Матрица тепловизора
Матрица тепловизора – приемник, или детектор излучения, принимающий и преобразующий энергию оптического излучения ИК-спектра в электрический сигнал, пропорциональный мощности поглощенного ИК-излучения их чувствительными площадками.
Рис. 1 — Устройство матричного ИК-детектора.
Матричные фотоприемники, устанавливаемые в фокальной плоскости объектива, состоят из множества чувствительных элементов, расположенных по рядам и столбцам прямоугольной матрицы.
Таким образом, в тепловизоре каждый пиксель — это измеренное значение температуры в данной точке. Так, тепловизор с размерами матрицы 320×240 пикселей отображает ИК изображение, состоящее из 76800 значений температуры.
Рис.2 — Внешний вид ИК-матрицы в модуле.
Виды матриц
Количество элементов ИК-матрицы определяет качество получаемого инфракрасного изображения. Помимо функциональной пригодности, минимальный размер матрицы тепловизора, используемого при решении различных задач, может быть регламентирован нормативными актами в применяемой сфере. Например, согласно ГОСТ Р 54852-20011 размеры матрицы должны составлять не менее 160х120 элементов, а согласно РД 13-04-2006 не менее 240х128 элементов.
Размер матрицы (датчика) определяет разрешающую способность тепловизора. В настоящее время распространены тепловизоры с матрицами 160х120, 320х240 и 640х480 пикселей.
Тепловизором с матрицей 160х120 элементо можно проводить контроль систем вентиляции, отопления, электротехнического оборудования, а также обследование ограждающих конструкций зданий высотой не более 1-2 этажей.
Камеру с такой матрицей целесообразно использовать для контроля областей с плавными перепадами температур на относительно большой площади (наблюдение за охлаждающими системами) и объектов с большой разностью температур, где равномерность распределения таковой не имеет значения (перегрев контакта одной из фаз токоведущих элементов).
Для обследования более высоких объектов, таких, например, как многоэтажные дома и дымовые трубы, необходим тепловизор с разрешением матрицы 320х240 пикселей.
Такой тепловизор целесообразно использовать также для контроля ограждающих конструкций, электрических машин и линий электропередач (с дополнительным узкоугольным объективом).
Камера с матрицей 640×480 является универсальной для наблюдения практически всех объектов регламентированных ПБ 03-372-00, а также для разносторонних технологических решений и научных изысканий. Кроме того, позволяет вести контроль удаленных (высотных) объектов без применения дорогостоящих узкоугольных объективов.
Влияние размера матрицы на результат работы
Качество изображения, или разрешение камеры, является важным фактором. Высокое разрешение помогает более точно увидеть, измерить и понять процессы, происходящие в объекте контроля.
Камеры с высоким разрешением позволяют увидеть мелкие детали на большом расстоянии от объекта. В отличие от тепловизоров с низким разрешением, они позволяют охватить больший участок без потери информации о температуре элементов объекта на инфракрасном изображении.
Матрица 160х120 пикселей Матрица 320х240 пикселей Матрица 640х480 пикселей.
Рис. 4. Пример сравнения измеренной температуры нагретого узла на разных матрицах.
Кроме то, камера, например, с разрешением 640х480 пикселей, оборудованная широкоугольным объективом, позволяет запечатлеть участок размером приблизительно 4 х 3 м с расстояния 5 м всего одним снимком. Чтобы проверить тот же объект без потери качества с помощью камеры с разрешением 160х120 пикселей, потребуется сделать 16 изображений и с более близкого расстояния.
Рис. 5. Пример сравнения размера изображений матриц на 640х480 и 160х120 элементов.
Таким образом, использование тепловизоров с небольшими размерами матриц целесообразно для решения простых задач, не связанных с серьезными тепловизионными обследованиями и энергоаудитом.
Источник
Почему тепловизоры так дорого стоят
Содержание
Содержание
Умение находить черную кошку в темной комнате в наше время уже не кажется сверхспособностью, особенно если знаешь, что ищут ее с помощью тепловизора. Единственное, что омрачает радость от проведения эксперимента — осознание того, что в руках находится прибор, стоимость которого включает несколько нолей. В материале разберемся, за что отвечают компоненты прибора, какой вклад они вносят в формирование цены.
Визуализация температурной картины
Изобретенный для нужд военных, тепловизор уже давно занял свою нишу в гражданских сферах применения. Обследование зданий и сооружений на предмет потерь тепла, контроль работы электрооборудования и линий электропередач, обнаружение скрытых коммуникаций, вспомогательный инструмент на охоте и т. д. — это далеко не полный перечень функциональных возможностей прибора.
С помощью тепловизоров научились спасать человеческие жизни: уже довольно давно их успешно применяют в работе пожарных. Приборы помогают спасателям более точно определять эпицентр возгорания, мониторить температуру поверхностей, обнаруживать пострадавших, оставшихся внутри помещения или под завалами. Для тепловизора не существует преград в виде сумерек, тумана или задымленности, поскольку прозрачность среды не является определяющим фактором для полноценной работы прибора.
Чтобы понять, как формируется картинка на экране тепловизора, нужно обратиться к теории. Из школьного курса физики известно, что все физические объекты и тела, температура которых выше абсолютного ноля (-273° К), испускают в окружающую среду тепловое излучение, находящееся в инфракрасном (ИК) диапазоне.
Приемник тепловизора способен распознать электромагнитные волны в среднем (от 3 до 5 мкм) и длинном (от 8 до 12 мкм) диапазонах инфракрасного излучения.
Теперь становится понятно, почему прибору абсолютно неважна оптическая прозрачность среды (в видимом глазу диапазоне). Если поблизости есть источник теплового излучения — тепловизор его безошибочно определит. Поэтому в условиях сильного задымления или ранним туманным утром на охоте тепловизор покажет реальную тепловую картину окружения.
Принцип работы
Поскольку на ИК-излучение распространяются те же законы оптики, что и для видимого спектра света, то устройство и принцип работы прибора мало чем отличаются от работы обычной фото- или видеокамеры. Единственное принципиальное отличие — другой материал линз и совершенно иная матрица для регистрации ИК-излучения, но об этом несколько позже.
Температурная картина, попавшая в объектив прибора, фокусируется на термочувствительной матрице посредством специальной линзы или группы линз. Каждый пиксель матрицы — по сути, отдельный термометр, измеряющий интенсивность ИК-излучения в каждой точке исследуемой сцены. Сигнал с матрицы обрабатывается процессором устройства и выводится на дисплей прибора. Там отображаются все сигналы, полученные термочувствительными ячейками матрицы.
Электронная схема прибора (процессор) отвечает за формирование изображения на экране прибора. Обновление результатов измерений для формирования актуальной температурной картины происходит с частотой 9 Гц для тепловизоров начального ценового сегмента и 15 Гц для приборов профессионального применения.
Дальность распознавания и фиксации теплового сигнала находится в диапазоне 100-300 м для тепловизоров бытового применения и порядка 2-3 км для профессиональной серии. Образцы специального и армейского назначения способны фиксировать тепловую картину на расстояниях до 20 км. Для увеличения дальности требуется оптика с изменяемой величиной фокусного расстояния, что в конечном итоге сказывается на стоимости прибора.
Как правило, диапазон измеряемых температур бытовых тепловизоров находится в диапазоне -50-+350° С. Для специализированных приборов планка верхнего значения температуры может достигать +1200° С и выше.
Для удобства восприятия суммарной картинки, различные уровни температур окрашиваются разными цветами: от холодных синих до ярко красных, а то и абсолютно белых областей с высоким уровнем теплового излучения.
Но встречаются девайсы и с монохромными дисплеями, картинка на экраны которых выводится в градации серого цвета.
Для сохранения результатов термометрии, тепловизионная камера, в большинстве случаев, оснащается флеш-памятью.
Значимые компоненты тепловизора
Оптическая система
Основная проблема получения термометрического изображения кроется в оптических свойствах обычного стекла. Оно не прозрачно для ИК-излучения! Боросиликатное стекло без труда пропускает видимую часть спектра, но отсекает волны ультрафиолетового и инфракрасного спектра. Выходом из ситуации будет использование материала, прозрачного для ИК-излучения, — германия. Он непрозрачен для волн видимого спектра, но без труда пропускает сквозь себя волны теплового излучения.
Германиевая линза имеет большую плотность в сравнении с боросиликатными линзами и достаточно высокий коэффициент преломления, поэтому на изготовление оптической системы тепловизора расходуется достаточно большое количество дорогостоящего материала. К тому же, следует упомянуть, что германий очень хрупкий и капризный в обработке материал, поэтому для изготовления линз из германия требуется ювелирная точность производства, а также длительная последующая шлифовка и полировка готового изделия.
Как правило, германиевая линза имеет зеленоватый или красноватый оттенок, а главное визуальное отличие — она непрозрачна для глаза человека.
Стоимость германия сопоставима со стоимостью золота, поэтому окончательная цена прибора уже не вызывает сильного удивления. Альтернативное решение — добавление в состав боросиликатного стекла халькогенидов, таких как сера, теллур и селен, наделяющих обычное стекло оптической проницаемостью в инфракрасном диапазоне. Такой подход, конечно, снижает качество линз, но позволяет существенно удешевить производство и сделать тепловизоры более доступными по цене.
Термочувствительная матрица
Второй краеугольный камень — сложность производства термочувствительной матрицы прибора. Физически матрица представляет собой набор термочувствительных ячеек, упорядоченных в строках и столбцах.
Размер матрицы в тепловизорах обозначается количеством пикселей по горизонтали и вертикали. Для бытового применения распространенные размеры — 160х120, 206х156 и 320х240, в профессиональной сфере в ходу приборы с разрешением матрицы — 640х480. Матрицы большего размера выпускаются по специальному заказу. Их изготавливают производители, коих в мире считанные единицы.
Правило: «Чем больше пикселей (разрешение матрицы) — тем качественней картинка», справедливо и для тепловизоров.
Из-за того, что в основе измерительной ячейки (пикселя матрицы) лежит тепловой приемник излучения, именуемый болометром, всю матрицу тепловизора принято называть болометрической.
Для производства полупроводниковых матриц, как правило, используется кремний в сочетании с окислами никеля, марганца или кобальта. Каждая ячейка болометрической матрицы состоит из двух пленочных термисторов (толщиной не более 10 мкм). Тот термистор, который подвергается воздействию излучения, называется активным, а тот, что находится в изолированной от внешнего излучения области, — компенсационным. Пара термисторов ячейки герметична. При попадании теплового излучения на активный термистор, он нагревается и его сопротивление увеличивается. По разности потенциалов на выводах термисторов одной ячейки рассчитывается уровень температуры, действующей на ячейку ИК-излучения. В зависимости от качества компонентов, шаг измерения температуры составляет 0,15-0,1 °С, а погрешность измерений находится в пределах ± 2 °С.
Помимо высокой стоимости материалов и технологий, используемых при производстве матриц тепловизоров, на окончательную цену очень сильно влияет колоссальный объем работ по калибровке ячеек матрицы. Дело в том, что для получения правдоподобной, не зашумленной картинки на экране тепловизора, каждый пиксель матрицы должен «давать» в систему верное, строго тарированное значение, сопоставимое со всеми другими ячейками.
Калибровка болометрической матрицы производится попиксельно.
Для этого у производителей матриц организованы технологические процессы калибровки готовых изделий, а в управляющих программах профессиональных тепловизоров заложены алгоритмы программной калибровки ячеек, призванные улучшить визуализацию термометрической сцены. В конечном итоге все эти работы также включаются в стоимость готового изделия.
Казалось бы, всего два компонента внутренней начинки тепловизора имеют принципиальные отличия, если сравнивать устройство с обычным фотоаппаратом или видеокамерой. Но их суммарная стоимость составляет порядка 80-90 % всей стоимости девайса, что и объясняет общую дороговизну прибора термометрического наблюдения.
Источник
