Введение

Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой, тепловизором или тепловой камерой) – это устройство, создающее изображение с использованием инфракрасного (ИК) излучения, подобно обычной камере, формирующей изображение с использованием видимого света. В отличие от диапазона 400–700 нанометров (нм) видимой световой камеры, инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 микрометр или мкм) до примерно 14 000 нм (14 мкм). Процесс получения и анализа данных, предоставляемых этими камерами, называется термографией.

Открытие и исследование инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения, находящаяся за пределами красного света. Эти "инфракрасные лучи" (лат. *infra* – "под") использовались главным образом для тепловых измерений. Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон Кирхгоффа о тепловом излучении, закон Стефана — Больцмана, закон Планка и закон смещения Вина. Разработка детекторов до Первой мировой войны была сосредоточена в основном на использовании термометров и болометров. Значительный шаг в развитии детекторов был сделан в 1829 году, когда Леопольдо Нобили, используя эффект Зеебека, создал первую известную термопару, изготовив усовершенствованный термометр – примитивный термопиль. Он описал этот прибор Македонио Меллони. Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный прибор. Впоследствии Меллони работал самостоятельно и в 1833 году создал прибор (многоэлементный термопиль), способный обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. Следующим важным шагом в улучшении детекторов стало изобретение болометра Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли в 1880 году. Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Аббот продолжали совершенствовать этот прибор. К 1901 году он мог обнаруживать излучение от коровы с расстояния 400 метров и был чувствителен к разнице температур в одну стотысячную (0,00001 °C) градуса Цельсия. Первая коммерческая камера тепловизора была продана в 1965 году для инспекции высоковольтных линий электропередач. Первым передовым применением ИК-технологии в гражданском секторе, возможно, стало устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с помощью зеркала и термопиля, запатентованное в 1913 году. Вскоре его превзошел первый точный ИК-детектор айсбергов, не использовавший термопилы, запатентованный Р. Д. Паркером в 1914 году. За этим последовало предложение Г. А. Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. Однако эта технология не получила широкого промышленного применения до 1935 года, когда она стала использоваться для анализа однородности нагрева горячих стальных полос.

Первая термографическая камера

В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел инфракрасно-чувствительную (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны в Великобритании. Первой американской термографической камерой стал инфракрасный линейный сканер. Она была разработана американскими военными и компанией Texas Instruments в 1947 году, и для создания одного изображения требовался один час. Хотя исследовались различные подходы к повышению скорости и точности технологии, одним из ключевых факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать, используя охлажденный фотопроводник. Первой инфракрасной системой линейного сканирования стала британская разработка Yellow Duckling середины 1950-х годов. В ней использовалось постоянно вращающееся зеркало и детектор, а сканирование по оси Y осуществлялось за счет движения самолета-носителя. Несмотря на неудачу в первоначальном применении – отслеживании подводных лодок по кильватерному следу – система была применена для наземного наблюдения и стала основой для военных инфракрасных линейных сканеров. Дальнейшие исследования проводились в Королевском учреждении сигналов и радаров в Великобритании, где было обнаружено, что теллурид ртути-кадмия является фотопроводником, требующим значительно меньшего охлаждения. Компания Honeywell в США также разработала детекторы, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, но сканирование в них осуществлялось механически. Этот метод имел ряд недостатков, которые можно было устранить с помощью электронной системы сканирования. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из английской компании English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру, осуществляющую электронное сканирование пироэлектрическим способом, которая достигла высокой производительности после ряда прорывов в 1970-х годах. Томпсетт также предложил идею создания массивов тепловизоров на твердой основе, что в конечном итоге привело к разработке современных гибридных устройств визуализации на основе монокристаллических срезов. Эта технология стала предшественницей современной микроболометрии и в основном используется в тепловизорах для пожаротушения.

Умные датчики

Одной из важнейших областей развития систем безопасности стала способность интеллектуально оценивать сигнал и предупреждать о наличии угрозы. Под стимулированием Стратегической оборонной инициативы США начали появляться "умные датчики". Это датчики, способные объединять восприятие, извлечение сигнала, обработку и интерпретацию данных. Существует два основных типа умных датчиков. Один, аналогичный так называемому "чипу зрения" при использовании в видимом диапазоне, позволяет осуществлять предварительную обработку благодаря развитию интегральных микросхем и применению интеллектуальных методов сенсорики. Другая технология более ориентирована на конкретные задачи и достигает цели предварительной обработки посредством своей конструкции и архитектуры. К концу 1990-х годов инфракрасные технологии стали все шире применяться в гражданской сфере. Значительное снижение стоимости неохлаждаемых матриц, в сочетании с активным развитием технологий, привело к формированию рынка двойного назначения, охватывающего как гражданские, так и военные приложения. К таким приложениям относятся мониторинг окружающей среды, анализ зданий и произведений искусства, функциональная медицинская диагностика, а также системы помощи водителю и предотвращения столкновений.

Теория действия

Инфракрасная энергия – это лишь часть электромагнитного спектра, который охватывает излучение гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, узкий диапазон видимого света, инфракрасного излучения, терагерцевых волн, микроволн и радиоволн. Все они взаимосвязаны и различаются длиной волны. Все объекты излучают определенное количество теплового излучения в зависимости от своей температуры. В общем случае, чем выше температура объекта, тем больше инфракрасного излучения испускается в виде теплового излучения. Специальная камера способна обнаруживать это излучение аналогично тому, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Она работает даже в полной темноте, поскольку уровень окружающего освещения не имеет значения. Это делает ее полезной при проведении спасательных операций в задымленных помещениях и под землей. Существенное отличие от оптических камер заключается в том, что фокусирующие линзы нельзя изготавливать из стекла, так как стекло поглощает длинноволновое инфракрасное излучение. Обычно спектральный диапазон теплового излучения лежит в пределах от 7 до 14 мкм. Для этого необходимо использовать специальные материалы, такие как германий, фторид кальция, кристаллический кремний или новые специальные халькогенидные стекла. За исключением фторида кальция, все эти материалы достаточно твердые и имеют высокий показатель преломления (для германия n=4), что приводит к очень высокому отражению Френеля от необработанных поверхностей (до более чем 30%). Поэтому большинство линз для тепловизоров имеют антиотражающее покрытие. Более высокая стоимость этих специальных линз является одной из причин, по которым термографические камеры стоят дороже.

В эксплуатации

Изображения с инфракрасных камер обычно монохромные, поскольку камеры, как правило, используют сенсор изображения, который не различает различные длины волн инфракрасного излучения. Цветовые сенсоры изображения требуют сложной конструкции для дифференциации длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами нормального видимого спектра, так как разные длины волн не соответствуют равномерно системе цветового зрения, используемой человеком. Иногда эти монохромные изображения отображаются в псевдоцвете, когда изменения цвета используются вместо изменений интенсивности для отображения изменений сигнала. Этот метод, называемый сегментацией по плотности, полезен, поскольку, хотя у людей гораздо больший динамический диапазон в обнаружении интенсивности, чем цвета в целом, способность видеть незначительные различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена. Для измерения температуры самые яркие (теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры – в красный и желтый, а самые темные (холодные) части – в черный. Рядом с изображением в ложных цветах должна быть представлена шкала, сопоставляющая цвета с температурами. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, обычно всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры значительно дороже своих аналогов, работающих в видимом спектре, хотя малопроизводительные тепловизоры для смартфонов стали доступны за несколько сотен долларов в 2014 году. Более дорогие модели часто рассматриваются как оборудование военного назначения двойного использования и подлежат экспортному контролю, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или выше, за исключением случаев, когда частота обновления составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизоров регулируется Международными правилами торговли оружием. Впервые тепловизор был встроен в смартфон в 2016 году – в Cat S60. В неохлаждаемых детекторах разница температур в пикселях сенсора незначительна: разница в 1 °C в сцене вызывает лишь разницу в 0,03 °C в сенсоре. Время отклика пикселя также довольно медленное, порядка десятков миллисекунд. Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать очаги возгорания. Техники по обслуживанию линий электропередач с помощью тепловидения обнаруживают перегретые соединения и детали – верный признак их неисправности – для устранения потенциальных опасностей. При неисправности теплоизоляции строительные техники могут обнаружить утечки тепла для повышения эффективности охлаждения или отопления кондиционеров. Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторые автомобили класса люкс для помощи водителю (автомобильное ночное видение), первым из которых был Cadillac DeVille 2000 года выпуска. Некоторые физиологические процессы, особенно такие реакции, как лихорадка, у людей и других теплокровных животных, также можно контролировать с помощью термографического изображения. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти на крупных астрономических исследовательских телескопах, даже на тех, которые не являются инфракрасными телескопами.

Типы

Термографические камеры можно разделить на два основных типа: с охлаждаемыми инфракрасными детекторами и с неохлаждаемыми детекторами.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы

Тепловизионные камеры с неохлаждаемым сенсором используют датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к окружающей среде, с помощью небольших элементов управления температурой. Современные неохлаждаемые детекторы используют сенсоры, работающие на основе изменения сопротивления, напряжения или тока при нагреве инфракрасным излучением. Эти изменения затем измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре сенсора. Неохлаждаемые инфракрасные сенсоры могут быть стабилизированы до рабочей температуры для снижения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих и энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры более компактными и доступными по цене. Однако их разрешение и качество изображения, как правило, ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это обусловлено различиями в технологиях их изготовления, которые ограничены современным уровнем развития технологий. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна учитывать собственную тепловую сигнатуру. Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и ферроэлектрических материалах или микроболометровой технологии. Эти материалы используются для создания пикселей с ярко выраженными температурными зависимостями, которые теплоизолированы от окружающей среды и считываются электронным способом. Ферроэлектрические детекторы работают вблизи температуры фазового перехода материала сенсора, при этом температура пикселя считывается как высокотемпературно-зависимый заряд поляризации. Достигнутая NETD ферроэлектрических детекторов с оптикой f/1 и сенсорами 320x240 составляет 70–80 мК. Возможная конструкция сенсорного блока состоит из бария, стронция и титаната, соединенных полиимидной теплоизолированной связью. Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкой пленки оксида ванадия (V) в качестве чувствительного элемента, подвешенного на нитридном кремниевом мостике над кремниевой электронной схемой сканирования. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз в кадр. Современные разработки неохлаждаемых фокальных плоскостных матриц (UFPA) в основном направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA объявила о разработке пятимикронной LWIR-камеры, использующей фокальную плоскостную матрицу (FPA) размером 1280x720. Некоторые из материалов, используемых для сенсорных матриц, включают аморфный кремний (aSi), оксид ванадия (VOx), лантановый барий марганец (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), цирконат-титанат свинца, легированный лантаном (PLZT), танталат свинца и скандия (PST), титанат свинца и лантана (PLT), титанат свинца (PT), ниобат цинка свинца (PZN), титанат свинца и стронция (PSrT), титанат бария и стронция (BST), титанат бария (BT), сульфоиодид сурьмы (SbSI) и поливинилиденфторид (PVDF).

Технические характеристики

Некоторые параметры спецификации системы инфракрасной камеры включают в себя количество пикселей, частоту кадров, отклик, мощность, эквивалентную шуму, разность температур, эквивалентную шуму (NETD), спектральный диапазон, отношение расстояния до размера пятна (D:S), минимальное расстояние фокусировки, срок службы сенсора, минимально разрешимую разность температур (MRTD), поле зрения, динамический диапазон, потребляемую мощность, а также массу и габариты.