірге ілінген ванадий(V) оксидінен жасалған сезімтал элементтен тұрады. Сезімтал элементтің электрлік кедергісі әр кадрда бір рет өлшенеді. Қазіргі уақытта салқындатылмаған фокальдық жазықтық массивтерінің (UFPA) жақсартулары жоғары сезімталдыққа және пиксел тығыздығына бағытталған. 2013 жылы DARPA 1280 x 720 фокальдық жазықтық массивін (FPA) пайдаланатын 5 микронды LWIR камерасын жариялады. Сенсорлық массивтер үшін қолданылатын материалдардың кейбіреулері: аморфты кремний (aSi), ванадий(V) оксиді (VOx), лантан барий манганиті (LBMO), қорғасын цирконат титанаты (PZT), лантан қосылған қорғасын цирконат титанаты (PLZT), қорғасын скандий танталаты (PST), қорғасын лантан титанаты (PLT), қорғасын титанаты (PT), қорғасын мырыш ниобаты (PZN), қорғасын стронций титанаты (PSrT), барий стронций титанаты (BST), барий титанаты (BT), сульфойодид антимоны (SbSI) және поливинилиден фториді (PVDF).

Uncooled thermal cameras use a sensor operating at ambient temperature, or a sensor stabilized at a temperature close to ambient using small temperature control elements. Modern uncooled detectors all use sensors that work by the change of resistance, voltage or current when heated by infrared radiation. These changes are then measured and compared to the values at the operating temperature of the sensor. Uncooled infrared sensors can be stabilized to an operating temperature to reduce image noise, but they are not cooled to low temperatures and do not require bulky, expensive, energy consuming cryogenic coolers. This makes infrared cameras smaller and less costly. However, their resolution and image quality tend to be lower than cooled detectors. This is due to differences in their fabrication processes, limited by currently available technology. An uncooled thermal camera also needs to deal with its own heat signature. Uncooled detectors are mostly based on pyroelectric and ferroelectric materials or microbolometer technology. The material are used to form pixels with highly temperature dependent properties, which are thermally insulated from the environment and read electronically. Ferroelectric detectors operate close to phase transition temperature of the sensor material; the pixel temperature is read as the highly temperature dependent polarization charge. The achieved NETD of ferroelectric detectors with f/1 optics and 320x240 sensors is 70 80 mK. A possible sensor assembly consists of barium strontium titanate bump bonded by polyimide thermally insulated connection. Silicon microbolometers can reach NETD down to 20 mK. They consist of a layer of amorphous silicon, or a thin film vanadium(V) oxide sensing element suspended on silicon nitride bridge above the silicon based scanning electronics. The electric resistance of the sensing element is measured once per frame. Current improvements of uncooled focal plane arrays (UFPA) are focused primarily on higher sensitivity and pixel density. In 2013 DARPA announced a five micron LWIR camera that uses a 1280 x 720 focal plane array (FPA). Some of the materials used for the sensor arrays are amorphous silicon (a Si), vanadium(V) oxide (VOx), lanthanum barium manganite (LBMO), lead zirconate titanate (PZT), lanthanum doped lead zirconate titanate (PLZT), lead scandium tantalate (PST), lead lanthanum titanate (PLT), lead titanate (PT), lead zinc niobate (PZN), lead strontium titanate (PSrT), barium strontium titanate (BST), barium titanate (BT), antimony sulfoiodide (SbSI), and polyvinylidene difluoride (PVDF).

Сипаттамалар

Инфрақызыл камера жүйесінің кейбір техникалық сипаттамалары пиксельдер саны, кадр жылдамдығы, сезімталдық, шуға теңдес қуат, шуға теңдес температура айырмашылығы (NETD), спектралды жолақ, нүктелік арақатынас (D:S), ең аз фокус арақашықтығы, сенсордың қызмет ету мерзімі, ең аз анықталатын температура айырмашылығы (MRTD), көру бұрышы, динамикалық диапазон, кіріс қуаты және масса мен көлем.