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.
A thermographic camera (also called an infrared camera or thermal imaging camera, thermal camera or thermal imager) is a device that creates an image using infrared (IR) radiation, similar to a normal camera that forms an image using visible light. Instead of the 400–700 nanometre (nm) range of the visible light camera, infrared cameras are sensitive to wavelengths from about 1,000 nm (1 micrometre or μm) to about 14,000 nm (14 μm). The practice of capturing and analyzing the data they provide is called thermography.
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.