Термографическая камера - Thermographic camera

«Инфракрасный датчик» перенаправляется сюда. Для других типов инфракрасных датчиков см. Пассивный инфракрасный датчик, Инфракрасный точечный датчик, и Недисперсный инфракрасный датчик.
Изображение Померанский шпиц в среднем инфракрасном ("тепловом") свете (фальшивый цвет )

А термографическая камера (также называемый инфракрасная камера или же тепловизионная камера или же тепловизор) - это устройство, которое создает изображение с помощью инфракрасная радиация, похожий на обычный камера который формирует изображение с помощью видимый свет. Вместо 400–700 нанометр диапазон камеры видимого света, инфракрасные камеры чувствительны к длины волн от примерно 1000 нм (1 мкм) до примерно 14000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термография.

История

Открытие и исследование инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 г. Сэр Уильям Гершель как форма излучения за пределами красного света.[1] Эти «инфракрасные лучи» («инфра» - латинская префикс «внизу») использовались в основном для измерения температуры.[2] Есть четыре основных закона ИК-излучения: Закон Кирхгофа теплового излучения, Закон Стефана-Больцмана, Закон планка, и Закон смещения Вина. При разработке детекторов основное внимание уделялось использованию термометров и болометры до Первой мировой войны. Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 г., когда Леопольдо Нобили, с использованием Эффект Зеебека, создал первую известную термопара, изготовив улучшенный термометр, термобатарея. Он описал этот инструмент Македонио Меллони. Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал один, разработав в 1833 году инструмент (многоэлементный термобатарея ), который мог обнаружить человека на расстоянии 10 метров.[3] Следующим значительным шагом в совершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 г. Сэмюэл Пирпон Лэнгли.[4] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжал вносить улучшения в этот инструмент. К 1901 году он был способен обнаруживать излучение коровы с расстояния 400 метров и был чувствителен к перепадам температуры в сто тысячных градуса Цельсия.[5] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередач.

Первым передовым применением ИК-технологии в гражданской части могло быть устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году.[6] Вскоре его превзошел первый настоящий ИК-детектор айсберга, в котором не использовались термобатареи, запатентованный в 1914 году Р.Д. Паркером.[7] За этим последовал Г.А. Предложение Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году.[8] Этот метод не получил промышленного развития до тех пор, пока в 1935 году его не использовали для анализа однородности нагрева горячекатаных стальных полос.[9]

Первая термографическая камера

В 1929 г. венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел в Великобритании чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телекамеру для противовоздушной обороны.[10] Первыми разработанными американскими термографическими камерами были инфракрасные линейные сканеры. Это было создано военными США и Инструменты Техаса в 1947 г.[11][неудачная проверка ] и потребовался один час для создания единственного изображения. В то время как несколько подходов были исследованы для повышения скорости и точности технологии, одним из наиболее важных факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать, используя охлаждаемый фотопроводник.[12]

Первой системой инфракрасного сканирования была британская Желтый утенок середины 1950-х гг.[13] В нем использовались непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием оси Y при движении самолета-носителя. Хотя и неудачно в предполагаемом применении слежения за подводными лодками обнаружение следа, он был применен для наземного наблюдения и стал основой военного ИК-сканирования.

Эта работа получила дальнейшее развитие в Королевские сигналы и радиолокационная станция в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия ртути был фотопроводником, который требовал гораздо меньшего охлаждения. Honeywell в США также были разработаны массивы детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре,[требуется дальнейшее объяснение ] но сканировали механически. У этого метода было несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 г. Майкл Фрэнсис Томпсетт в Английская компания по производству электрических клапанов в Великобритании запатентовали камеру с пироэлектронным сканированием, которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других достижений в 1970-х годах.[14] Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных массивов, которая в конечном итоге привела к созданию современных гибридных монокристаллических устройств формирования изображений.[12]

Умные датчики

Одним из наиболее важных направлений развития систем безопасности была способность разумно оценивать сигнал, а также предупреждать о наличии угрозы. При поддержке США Стратегическая оборонная инициатива, стали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могут объединять зондирование, извлечение, обработку и понимание сигналов.[15] Есть два основных типа интеллектуальных датчиков. Один, похожий на то, что называется "чип зрения «при использовании в видимом диапазоне, допускать предварительную обработку с использованием методов Smart Sensing в связи с увеличением количества интегральных микросхем.[16] Другая технология больше ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки благодаря своей конструкции и структуре.[17]

К концу 1990-х годов инфракрасное излучение стало использоваться в гражданских целях. Произошло резкое снижение затрат на неохлаждаемые массивы, что наряду с большим ростом разработок привело к появлению рынка двойного использования между гражданскими и военными.[18] Эти виды использования включают контроль окружающей среды, анализ зданий / искусства, медицинскую функциональную диагностику, а также руководство автомобилем и системы предотвращения столкновений.[19][20][21][22][23][24]

Теория Операции

Тепловое изображение, показывающее изменение температуры в воздушном шаре.

Инфракрасная энергия - это лишь часть электромагнитный спектр, который включает излучение от гамма излучение, рентгеновские лучи, ультрафиолетовый, тонкая область видимый свет, инфракрасный, терагерцовые волны, микроволны, и радиоволны. Все они связаны и различаются по длине волны (длина волны). Все объекты испускают определенное количество черное тело излучения в зависимости от их температуры.

Вообще говоря, чем выше температура объекта, тем больше инфракрасного излучения испускается. излучение черного тела. Специальный камера может обнаруживать это излучение аналогично тому, как обычная камера обнаруживает видимый свет. Он работает даже в полной темноте, потому что уровень окружающего освещения не имеет значения. Это делает его полезным для спасательных операций в задымленных зданиях и под землей.

Основное отличие от оптических камер заключается 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. Специальные материалы, такие как Германий необходимо использовать фторид кальция, кристаллический кремний или недавно разработанный специальный тип халькогенидного стекла. За исключением фторида кальция, все эти материалы довольно твердые и имеют высокий показатель преломления (для германия n = 4), что приводит к очень высоким показателям преломления. Отражение Френеля с поверхностей без покрытия (до более 30%). По этой причине большинство линз для тепловизионных камер имеют просветляющее покрытие. Более высокая стоимость этих специальных объективов является одной из причин, по которым тепловизоры более дорогие.

В использовании

Термографическое изображение кошачий лемур

Изображения с инфракрасных камер обычно монохромный потому что камеры обычно используют датчик изображений что не различает разные длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами нормального видимого спектра, потому что разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветовое зрение используется людьми.

Иногда эти монохромные изображения отображаются в псевдоцвет, где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезка плотности, полезно, потому что, хотя у людей гораздо больше динамический диапазон в обнаружении интенсивности, чем в целом по цвету, способность видеть мелкие различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена.

Для использования при 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. Рядом с изображением в искусственных цветах должна быть показана шкала, чтобы соотнести цвета с температурой. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, чаще всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже, чем их аналоги видимого спектра, хотя дополнительные тепловизионные камеры с низкой производительностью для смартфоны стал доступен за сотни долларов в 2014 году.[25] Модели более высокого уровня часто считаются двойное использование и экспорт ограничен, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или больше, если частота обновления не составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется Правила международной торговли оружием.

В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 ° C в месте съемки вызывает разницу всего в 0,03 ° C на датчике. Время отклика пикселя также довольно низкое, порядка десятков миллисекунд.

Термография находит много других применений. Например, пожарные использовать это, чтобы видеть сквозь курить, находите людей и локализируйте очаги пожаров. С тепловизором, линия электропередачи Специалисты по техническому обслуживанию обнаруживают перегрев соединений и деталей, что является явным признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. Где теплоизоляция становится неисправным, строительная конструкция технические специалисты могут увидеть утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или обогрева кондиционирования воздуха.

Горячие копыта указывают на больную корову

В некоторые роскошные автомобили также устанавливаются тепловизионные камеры, чтобы помочь водителю (Автомобильное ночное видение ), первая из которых - 2000 Cadillac DeVille.

Некоторые физиологические действия, особенно такие реакции, как высокая температура, у людей и других теплокровных животных также можно наблюдать с помощью термографических изображений. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти в крупных астрономических исследованиях телескопы, даже те, которые не инфракрасные телескопы.

Типы

Термографическое изображение змеи на руке, показывающее контраст между теплый- и холодный- кровные существа

Термографические камеры можно условно разделить на два типа: камеры с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и камеры с неохлаждаемыми детекторами.

Охлаждаемые инфракрасные детекторы

Термографическое изображение нескольких ящериц
Тепловизионная камера и экран в терминале аэропорта в Греции. Тепловидение может обнаружить высокая температура, один из признаков инфекционное заболевание.

Охлаждаемые детекторы обычно помещаются в герметичный корпус или Дьюар и криогенно охлаждение. Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичный рабочие температуры диапазон от 4 K до температуры чуть ниже комнатной, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 K до 100 K (от -213 до -173 ° C), в зависимости от типа и уровня производительности.[26]

Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет так же, как обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или залиты собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер в том, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение требует больших затрат энергии и времени.

Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она начнет работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения: охладители Пельтье которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, относительно просты и компактны. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов Криохладители 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 камерами, особенно для объектов, температура которых близка или ниже комнатной. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать более высокие F-число линзы, что делает высокопроизводительные линзы с длинным фокусным расстоянием меньше и дешевле для охлаждаемых детекторов.

Альтернативой охладителям двигателя Стирлинга является использование газов, разлитых в баллоны под высоким давлением, причем азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через отверстие микроскопического размера и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению через Эффект Джоуля – Томсона. Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.

Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотоприемники на основе широкого спектра узкозонные полупроводники включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия, теллурид кадмия ртути (MCT) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм), сульфид свинца, и селенид свинца

Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур из полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, таких как Инфракрасные фотоприемники на квантовых ямах.

Существует ряд технологий охлаждаемых болометров, использующих сверхпроводники и несверхпроводники.

В принципе, сверхпроводящий туннельный переход устройства могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не получили широкого распространения, поскольку их высокая чувствительность требует тщательной защиты от фонового излучения.

Сверхпроводящие детекторы обладают исключительной чувствительностью, некоторые из них способны регистрировать отдельные фотоны. Например, ЕКА с Сверхпроводящая камера (SCAM). Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.

Неохлаждаемые инфракрасные извещатели

В неохлаждаемых тепловизионных камерах используется датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с использованием небольших элементов контроля температуры. Все современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, которые работают по изменению сопротивление, Напряжение или же Текущий при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.

Неохлаждаемые инфракрасные датчики можно стабилизировать до рабочей температуры для уменьшения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих и энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения обычно ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными доступными в настоящее время технологиями. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна иметь дело со своей собственной тепловой сигнатурой.

Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрический и сегнетоэлектрик материалы или микроболометр технологии.[27] Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.

Тепловое изображение паровоза

Сегнетоэлектрические детекторы работают близко к фаза перехода температура материала датчика; температура пикселей воспринимается как сильно зависящая от температуры поляризационный заряд. Достигнутые NETD сегнетоэлектрических детекторов с f / 1 оптика и сенсоры 320x240 70-80 мК. Возможный сенсорный блок состоит из титаната бария-стронция. выпуклый к полиимид теплоизолированный связь.

Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфный кремний, или тонкая пленка оксид ванадия (V) чувствительный элемент подвешен на нитрид кремния мост над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.

Текущие усовершенствования неохлаждаемых матриц фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 DARPA анонсировала 5-микронную камеру LWIR, в которой используется матрица фокальной плоскости 1280 x 720 (FPA).[28]Некоторые из материалов, используемых для сенсорных матриц: аморфный кремний (как и я), оксид ванадия (V) (VOx),[29] манганит лантана, бария (LBMO), цирконат титанат свинца (PZT), лантан допированный цирконат титанат свинца (PLZT), свинец танталат скандия (ТИХООКЕАНСКОЕ СТАНДАРТНОЕ ВРЕМЯ), свинец-титанат лантана (PLT), титанат свинца (PT), ниобат свинца, цинка (PZN), свинец титанат стронция (PSrT), титанат бария-стронция (BST), титанат бария (BT), сульфойодид сурьмы (СбСИ) и поливинилидендифторид (ПВДФ).

Приложения

Термографическая камера на Еврокоптер EC135 вертолет Федеральная полиция Германии.

Первоначально разрабатывался для военного использования во время Корейская война,[нужна цитата ] Термографические камеры постепенно перекочевали в другие области, такие как медицина и археология. В последнее время снижение цен способствовало внедрению технологии инфракрасного просмотра. Усовершенствованная оптика и сложные программные интерфейсы продолжают увеличивать универсальность ИК-камер.

Осмотрен из космоса МУДРЫЙ используя тепловизионная камера, астероид 2010 AB78 кажется более красным, чем фоновые звезды, поскольку большую часть света он излучает в более длинных инфракрасных волнах. В видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне он очень тусклый и плохо различимый.

Характеристики

Немного параметры спецификации системы инфракрасной камеры - это количество пиксели, частота кадров, Отзывчивость, мощность, эквивалентная шуму, эквивалентная шуму температура разница (NETD), спектральный диапазон, отношение расстояния к пятну (D: S), минимальное фокусное расстояние, срок службы датчика, минимальная разрешаемая разница температур (MRTD), поле зрения, динамический диапазон, входная мощность, масса и объем.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чилтон, Александр (2013-10-07). «Принцип работы и основные области применения инфракрасных датчиков». AZoSensors. Получено 2020-07-11.
  2. ^ В. Гершель, «Эксперименты по преломлению видимых лучей солнца», Философские труды Лондонского королевского общества, т. 90. С. 284–292, 1800.
  3. ^ Барр, Э. С. (1962). Пионеры инфракрасного излучения - II. Македонио Меллони. Инфракрасная физика, 2(2), 67-74.
  4. ^ Лэнгли, С. П. (1880). "Болометр". Труды Американского метрологического общества. 2: 184–190.
  5. ^ Барр, Э. С. (1962). Пионеры инфракрасного излучения - III. Сэмюэл Пьерпойнт Лэнгли. Инфракрасная физика, 3 195-206.
  6. ^ Л. Беллингхэм, «Средства для обнаружения на расстоянии айсбергов, пароходов и других холодных или горячих объектов», патент США № 1,158,967.
  7. ^ Паркер (Р.Д.) - Термические весы или радиометр. Патент США № 1,099,199. 9 июня 1914 г.
  8. ^ Баркер (Г.А.) - Аппарат для обнаружения лесных пожаров. Патент США № 1,958,702 22 мая 1934 г.
  9. ^ Николс (Г.Т.) - Измерение температуры. Патент США № 2 008 793 23 июля 1935 г.
  10. ^ Нотон, Рассел (10 августа 2004 г.). "Кальман Тиханьи (1897–1947)". Университет Монаша. Архивировано из оригинал 24 октября 2003 г.. Получено 15 марта 2013.
  11. ^ «Texas Instruments - 1966 г. произведены первые устройства FLIR». ti.com.
  12. ^ а б Круз, Пол В; Скатруд, Дэвид Дейл (1997). Неохлаждаемые массивы и системы формирования инфракрасных изображений. Сан-Диего: Academic Press. ISBN  9780080864440. OCLC  646756485.
  13. ^ Гибсон, Крис (2015). Генезис Нимрода. Публикации Hikoki. С. 25–26. ISBN  978-190210947-3.
  14. ^ "Майкл Ф. Томпсетт, TheraManager". uspto.gov.
  15. ^ Корси, К. (1995-07-01). «Умные датчики». Микросистемные технологии. 1 (3): 149–154. Дои:10.1007 / BF01294808. ISSN  1432-1858. S2CID  86519711.
  16. ^ Мойни, Алиреза (март 1997 г.). «Чипы зрения или видение кремния». Центр высокопроизводительных интегрированных технологий и систем.
  17. ^ Национальный патент № 47722◦ / 80.
  18. ^ А. Рогальский, "ИК-детекторы: тенденции развития", Прогресс в квантовой электронике, т. 27. С. 59–210, 2003.
  19. ^ Корси, Карло (2010). «Основные моменты истории и будущие тенденции инфракрасных датчиков». Журнал современной оптики. 57 (18): 1663–1686. Bibcode:2010JMOp ... 57.1663C. Дои:10.1080/09500341003693011. S2CID  119918260.
  20. ^ К. Корси, "Rivelatori IR: stato dell’arte e Trends di sviluppo futuro", Atti della Fondazione Giorgio Ronchi, vol. XLVI, № 5, стр. 801–810, 1991.
  21. ^ Л. Дж. Козловски и В. Ф. Косоноки, «Матрицы инфракрасных детекторов», в Hand-Book of Optics, M. Bass, Ed., Глава 23, Williams, W. Л. Вулф и МакГроу-Хилл, 1995.
  22. ^ К. Корси, «Будущие тенденции и передовые разработки в области инфракрасных детекторов», в материалах 2-й совместной конференции IRIS-НАТО, Лондон, Великобритания, июнь 1996 г.
  23. ^ М. Разеги, «Текущее состояние и перспективы развития инфракрасных детекторов», Обзор оптоэлектроники, вып. 6, вып. 3. С. 155–194, 1998.
  24. ^ Корси, Карло. «Инфракрасный порт: ключевая технология для систем безопасности». Достижения в оптических технологиях 2012 (2012): 1-15.
  25. ^ Тепловизор отвечает на извечный вопрос Автор: Фрейзер Макдональд, 4 октября 2014 г., Hot Stuff
  26. ^ «Инфракрасная технология». thermalscope.com. Архивировано из оригинал 8 ноября 2014 г.. Получено 1 ноября 2014.
  27. ^ «Горячие детекторы». spie.org.
  28. ^ «DARPA разрабатывает персональные камеры LWIR, чтобы дать солдатам тепловое зрение». gizmag.com.
  29. ^ «Тепловой извещатель с преимущественно упорядоченными термочувствительными элементами и методами - Компания Raytheon». freepatentsonline.com.
  30. ^ «Тепловидение подчеркивает потери энергии Вестминстера». IRT Опросы. 19 февраля 2013 г.. Получено 15 марта 2013.
  31. ^ «Обзор приложения тепловидения». Буллард. Архивировано из оригинал 16 сентября 2008 г.. Получено 15 марта 2013.
  32. ^ «Термические атаки». Википедия.