Введение

Инфракрасная визуализация, используемая для выявления температуры, – это техника инфракрасной визуализации. Инфракрасная термография (IRT), тепловидение и/или тепловая визуализация – это процесс, при котором тепловизионная камера захватывает и создает изображение объекта, используя инфракрасное излучение, испускаемое этим объектом, что является примером науки об инфракрасной визуализации. Термографические камеры обычно обнаруживают излучение в длинноволновом инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9000–14000 нанометров или 9–14 мкм) и создают изображения этого излучения, называемые термограммами. Поскольку инфракрасное излучение испускается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля в соответствии с законом излучения абсолютно черного тела, термография позволяет видеть окружающую среду при наличии или отсутствии видимого освещения. Количество излучаемого объектом излучения увеличивается с повышением температуры; следовательно, термография позволяет обнаруживать изменения температуры. При наблюдении через тепловизионную камеру теплые объекты хорошо выделяются на фоне более холодных объектов; люди и другие теплокровные животные становятся легко различимыми на фоне окружающей среды днем и ночью. В результате термография особенно полезна для военных и других пользователей камер наблюдения. Некоторые физиологические изменения у людей и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью тепловой визуализации при клинической диагностике. Термография применяется для выявления аллергии и в ветеринарной медицине. Некоторые сторонники альтернативной медицины рекомендуют использовать ее для скрининга рака молочной железы, несмотря на предупреждение FDA о том, что «те, кто выбирает этот метод вместо маммографии, могут упустить возможность обнаружить рак на ранней стадии». В 2009 году, во время пандемии, правительственные и аэропортовские службы использовали термографию для выявления подозреваемых случаев свиного гриппа. Термография имеет долгую историю, хотя ее применение значительно расширилось с развитием коммерческих и промышленных приложений за последние пятьдесят лет. Пожарные используют термографию, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и определять очаг возгорания. Специалисты по техническому обслуживанию используют термографию для обнаружения перегревающихся соединений и участков линий электропередач, что является признаком неминуемой поломки. Специалисты по строительству зданий могут видеть тепловые сигнатуры, указывающие на утечки тепла в неисправной теплоизоляции, и использовать эти данные для повышения эффективности систем отопления и кондиционирования воздуха. Внешний вид и принцип работы современной термографической камеры часто напоминают видеокамеру. Часто живая термограмма настолько четко отображает изменения температуры, что фотография не требуется для анализа. Поэтому модуль записи не всегда встроен в систему. Специализированные тепловизионные камеры используют фокально-плоскостные матрицы (ФПМ), реагирующие на более длинные волны (инфракрасные средние и длинные волны). Наиболее распространенные типы – InSb, InGaAs, HgCdTe и QWIP ФПМ. Новейшие технологии используют недорогие, неохлаждаемые микроболометры в качестве датчиков ФПМ. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, обычно 160x120 или 320x240 пикселей, до 1280x1024 для самых дорогих моделей. Тепловизионные камеры значительно дороже своих аналогов, работающих в видимом спектре, а более дорогие модели часто подлежат экспортному контролю из-за военного применения этой технологии. Более старые болометры или более чувствительные модели, такие как InSb, требуют криогенного охлаждения, обычно с помощью миниатюрного холодильника цикла Стирлинга или жидкого азота.

Выпускающая способность

Эмиссивность – это термин, который часто неправильно понимают и используют. Она представляет собой способность материала излучать тепловое излучение и является оптическим свойством вещества. Каждый материал имеет различную эмиссивность, которая может изменяться в зависимости от температуры и длины волны в инфракрасном диапазоне. Например, чистые металлические поверхности имеют эмиссивность, уменьшающуюся с увеличением длины волны; многие диэлектрические материалы, такие как кварц (SiO2), сапфир (Al2O3), фторид кальция (CaF2) и т.д., имеют эмиссивность, возрастающую с увеличением длины волны; простые оксиды, такие как оксид железа (Fe2O3), демонстрируют относительно плоскую эмиссивность в инфракрасном спектре. Эмиссивность материала может варьироваться от теоретического значения 0,00 (полностью не излучающего) до теоретического значения 1,00 (полностью излучающего). Примером вещества с низкой эмиссивностью является серебро с коэффициентом эмиссивности 0,02. Примером вещества с высокой эмиссивностью является асфальт с коэффициентом эмиссивности 0,98. Абсолютно чёрное тело – это теоретический объект с эмиссивностью 1, излучающий тепловое излучение, характерное для его температуры. То есть, если температура контакта абсолютно чёрного тела была бы равна определенному значению, то он излучал бы тепловое излучение, соответствующее этой температуре. Обычный объект излучает меньше инфракрасного излучения, чем теоретическое абсолютно чёрное тело. Отношение его фактического излучения к теоретическому излучению (абсолютно чёрного тела) и есть его эмиссивность (или коэффициент эмиссивности). Для измерения температуры объекта с помощью инфракрасного термографа необходимо оценить или определить его эмиссивность. Для оперативной работы термограф может обратиться к таблице эмиссивности для данного типа объекта и ввести это значение в термограф. Термограф затем вычислит температуру объекта на основе введенного значения из таблицы и излучения инфракрасного излучения, зарегистрированного термографом. Для получения более точного измерения температуры термограф может нанести на поверхность объекта стандартный материал с известной и высокой эмиссивностью. Этот стандартный материал может быть таким сложным, как промышленный спрей для повышения эмиссивности, разработанный специально для этой цели, или таким простым, как стандартная черная изоляционная лента с эмиссивностью около 0,97. Известная температура объекта может быть измерена с использованием эмиссивности стандарта. При необходимости, фактическую эмиссивность объекта (на участке, не покрытом стандартным материалом) можно определить, настроив термограф на известную температуру. Однако бывают ситуации, когда такое измерение эмиссивности невозможно из-за опасных или труднодоступных условий. В этих случаях термограф должен полагаться на таблицы.

Отличие от инфракрасной пленки

ИК-пленка чувствительна к инфракрасному (ИК) излучению в определенном диапазоне, в то время как диапазон термографии составляет примерно . Следовательно, для работы ИК-пленки в режиме термографии, температура измеряемого объекта должна превышать или он должен отражать инфракрасное излучение от объекта, температура которого не ниже указанной. Инфракрасные приборы ночного видения формируют изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, непосредственно за пределами видимого спектра, и способны видеть излучаемое или отраженное ближнее инфракрасное излучение в полной темноте. Однако, повторюсь, они обычно не применяются для термографии из-за высоких требований к температуре, а используются с активными источниками ближнего ИК-излучения. Приборы ночного видения типа "звездный свет" обычно лишь усиливают окружающее освещение.

Пассивная или активная термография

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 К) излучают инфракрасное излучение. Следовательно, отличным способом измерения тепловых изменений является использование прибора инфракрасного зрения, как правило, инфракрасной камеры с матрицей (FPA), способной обнаруживать излучение в среднем (3–5 мкм) и длинноволновом (7–14 мкм) инфракрасном диапазоне, обозначаемых как MWIR и LWIR, соответствующих двум из областей высокой прозрачности инфракрасного спектра. Аномальные температурные профили на поверхности объекта указывают на возможную проблему. В пассивной термографии интересующие объекты естественно имеют температуру выше или ниже температуры фона. Пассивная термография имеет множество применений, таких как наблюдение за людьми и медицинская диагностика (в частности, термология). В активной термографии требуется источник энергии для создания теплового контраста между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, поскольку проверяемые детали обычно находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Благодаря сверхлинейности излучения абсолютно черного тела, активная термография также может использоваться для повышения разрешения систем визуализации сверх дифракционного предела или для достижения сверхразрешающей микроскопии.

Преимущества

Термография отображает визуальное представление температур, позволяя сравнивать их на большой площади. Она способна фиксировать движущиеся объекты в реальном времени. Ее можно использовать для обнаружения объектов в темноте. Она находит применение в медицине, в частности в физиотерапии.

Биологический аналог

Термография по определению выполняется с помощью прибора (артефакта), но у некоторых живых существ есть естественные органы, функционирующие как аналоги болометров, и таким образом они обладают примитивной формой тепловидения (термоцепцией). Одним из наиболее известных примеров является инфракрасное восприятие у змей.

Термография CCD и CMOS

Неспециализированные датчики CCD и CMOS обладают наибольшей спектральной чувствительностью в диапазоне длин волн видимого света. Однако, используя "хвостовую" часть их спектральной чувствительности, то есть область инфракрасного спектра, называемую ближним инфракрасным (NIR), и используя серийные камеры видеонаблюдения, при определенных условиях можно получить истинные тепловые изображения объектов с температурой около и выше. При температурах 600 °C и выше недорогие камеры с CCD и CMOS датчиками также применялись для пирометрии в видимом спектре. Они использовались для измерения температуры сажи в пламени, горящих частиц угля, нагретых материалов, SiC-нитей и тлеющих углей. Эта пирометрия выполнялась с использованием внешних фильтров или только встроенных фильтров Bayer. Она осуществлялась с использованием цветовых соотношений, оттенков серого и/или их гибридных комбинаций.