Как работает инфракрасная камера

Как устроены инфракрасные камеры

Человеческие глаза и обычные видеокамеры формируют изображение с помощью видимого света (излучения). Инфракрасный диапазон лежит в недоступной глазу области ИК-излучения. Человек его не видит. Основной источник инфракрасного излучения — тепловая радиация. Она доступна при температуре окружающей среды выше абсолютного нуля — 273°С, то есть, по сути, в условиях планеты Земля тепловое излучение есть везде. Даже снег и лед излучают тепло.

Использование ИК-камер на морских судах

Тепловизионный модуль ИК-камеры способен «видеть» инфракрасное излучение и формировать на основе поступающих данных четкую картинку окружающего пространства. Тепловизионные системы выводят на экран малейшие различия тепла, а не различия в свете. Они не зависят от солнца и источников освещения. Формируют четкое изображение в любое время суток — от темных безлунных ночей до слепящих солнечных дней.

Морские тепловизоры ставят на военные, полицейские и гражданские корабли. Формируемое тепловизорами для судов изображение помогает четко видеть объекты, которые расположены по курсу следования, даже в пасмурные безлунные ночи. Отчетливо видны опоры мостов, выступающие над водой инженерные сооружения, навигационные знаки, ледяные глыбы, вся прибрежная инфраструктура. Ориентироваться в пределах акватории становится легче. Вероятность столкновения с массивными объектами, способными нанести вред судну, стремится к нулю.

На военных и полицейских патрульных судах тепловизионные системы используют не только для ориентирования на водных пространствах. С помощью ИК-камер правонарушители и угрозы на воде видны издалека. Обнаружение морского транспорта идет с расстояния до 4,5 км, распознавание — до 1,55 км. Человек в воде виден с расстояния до 2,3 км, распознавание — до 950 метров. Изображение дополнительно обрабатывается специальными алгоритмами удаления шумов и улучшения отображаемой картинки. Слежение за объектами с дальнего расстояния — еще одно важное преимущество на воде для судов специального назначения.

Примечательно, что морской тепловизор — хороший помощник не только во время ночного плавания. Днем с помощью этого устройства легче ориентироваться на рассвете и закате, когда обычные камеры засвечивает восходящие или заходящее солнце. Не мешают работе тепловизора и яркие блики на воде.

Как это работает. Тепловизор

Сегодня без тепловизоров − приборов, фиксирующих тепловое излучение − уже сложно представить многие области промышленности и военное дело. Они помогают нам улучшить наше несовершенное зрение, видеть больше, дальше и лучше.

Одни из крупнейших разработчиков и производителей тепловизионных устройств в России –холдинги «Росэлектроника» и «Швабе», входящие в состав Госкорпорации Ростех. Рассказываем, как устроен тепловизор, чем он отличается от приборов ночного видения и как «видит» в полной темноте.

Как увидеть тепло

В 1800 году астроном Фридрих Вильгельм Гершель во время экспериментов с преломлением света обнаружил, что существует спектр, не видимый для человеческого глаза, который он назвал инфракрасным излучением. Позже было доказано, что все тела, чья температура отличается от нуля, излучают электромагнитное тепловое излучение.

Но может ли человеческий глаз увидеть его? Конечно! Например, без сомнения теплое Солнце, которое отлично видно невооруженным глазом. А для того, чтобы видеть в темноте и обнаруживать через преграды объекты не такие горячие, как Солнце, человечество изобрело тепловизоры – устройства, увеличивающие возможности нашего зрения и позволяющие видеть даже малейшее проявление тепла.

Первые приборы, визуализирующие температуру объектов, появились в 20-е годы прошлого века. Например, такое устройство, как эвапорограф, работало на принципе неравномерного испарения или конденсации вещества на пленке, при этом получалось рельефное изображение объекта. Затем, уже в 1940-е годы, появились термографические камеры, также передававшие изображение на пленку. И наконец, в 1960-е годы появляются технологии, позволяющие создавать тепловизоры, работающие в реальном времени. Изначально тепловизионные устройства разрабатывались в интересах военных, а в 1965 году был продан первый коммерческий тепловизор для мониторинга высоковольтных линий электропередач.

Устройство тепловизора

Тепловая оптика устроена очень похоже на обычную оптику и работает по схожим принципам. Главное отличие – в материале стекла. Обычное стекло не пропускает сквозь себя волны инфракрасного спектра. Поэтому линзы для тепловизоров делаются с применением специальных материалов, пропускающих ИК-лучи, чаще всего – из довольно дорогого германия.

Интересна технология получения линз из германия. Полуметалл сперва расплавляется в печи, затем кристаллизуется на специальном стержне до кристалла нужного размера и разрезается на заготовки, которые после превращаются в линзы. В России есть собственные месторождения и производство этого стратегически важного вещества.

Теплотелевизионный регистратор производства Лыткаринского завода оптического стекла (ЛЗОС) холдинга «Швабе»

Детектор, улавливающий инфракрасное излучение и преобразующий его в информацию – еще более сложное в производстве устройство. Как и в обычном фотоаппарате, он состоит из чувствительной матрицы и блока электроники, обрабатывающего сигнал. Посредством системы линз ИК-излучение подается на матрицу, покрытую датчиками. Затем процессор преобразует данные в видеосигнал и подает на экран устройства.

По сравнению с приборами ночного видения, тепловизор − более универсальное, хотя и более сложное устройство. Прибор ночного видения формирует изображение на основании отраженного от объекта света, то есть черную кошку в полностью темной, изолированной комнате вы с его помощью не найдете, а с помощью тепловизора – запросто.

Игра в «холодно-горячо» по-взрослому

Тепловизоры позволяют заглянуть внутрь предметов без непосредственного физического контакта, находить отклонения от нормальной температуры. И эта способность оказалась очень востребованной для проведения так называемого неразрушающего контроля, когда объект изучается без его разделения на элементы, а чаще всего и без приостановки рабочих процессов, в которых объект участвует.

Видеть сквозь предметы, наблюдать за изменением температуры, находить утечки тепла полезно в самых разных областях промышленности и науки. В энергетике, на производстве, в строительстве тепловизоры помогают в работе и предотвращают техногенные катастрофы, а спасатели с их помощью ищут людей в завалах. Свое применение они нашли даже в медицине, где по динамике температуры отдельных органов можно обнаруживать злокачественные новообразования. Незаменимы тепловизоры и для охотников, причем не только ночью, но и днем.

И все же главным заказчиком тепловизионной техники по-прежнему остаются силовые ведомства. Тепловизоры устанавливаются на личное оружие, бронетехнику, самолеты, корабли, включаются в системы наблюдения, входят в комплекты «умной» экипировки. Все это позволяет обнаруживать злоумышленников и следы их деятельности независимо от времени суток и погодных условий.

События, связанные с этим

Кобот: «рука об руку» с человеком

Тепловизионные прицелы и приборы: как это работает ⁠ ⁠

Тепловизор – это устройство, которое способно получить изображение в инфракрасном диапазоне, причем в так называемом дальнем инфракрасном диапазоне с длиной волн от 7,5 до 14 мкм. Это принципиальная разница тепловизоров от других инфракрасных приборов, таких как приборы ночного видения. Дело в том, что инфракрасный диапазон волн электромагнитного спектра имеет более высокую длину, чем диапазон, видимый человеческому глазу.

Особенностью инфракрасного диапазона является то, что в воздухе инфракрасные волны распространяются неравномерно: волны с одной длиной поглощаются, другие же могут не поглощаться вовсе. Те участки инфракрасного диапазона, где волны не поглощаются атмосферой, называются окнами прозрачности атмосферы. В этих диапазонах и работают инфракрасные приборы, в основном их подразделяют на два типа:

— дальний инфракрасный диапазон от 8 до 14 мкм;

— ближний инфракрасный диапазон 3–5 мкм, он расположен ближе к видимому спектру.

В ближнем инфракрасном диапазоне распространяется в основном отраженное излучение, причем солнце, звезды и другие источники электромагнитного излучения светятся не только в видимом диапазоне, но и в инфракрасном, иногда даже более ярко. Поэтому приборы ночного видения позволяют фиксировать изображение ночью так же хорошо, как днем. Однако приборы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, не являются тепловизионными. Как уже говорилось выше, они фиксируют лишь отраженные инфракрасные волны, поэтому могут подвергаться засветке при интенсивном отраженном излучении или не показывать ничего при полной темноте, когда нет ни одного источника излучения данного диапазона.

С тепловизорами дело обстоит иначе. Тепло – это форма энергии, которая может накапливаться, передаваться и излучаться. Таким образом, любое нагретое тело обладает электромагнитным излучением, называемым тепловым. Диапазон этих волн наиболее близок именно к дальнему инфракрасному диапазону, причем распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры. При повышении температуры спектральная область излучения смещается в фиолетовую сторону, а при 100 °С тело начинает раскаляться, и появляется излучение, которое становится видимым даже человеческому глазу.

В связи с этим тепловизионные приборы преобразуют тепловое излучение от объектов и местности в видимое изображение и способны давать результат даже в полной темноте. Регистрируемое тепловое излучение является двухмерным, поэтому на дисплее тепловизора изображение визуализируется как черно-белое или «псевдоцветное», где тот или иной цвет будет соответствовать той или иной фиксируемой температуре объекта.

Устройство и принцип действия тепловизора

Техническое устройство и принцип действия тепловизора очень похожи на устройство обычного фотоаппарата. Инфракрасное излучение от нагретых предметов проходит через фокусирующую оптику и фиксируется инфракрасным сенсором (матрицей), далее полученное изображение поступает в цифровой электронный блок, где оно обрабатывается и выводится на экран дисплея.

Электромагнитные волны инфракрасного диапазона распространяются в соответствии с законами оптики, поэтому фокусирующая система тепловизора собирает эти волны и фокусирует их на инфракрасный сенсор, так же как и обычная оптическая линза. Фокусирующая оптика имеет важную характеристику – угол обзора. Чем больше этот угол, тем большая часть наблюдаемой сцены попадает на экран дисплея, но вместе с тем снижается детализация изображения.

Инфракрасный сенсор или чип по своему устройству напоминает матрицу фотоаппарата, поскольку характеризуется разрешающей способностью, которая указывается в количестве пикселей. Чем выше разрешение, тем более детализированное изображение получается. Разрешающая способность подобных датчиков ниже, чем у оптических, примерно 160х120 или 320х240 пкс. У наиболее современных моделей разрешение может составлять до 1024х768 пкс.

Очень важной характеристикой инфракрасного сенсора является динамический диапазон. Это диапазон температур, в пределах которого все объекты с такими температурами будут отображаться на дисплее.

Цифровой электронный блок обрабатывает полученное от инфракрасного сенсора изображение, убирает помехи и шумы, например вызванные собственным излучением воздуха, накладывает на изображение полезную информацию и различные данные, а также может выполнять ряд дополнительных функций (фото-, и видеозахват, выделение особо нагретых областей и т.д.)

Дисплей тепловизора тоже имеет ряд важных характеристик: диагональ, яркость и разрешение. Разрешение дисплея может не совпадать с разрешением инфракрасного сенсора, тогда итоговое изображение будет искажено. Например, если разрешение дисплея будет ниже инфракрасного сенсора – может пострадать детализация, если разрешение дисплея будет выше инфракрасного сенсора – станет заметным некорректное расстояние до объектов.

Необходимо заметить, что в работе тепловизионного оборудования есть своя специфика, например оно не дает изображения через стекло, воду или блестящие объекты, так как эти поверхности действуют как зеркала в системе.

Категории тепловизоров

Тепловизоры делятся на две категории: стационарные и переносные. Стационарные – это, как правило, тепловизоры третьего поколения, на основе матриц полупроводниковых приемников, для нормального функционирования которых часто используется азотное охлаждение.

Переносные – это наиболее современные тепловизоры, на базе неохлаждаемых микроболометров. Они более эффективны и во многом превосходят по функциональности стационарных собратьев.

Болометр – это тепловой приемник оптического излучения, который был изобретен в 1878 г. американским астрономом, физиком, пионером авиации Сэмюэлем Припонтом Лэнгли (1834–1936 гг.) Принцип действия прибора основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания его под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии.

Проще говоря, главным компонентом болометра является очень тонкая, затемненная для лучшего эффекта поглощения пластинка, проводящая электрический ток. Эта пластинка из-за своей малой толщины довольно быстро нагревается под воздействием электромагнитного излучения, и ее сопротивление повышается. На основе болометра базируется большинство современных тепловизоров.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы делятся на классы: микроболометры, ферроэлектрики и другие типы. В свою очередь, микроболометры делятся на два подкласса – это микроболометры на оксиде ванадия (VOx), используемые в основном в США, и микроболометры на аморфном кремнии (a-Si). Ферроэлектрики также подразделяются на два подкласса – использующие толстопленочную технологию (Thick Film BST) и тонкопленочную технологию (Thin Film PLZT). К другим типам неохлаждаемых инфракрасных детекторов можно отнести Poly-SiGe и приемники на солях свинца.

Микроболометры на оксиде ванадия более чувствительные и работают при более низких температурах, их используют, как правило, для измерительных приборов. Пожарным и спасательным подразделениям высокая точность получаемой температуры не так важна, как высокая частота снимаемой информации, и для этой роли идеально подходят микроболометры с аморфным кремнием. Ферроэлектрики же значительно проигрывают микроболометрам.

Тепловизор является довольно дорогостоящим оборудованием, около 90% стоимости прибора приходятся на объектив и инфракрасный сенсор. Производство неохлаждаемых инфракрасных чувствительных элементов – очень наукоемкий и высокотехнологичный процесс. А в объективах используются редкие и дорогие материалы, такие как германий (Ge). В отличие от стекла германий обладает прозрачностью в инфракрасной области спектра, поэтому металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики. Именно поэтому в мире существует немного производителей, которые могут себе позволить содержать такое производство.

Тепловизоры, виды, принцип работы и характеристики

Тепловизор — это прибор, предназначенный для измерения температуры различных объектов. Он работает на основе инфракрасных лучей, которые проходят через материал и нагревают его.

Затем тепловизор улавливает эти лучи и преобразует их в цифровое изображение, на котором видно распределение температуры по поверхности объекта.

Полезные статьи:

Тепловое излучение, виды, свойства

Инфракрасные камеры

Все статьи

Тепловизоры широко используются во многих отраслях, таких как строительство, медицина, энергетика, промышленность и научные исследования. Они позволяют получать точные данные о температуре объекта и выявлять скрытые дефекты и проблемы, связанные с теплопередачей.

Преимущества использования тепловизоров:

• Высокая точность измерения температуры.
• Обнаружение скрытых тепловых источников.
• Экономия энергии.
• Безопасность.

• Ограниченная видимость в условиях низкой освещенности.
• Высокая стоимость.
• Ограниченный диапазон измерения температуры.

История изобретения тепловизора

История изобретения начинается в конце XIX века. В 1872 году немецкий физик Отто фон Герике создал первый прибор, который мог улавливать инфракрасное излучение. Однако этот прибор был слишком сложным и дорогим, чтобы быть коммерчески успешным.

Первым тепловизором был прибор, созданный в 1894 году русским ученым Константином Циолковским. Он назывался «тепловой телескоп» и позволял видеть объекты в темноте благодаря инфракрасному излучению. Однако прибор не был достаточно точным и не получил широкого применения.

В 20-м веке первые тепловизоры были созданы в конце 1940-х годов и использовались для измерения температуры в промышленных целях.

В 1950-х годах тепловизор использовался для измерения температуры в различных отраслях промышленности и научных исследований.

В 1960-х годах был разработан первый тепловизор с использованием полупроводниковых технологий, что позволило улучшить качество изображения и увеличить диапазон измеряемых температур.

В 1970-х годах были разработаны первые тепловизионные камеры, которые могли использоваться для наблюдения за температурой в реальном времени.

С тех пор тепловизоры стали широко применяться в различных областях. Они используются для обнаружения утечек тепла, контроля качества материалов, диагностики заболеваний и многих других задач.

Принцип работы тепловизора

Тепловизор состоит из двух основных компонентов:

• инфракрасного детектора
• и оптической системы.

Детектор преобразует инфракрасное излучение в электрический сигнал, который затем передается на компьютер или другое устройство для обработки. Оптическая система используется для фокусировки и направления инфракрасного излучения на объект.

Принцип работы тепловизора заключается в следующем:

• Инфракрасное излучение от объекта попадает на оптический детектор.
• Детектор преобразует часть энергии излучения в электрический сигнал.
• Сигнал передается на компьютер, где он обрабатывается и отображается на экране.
• Компьютер использует алгоритмы обработки изображений для создания изображения температуры объекта.
• Изображение температуры объекта отображается на экране тепловизора.

Таким образом, тепловизоры могут использоваться для измерения температуры различных объектов, таких как здания, люди, автомобили и т.д. Они также могут обнаруживать утечки тепла и другие проблемы с тепловыми системами.

Устройство тепловизора

Тепловизор состоит из следующих основных элементов:

1. Матрица или сенсор. Этот элемент является основой тепловизора и отвечает за преобразование инфракрасного излучения в электрические сигналы. Матрицы могут быть различных типов, включая ИК-матрицы, микроболометрические матрицы и другие.
2. Оптическая система. Она состоит из объектива и системы зеркал, которые фокусируют инфракрасное излучение на матрице.
3. Программное обеспечение. Оно обрабатывает данные, полученные с матрицы, и отображает их на экране в виде изображения.
4. Дисплей. Он отображает изображение, созданное программным обеспечением.
5. Аккумулятор. Он обеспечивает работу тепловизора без подключения к сети питания.
6. Интерфейс пользователя. Он позволяет управлять работой тепловизора и просматривать полученные данные.
7. Корпус. Он защищает все элементы тепловизора от внешних воздействий и обеспечивает удобство его использования.

Характеристики тепловизора

Вот основные характеристики тепловизоров:

• Разрешение: количество пикселей на экране для создания изображения. Чем выше разрешение, тем более детализированным будет изображение.
• Диапазон температур: которые может измерять тепловизор. Обычно это диапазон от -20 до +600 градусов Цельсия.
• Частота обновления: определяет, как часто тепловизор обновляет изображение. Чем выше частота, тем быстрее происходит обновление и тем меньше времени требуется для получения полной картины.
• Угол обзора: определяет угол обзора тепловизора. Чем больше угол обзора, тем больше область, которую можно охватить.
• Тип датчика: определяет тип датчика, который используется в тепловизоре. Существует несколько типов датчиков, включая инфракрасные (IR) датчики и матричные (MW) датчики.
• Размер объектива: определяет размер объектива тепловизора, который используется для захвата изображения. Чем больше объектив, тем больше площадь изображения.
• Интерфейс подключения: к компьютеру или другому устройству. Существует несколько интерфейсов, включая USB, HDMI и Wi-Fi.
• Питание: существует несколько вариантов питания, включая аккумуляторы, батареи и питание от сети.
• Вес и габариты: эти характеристики важны при выборе прибора для конкретных задач.

Виды тепловизоров

• Инфракрасные тепловизоры — используют инфракрасное излучение для измерения температуры объектов. Они могут работать в широком диапазоне температур и имеют высокое разрешение.
• Лазерные тепловизоры — применяют лазерное излучение для измерения температуры. Они имеют высокую скорость работы и могут использоваться в научных исследованиях и промышленных приложениях.
• Термографические камеры — создают термографические изображения объектов. Они используются для контроля температуры в промышленности, медицине и науке.
• Сканеры теплового потока — сканируют объекты на наличие теплового потока. Они применяются в научных исследованиях, энергетике и электронике.
• Очки тепловизоры — позволяют видеть тепловые изображения объектов. Они используются в строительных работах, поиске утечек и обнаружении дефектов.
• Температурные датчики — это небольшие устройства, которые измеряют температуру окружающей среды или объектов. Они широко применяются в промышленности и науке для контроля процессов и оптимизации производства.
• Термовизоры — могут измерять температуру с высокой точностью. Они обычно используются в научных исследованиях и промышленности для контроля температуры в процессе производства.
• Радиометры — для измерения температуры. Они применяются в медицине для диагностики рака и других заболеваний, связанных с нарушениями кровотока.
• Пирометры — работают на основе оптического излучения. Они используются в энергетике для контроля работы котлов и печей, а также в охранных системах для обнаружения движения и температуры тела человека.

Применение тепловизоров

Тепловизоры широко применяются в различных областях:

• Медицина: используются в диагностике заболеваний, связанных с кровообращением и обменом веществ. Они помогают врачам определить места, где нарушено кровообращение и где есть проблемы с теплообменом.
• Энергетика: для контроля температуры оборудования и систем в энергетической отрасли. Они помогают предотвратить аварии и оптимизировать работу оборудования.
• Промышленность: тепловизоры помогают контролировать качество продукции и выявлять дефекты на производстве. Они также могут использоваться для определения утечек тепла в зданиях и сооружениях.
• Охрана: для обнаружения людей и объектов в темноте или за препятствиями.
• Наука: в научных исследованиях для изучения теплообмена и процессов, происходящих в различных материалах и системах.
• Строительство: помогают строителям выявлять утечки тепла в зданиях и конструкциях. Это позволяет снизить расходы на отопление и кондиционирование воздуха, а также повысить энергоэффективность зданий.
• Безопасность: для обеспечения безопасности на объектах с высоким уровнем риска, таких как атомные электростанции, шахты и другие опасные зоны. Они помогают обнаруживать людей и предметы, которые могут представлять угрозу для жизни и здоровья персонала.
• Наука: в научных исследованиях, связанных с изучением свойств материалов, жидкостей и газов. Они используются для измерения температуры, давления, влажности и других параметров в различных условиях.