Термографические камеры (также называется инфракрасная камера или тепловизионная камера или тепловизор ) является устройством , которое создает изображение с помощью инфракрасного излучения , по аналогии с общей камерой , которая формирует изображение с использованием видимого света . Вместо диапазона 400–700 нанометров камеры видимого света инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 мкм) до примерно 14000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией .
История [ править ]
Открытие и исследование инфракрасного излучения [ править ]
Infrared was discovered in 1800 by Sir William Herschel as a form of radiation beyond red light.[1] These "infrared rays" (infra is the Latin prefix for "below") were used mainly for thermal measurement.[2] There are four basic laws of IR radiation: Kirchhoff's law of thermal radiation, Stefan–Boltzmann law, Planck's law, and Wien's displacement law. The development of detectors was mainly focused on the use of thermometers and bolometers until World War I. A significant step in the development of detectors occurred in 1829, when Leopoldo Nobili, using the Seebeck effect, создал первую известную термопару , изготовив усовершенствованный термометр, грубую термобатарею . Он описал этот инструмент Македонио Меллони . Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал один, разработав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею ), который мог обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. [3] Следующим важным шагом в улучшении детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли . [4] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эбботпродолжал вносить улучшения в этот инструмент. К 1901 году он был способен обнаруживать радиацию от 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 инфракрасной технологии в гражданском секторе могло быть устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. [6] Вскоре его превзошел первый настоящий инфракрасный детектор айсбергов, который не использовала термобатареи, запатентованные в 1914 году RD Parker. [7] Это последовало по предложению Г.А. Баркера использовать ИК - систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году [8] Этот метод не был действительно промышлен , пока она не была использована при анализе нагрева однородности в горячих стальных полосах в 1935 году [ 9]
Первая термографическая камера [ править ]
In 1929, Hungarian physicist Kálmán Tihanyi invented the infrared-sensitive (night vision) electronic television camera for anti-aircraft defense in Britain.[10] The first American thermographic cameras developed were infrared line scanners. This was created by the US military and Texas Instruments in 1947[11][failed verification] and took one hour to produce a single image. While several approaches were investigated to improve the speed and accuracy of the technology, one of the most crucial factors dealt with scanning an image, which the AGA company was able to commercialize using a cooled photoconductor.[12]
Первой системой инфракрасного сканирования был британский желтый утенок середины 1950-х годов. [13] Это использовало непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием оси Y при движении самолета-носителя. Несмотря на неудачу в предполагаемом применении отслеживания подводных лодок путем обнаружения следа, он был применен для наземного наблюдения и стал основой военного линейного ИК-сканирования.
Эта работа получила дальнейшее развитие в Royal Signals and Radar Establishment в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия ртути является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Компания Honeywell в Соединенных Штатах также разработала ряд детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре [ требуется дальнейшее объяснение ], но сканировали они механически. У этого метода было несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт в English Electric Valve Companyв 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 [ править ]
Одним из наиболее важных направлений развития систем безопасности была способность разумно оценивать сигнал, а также предупреждать о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные сенсоры». Это датчики, которые могут объединять зондирование, извлечение, обработку и понимание сигналов. [15] Существует два основных типа интеллектуальных датчиков. Один из них, похожий на то, что называется « микросхемой зрения » при использовании в видимом диапазоне, допускает предварительную обработку с использованием методов Smart Sensing из-за увеличения роста 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 системы управления автомобилем и предотвращения столкновений . [19] [20] [21] [22] [23] [24]
Теория работы [ править ]
Инфракрасная энергия - это лишь одна часть электромагнитного спектра , которая включает в себя излучение гамма-лучей , рентгеновских лучей , ультрафиолета , тонкой области видимого света , инфракрасных , терагерцовых волн , микроволн и радиоволн . Все они связаны и различаются по длине волны (длине волны). Все объекты излучают определенное количество излучения черного тела в зависимости от их температуры.
Вообще говоря, чем выше температура объекта, тем больше инфракрасного излучения испускается в виде излучения черного тела . Специальная 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.
A major difference with optical cameras is that the focusing lenses cannot be made of glass, as glass blocks long-wave infrared light. Typically the spectral range of thermal radiation is from 7 to 14 μm. Special materials such as Germanium, calcium fluoride, crystalline silicon or newly developed special type of chalcogenide glasses must be used. Except for calcium fluoride all these materials are quite hard and have high refractive index (for germanium n=4) which leads to very high Fresnel reflection from uncoated surfaces (up to more than 30%). For this reason most of the lenses for thermal cameras have antireflective coatings. The higher cost of these special lenses is one reason why thermographic cameras are more costly.
In use[edit]
Изображения с инфракрасных камер имеют тенденцию быть монохромными, потому что в камерах обычно используется датчик изображения , который не различает разные длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, поскольку разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.
Sometimes these monochromatic images are displayed in pseudo-color, where changes in color are used rather than changes in intensity to display changes in the signal. This technique, called density slicing, is useful because although humans have much greater dynamic range in intensity detection than color overall, the ability to see fine intensity differences in bright areas is fairly limited.
For use in temperature measurement the brightest (warmest) parts of the image are customarily colored white, intermediate temperatures reds and yellows, and the dimmest (coolest) parts black. A scale should be shown next to a false color image to relate colors to temperatures. Their resolution is considerably lower than that of optical cameras, mostly only 160 x 120 or 320 x 240 pixels, although more expensive cameras can achieve a resolution of 1280 x 1024 pixels. Thermographic cameras are much more expensive than their visible-spectrum counterparts, though low-performance add-on thermal cameras for smartphones became available for hundreds of dollars in 2014.[25] Higher-end models are often deemed as dual-useи экспорт ограничен, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или больше, если частота обновления не составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется Правилами международной торговли оружием .
В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 ° C в месте съемки вызывает разницу всего 0,03 ° C на датчике. Время отклика пикселя также довольно низкое, порядка десятков миллисекунд.
Термография находит много других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловизора специалисты по обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, являющиеся явным признаком их неисправности, для устранения потенциальных опасностей. Когда термоизоляция выходит из строя , инженеры-строители могут заметить утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или нагрева и кондиционирования воздуха.
Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых роскошных автомобилях, чтобы помочь водителю ( автомобильное ночное видение ), первой из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска .
Некоторые физиологические действия, особенно реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных также можно контролировать с помощью термографических изображений. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти в основных телескопах для астрономических исследований , даже в тех, которые не являются инфракрасными телескопами .
Типы [ править ]
Термографические камеры можно условно разделить на два типа: камеры с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и камеры с неохлаждаемыми детекторами.
Охлаждаемые инфракрасные детекторы [ править ]
Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в герметичном корпусе или корпусе Дьюара и криогенно охлаждаются. Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры находятся в диапазоне от 4 К 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 почти так же, как обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или затоплены собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер состоят 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 - это охладители Пельтье, которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, но относительно просты и компактны. Для получения изображения лучшего качества или для получения изображений низкотемпературных объектов требуются криокулеры двигателя Стирлинга . 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 объективы с большим числом F , что делает высокопроизводительные объективы с большим 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 за счет эффекта Джоуля-Томсона . Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.
Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотодетекторы на основе широкого спектра узкозонных полупроводников, включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия , теллурид кадмия ртути (MCT) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм). мкм), сульфида свинца и селенида свинца
Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур из полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, таких как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами .
Существует ряд технологий охлаждаемых болометров, использующих сверхпроводники и несверхпроводники.
В принципе, сверхпроводящие устройства с туннельным переходом можно использовать в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не получили широкого распространения, поскольку их высокая чувствительность требует тщательного экранирования от фонового излучения.
Сверхпроводящие детекторы обладают исключительной чувствительностью, при этом некоторые из них могут регистрировать отдельные фотоны. Например, ESA «s Сверхпроводящие камеры (SCAM) . Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.
Неохлаждаемые инфракрасные детекторы [ править ]
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 сопротивления , напряжения или тока 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 пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров . [27] Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.
Сегнетоэлектрические детекторы работают близко к температуре фазового перехода материала сенсора; температура пикселя воспринимается как сильно зависящий от температуры поляризационный заряд . Достигнутая NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f / 1 и сенсорами 320x240 составляет 70-80 мК. Возможный узел датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного с помощью полиимидного термоизолированного соединения.
Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V), подвешенного на мостике из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.
Текущие улучшения неохлаждаемых матриц фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировало пятимикронную камеру LWIR, в которой используется матрица фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. [28] Некоторые из материалов, используемых для матриц датчиков: аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), [29] манганит лантана и бария (LBMO), цирконат титанат свинца (PZT), свинец, легированный лантаном. цирконат титанат (PLZT), танталат свинца и скандия (PST), титанат свинца и лантана (PLT), титанат свинца (PT), ниобат свинца и цинка (PZN), lead strontium titanate (PSrT), barium strontium titanate (BST), barium titanate (BT), antimony sulfoiodide (SbSI), and polyvinylidene difluoride (PVDF).
Applications[edit]
 | This section is in list format, but may read better as prose. (January 2018) |
Originally developed for military use during the Korean War,[citation needed] thermographic cameras have slowly migrated into other fields as varied as medicine and archeology. More recently, the lowering of prices has helped fuel the adoption of infrared viewing technology. Advanced optics and sophisticated software interfaces continue to enhance the versatility of IR cameras.
- Building inspection
- Fault diagnosis and troubleshooting
- Energy auditing of building insulation and detection of refrigerant leaks[30]
- Roof inspection
- Home performance
- Moisture detection in walls and roofs (and thus in turn often part of mold remediation)
- Masonry wall structural analysis
- Law enforcement and anti-terrorism[31]
- Quarantine monitoring of visitors to a country
- Military and police target detection and acquisition: forward-looking infrared, infrared search and track
- Condition monitoring and surveillance
- Technical surveillance counter-measures
- Thermal weapon sight
- Search and rescue operations
- Firefighting operations
- Thermography (medical) - Medical testing for diagnosis
- Veterinary thermal imaging
- Program process monitoring
- Quality control in production environments
- Predictive maintenance (early failure warning) on mechanical and electrical equipment
- Astronomy, in telescopes such as UKIRT, the Spitzer Space Telescope, WISE and the James Webb Space Telescope (launch planned for October 31, 2021)
- Automotive night vision
- Auditing of acoustic insulation for sound reduction
- Chemical imaging
- Data center monitoring
- Electrical distribution equipment diagnosis and maintenance, such as transformer yards and distribution panels
- Nondestructive testing
- Research and development of new products
- Pollution effluent detection
- Locating pest infestations
- Aerial archaeology
- Flame detector
- Meteorology (thermal images from weather satellites are used to determine cloud temperature/height and water vapor concentrations, depending on the wavelength)
- Cricket Umpire Decision Review System. To detect faint contact of the ball with the bat (and hence a heat patch signature on the bat after contact).
- Autonomous navigation
- Malicious Applications
- Thermal Attack is an approach that exploits heat traces left after interacting with interfaces, such as touchscreens or keyboards, to uncover the user's input [32][circular reference].
- Nighttime wildlife photography
- Inspecting photovoltaic power plants[33]
Specifications[edit]
Some specification parameters of an infrared camera system are number of pixels, frame rate, responsivity, noise-equivalent power, noise-equivalent temperature difference (NETD), spectral band, distance-to-spot ratio (D:S), minimum focus distance, sensor lifetime, minimum resolvable temperature difference (MRTD), field of view, dynamic range, input power, and mass and volume.
See also[edit]
 | Wikimedia Commons has media related to Thermal images. |
- Digital infrared thermal imaging in health care
- Hyperspectral imaging
- Infrared non-destructive testing of materials
- Infrared photography
- Ora, a 2011 3D film shot in HD thermography
- Passive infrared sensor
- Thermal imaging camera (firefighting)
- Thermal weapon sight
- Thermography
References[edit]
- ^ Chilton, Alexander (2013-10-07). "The Working Principle and Key Applications of Infrared Sensors". AZoSensors. Retrieved 2020-07-11.
- ^ W. Herschel, "Experiments on the refrangibility of the visible rays of the sun", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 90, pp. 284–292, 1800.
- ^ Barr, E. S. (1962). The infrared pioneers—II. Macedonio Melloni. Infrared Physics, 2(2), 67-74.
- ^ Langley, S. P. (1880). "The bolometer". Proceedings of the American Metrological Society. 2: 184–190.
- ^ Barr, E. S. (1962). The infrared pioneers—III. Samuel Pierpoint Langley. Infrared Physics, 3 195-206.
- ^ L. Bellingham, "Means for detecting the presence at a distance of icebergs, steamships, and other cool or hot objects," US patent no. 1,158,967.
- ^ Parker (R.D.)- Thermic balance or radiometer. U.S. Patent No 1,099,199 June 9, 1914
- ^ Barker (G.A.) – Apparatus for detecting forest fires. U.S. Patent No 1,958,702 May 22, 1934
- ^ Nichols (G.T.) – Temperature measuring. U.S. Patent No 2,008,793 July 23, 1935
- ^ Naughton, Russell (10 August 2004). "Kalman Tihanyi (1897–1947)". Monash University. Archived from the original on 24 October 2003. Retrieved 15 March 2013.
- ^ "Texas Instruments - 1966 First FLIR units produced". ti.com.
- ^ a b Kruse, Paul W; Skatrud, David Dale (1997). Uncooled infrared imaging arrays and systems. San Diego: Academic Press. ISBN 9780080864440. OCLC 646756485.
- ^ Gibson, Chris (2015). Nimrod's Genesis. Hikoki Publications. pp. 25–26. ISBN 978-190210947-3.
- ^ "Michael F. Tompsett, TheraManager". uspto.gov.
- ^ Corsi, C. (1995-07-01). "Smart sensors". Microsystem Technologies. 1 (3): 149–154. doi:10.1007/BF01294808. ISSN 1432-1858. S2CID 86519711.
- ^ Moini, Alireza (March 1997). "Vision Chips or Seeing Silicon". The Centre for High Performance Integrated Technologies and Systems.
- ^ National patent no. 47722◦/80.
- ^ A. Rogalski, "IR detectors: status trends," Progress in Quantum Electronics, vol. 27, pp. 59–210, 2003.
- ^ Corsi, Carlo (2010). "History highlights and future trends of infrared sensors". Journal of Modern Optics. 57 (18): 1663–1686. Bibcode:2010JMOp...57.1663C. doi:10.1080/09500341003693011. S2CID 119918260.
- ^ C. Corsi, "Rivelatori IR: stato dell’arte e trends di sviluppo futuro," Atti della Fondazione Giorgio Ronchi, vol. XLVI, no.5, pp. 801–810, 1991.
- ^ L. J. Kozlowski and W. F. Kosonocky, "Infrared detector arrays," in Hand-Book of Optics, M. Bass, Ed., chapter 23, Williams,W. L.Wolfe, and McGraw-Hill, 1995.
- ^ C. Corsi, "Future trends and advanced development in I.R. detectors," in Proceedings of 2nd Joint Conference IRIS-NATO,London, UK, June 1996.
- ^ M. Razeghi, "Current status and future trends of infrared detectors," Opto-Electronics Review, vol. 6, no. 3, pp. 155–194, 1998.
- ^ Corsi, Carlo. "Infrared: A Key Technology for Security Systems." Advances in Optical Technologies 2012 (2012): 1-15.
- ^ Thermal camera answers age-old question by Fraser Macdonald, 4 October 2014, Hot Stuff
- ^ "Infrared Technology". thermalscope.com. Archived from the original on 8 November 2014. Retrieved 1 November 2014.
- ^ "Hot detectors". spie.org.
- ^ "DARPA developing personal LWIR cameras to give soldiers heat vision". gizmag.com.
- ^ "Thermal detector with preferentially-ordered thermally sensitive element and method - Raytheon Company". freepatentsonline.com.
- ^ "Thermal imaging highlights Westminster's energy waste". IRT Surveys. 19 February 2013. Retrieved 15 March 2013.
- ^ "Thermal Imaging Application Overview". Bullard. Archived from the original on 16 September 2008. Retrieved 15 March 2013.
- ^ "Thermal attacks". Wikipedia.
- ^ Gallardo-Saavedra, Sara; Hernández-Callejo, Luis; Duque-Perez, Oscar (2018-10-01). "Technological review of the instrumentation used in aerial thermographic inspection of photovoltaic plants". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 93: 566–579. doi:10.1016/j.rser.2018.05.027. ISSN 1364-0321.
