Тепловизоры и другие инфракрасные приборы: в чем разница?
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 и 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. Как мы все знаем еще со школьной скамьи, 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.
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.
К сожалению, тепловизор является довольно дорогостоящим оборудованием. Это, пожалуй, его единственный минус, 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. Еще меньше компаний-производителей, специализирующихся непосредственно на пожарных тепловизорах, и этому есть ряд причин.