Soczewka termowizyjna. Soczewki IR

Ważną działalnością firmy jest opracowywanie, obliczanie i produkcja soczewek na podczerwień (IR) do systemów termowizyjnych pracujących w zakresach 3…5 i 8…12 µm oraz czujników optycznych pracujących w zakresie IR. Firma projektuje i produkuje soczewki na podczerwień (IR) (w tym soczewki atermiczne), zarówno seryjnie w wykonaniu standardowym, jak i według specyfikacji klienta, a także oblicza i wykonuje inne układy optyczne do urządzeń IR, w tym:

• soczewki termowizyjne do niechłodzonych kamer termowizyjnych oparte na matrycach mikrobolometrycznych w zakresie 8…12 µm. Jest to najczęstszy typ systemu, co wynika z efektywnego zakresu spektralnego do transmisji obrazu termicznego, optymalnej praktyczności niewymagających chłodzenia odbiorników matrycowych i zimnej membrany, a także stosunkowo niskiej ceny takiego urządzenia ;
• soczewki termowizyjne do chłodzonych kamer termowizyjnych pracujących w zakresie 3…5 µm. Na podstawie takich systemów tworzone są kamery termowizyjne o zwiększonej kombinacji wymagań dotyczących właściwości i konstrukcji. Jest to najbardziej złożony rodzaj systemów podczerwieni, ale jednocześnie ma najlepsze możliwości wykrywania i identyfikacji obiektów obserwacji;
• Soczewki IR do czujników jedno- i wieloelementowych pracujących w zakresie średniej i bliskiej podczerwieni, głównie 3...5 µm. Zwykle są to proste układy, w skład których wchodzi prosta optyka IR oraz sensor, którego głównym zadaniem jest generowanie sygnału, a nie transmisja obrazu.

Soczewki na podczerwień znajdują zastosowanie w systemach termowizyjnych różnych klas:

• obrony (przenośne i stacjonarne termowizory, celowniki termowizyjne, stacje optyczno-lokacyjne, urządzenia do wyznaczania celów oraz celowniki sprzętu naziemnego);
• technologiczne (urządzenia termoregulacyjne do celów technologiczno-budowlanych, pirometry);
• dla bezpieczeństwa (kamery termowizyjne do kontroli obwodowej, granic, systemy przeciwpożarowe).

W zależności od postawionych zadań opracowujemy soczewki na podczerwień (IR) wszystkich określonych klas, wśród których wyróżniają się soczewki atermiczne IR. Optyka IR do kamer termowizyjnych średniego i dalekiego zasięgu ma swoją specyfikę, wyrażoną w właściwościach termooptycznych użytych materiałów optycznych, takich jak monokryształy germanu, krzemu, polikrystaliczny selenek i siarczek cynku, monokryształy fluorków metali . W większości przypadków soczewka IR zawiera soczewki wykonane z germanu, który ma wysoki i nieliniowy współczynnik załamania temperatury. W związku z tym optyka IR jest podatna na rozogniskowanie przy zmianach temperatury, a jednym z rozwiązań tego problemu jest konstrukcja z kompensacją termiczną, która przesuwa soczewkę lub grupę soczewek względem odbiornika w zależności od temperatury. Niewiele firm oferuje soczewki atermiczne ze względu na potrzebę opracowania skomplikowanych konstrukcji, często stosowanych w trudnych warunkach obciążenia mechanicznego i udarowego. Zgodnie z Twoimi wymaganiami obliczymy i opracujemy na zamówienie soczewkę atermiczną IR. Optyka kamery termowizyjnej jest projektowana i produkowana w różnych wersjach przy użyciu bardzo twardych powłok ochronnych, wersja OEM, o lekkiej konstrukcji.

Czy potrzebuję dodatkowych soczewek do kamery termowizyjnej?

Kupując kamerę termowizyjną, każdy zadaje sobie to pytanie i sam na nie odpowiada, kierując się dostępnymi informacjami. Ze swojej strony postaramy się rozszerzyć ilość tych samych informacji, aby wybór kupującego był rozsądniejszy.

Dlaczego więc potrzebujesz dodatkowych soczewek/soczewek?
Jakość obrazu zależy od kilku parametrów, ale przede wszystkim od jakości matrycy termowizyjnej, jej czułości i wielkości, a także od parametrów obiektywu.
O jakości obrazu decydują przede wszystkim parametry techniczne matrycy termowizyjnej i obiektywu. Z reguły nie ma możliwości zmiany matrycy na dużą, więc są tylko wymienne lub dodatkowe obiektywy, które podnoszą jakość obrazu. Dosyć sceptycznie podchodzę do twierdzeń, że braki matrycy i obiektywu można rozwiązać za pomocą dodatkowej obróbki programowej, a tym samym uzyskać więcej, niż jest to możliwe ze sprzętu.

Na przykład:
Matryca 384x288 z obiektywem 20⁰ zapewnia rozdzielczość przestrzenną 0,91 mrad. Matryca 160x120 z tym samym obiektywem 20⁰ zapewnia rozdzielczość 2,2 mrad.
Innymi słowy, w odległości 100 metrów kamera termowizyjna z matrycą 384x288 potrafi rozróżnić obiekt o wymiarach 9,1x9,1 cm, natomiast dla matrycy 160x120 minimalny obiekt musi mieć wymiary co najmniej 22x22 cm!
Możliwość osiągnięcia rozdzielczości 9x9 cm brzmi bardzo optymistycznie, mimo że jakość oryginału, nawet setek ujęć, nie jest lepsza niż 22x22 cm.
Oczywiście opcja „super rozdzielczość” może nieco poprawić jakość obrazu, zwłaszcza w przypadku „naturalnego” drżenia ręki, ale możliwość zrobienia cudu poprzez podwojenie rozdzielczości pozostaje co najmniej wątpliwa.

Pozostaje więc jeden naturalny sposób na poszerzenie efektywnego zasięgu lub obszaru fotografowania – dodatkowe soczewki. Standardowy obiektyw oferuje dwa opcjonalne obiektywy - szerokokątny i wąskokątny.

obiektyw szerokokątny jest zwykle używany, gdy chcesz uchwycić duży obszar ze stosunkowo niewielkiej odległości. Nie tak popularny jak obiektyw wąskokątny, ponieważ zawsze można połączyć serię standardowych ujęć w obraz panoramiczny, zwłaszcza że obiektyw szerokokątny rozszerza obszar fotografowania kosztem szczegółów, a to pasuje do niewielu.

Wąski (teleobiektyw) stosowany w przypadku, gdy ważna jest duża szczegółowość dla stosunkowo małego obiektu oddalonego na przyzwoitą odległość. Tutaj żadne sztuczki programowe nie rozwiążą problemu - potrzebujesz specjalnego obiektywu. W mojej praktyce zdarzało się, że trzeba było strzelać z rury TEC5 (wysokość ponad 200m), w tym przypadku taki obiektyw był po prostu niezbędny.

Budynek (odległość około 150 metrów)	Kamera termowizyjna Ti175	Kamera termowizyjna Ti175
	Kamera termowizyjna Ti395	Kamera termowizyjna Ti395 z matrycą (384x288), obiektyw wąskokątny 45mm
Dach (odległość około 50 metrów)	Kamera termowizyjna Ti175 z matrycą (160x120), obiektyw standardowy	Kamera termowizyjna Ti175 z matrycą (160x120), obiektyw wąskokątny 45mm
	Kamera termowizyjna Ti395 z matrycą (384x288), obiektyw standardowy	Kamera termowizyjna

Promieniowanie podczerwone jest powodowane przez fluktuacje ładunków elektrycznych, z których składa się każda substancja, z której składają się obiekty przyrody ożywionej i nieożywionej, czyli elektrony i jony. Drgania jonów tworzących substancję odpowiadają promieniowaniu o niskiej częstotliwości (promieniowaniu podczerwonemu) ze względu na znaczną masę oscylujących ładunków. Promieniowanie wynikające z ruchu elektronów może również mieć wysoką częstotliwość, która wytwarza promieniowanie w zakresie widzialnym i ultrafioletowym widma.

Elektrony są częścią atomów i są utrzymywane w pobliżu ich pozycji równowagi (jako część cząsteczek lub sieci krystalicznej) przez znaczne siły wewnętrzne. Wprawione w ruch doświadczają nieregularnego hamowania, a ich promieniowanie nabiera charakteru impulsów, tj. Charakteryzuje się spektrum o różnych długościach fal, wśród których znajdują się fale o niskiej częstotliwości, czyli promieniowanie podczerwone.

Promieniowanie podczerwone to promieniowanie elektromagnetyczne zajmujące obszar widmowy między końcem czerwonego obszaru światła widzialnego (o długości fali (λ) równej 0,74 μm i mikrofalowej emisji radiowej o długości fali 1 ... 2 mm.

W zakresie podczerwieni występują obszary, w których promieniowanie podczerwone jest intensywnie pochłaniane przez atmosferę ze względu na obecność w niej dwutlenku węgla, ozonu i pary wodnej.

Jednocześnie istnieją tzw. „okna przezroczystości” (zakres długości fal promieniowania optycznego, w którym absorpcja promieniowania IR przez ośrodek jest mniejsza w porównaniu z innymi zakresami). Wiele systemów podczerwieni (w tym niektóre noktowizory i kamery termowizyjne) jest skutecznych właśnie ze względu na istnienie takich „przezroczystych okien”. Oto kilka zakresów (długości fal podano w mikrometrach): 0,95…1,05, 1,2…1,3, 1,5…1,8, 2,1…2,4, 3,3…4,2, 4,5…5, 8…13.

Zakłócenia atmosferyczne (mgła, zamglenie, a także nieprzezroczystość atmosfery spowodowana dymem, smogiem itp.) wpływają na promieniowanie podczerwone w różny sposób w różnych częściach widma, ale wraz ze wzrostem długości fali wpływ tych zakłóceń maleje. Wynika to z faktu, że długość fali staje się porównywalna z wielkością kropel mgły i cząstek kurzu, przez co propagujące promieniowanie jest w mniejszym stopniu rozpraszane przez przeszkody i omija je na skutek dyfrakcji. Na przykład w zakresie spektralnym 8…13 µm mgła nie powoduje poważnych zakłóceń w propagacji promieniowania.

Każde ogrzane ciało emituje strumień promieniowania podczerwonego, czyli promieniowania optycznego o długości fali większej niż długość fali promieniowania widzialnego, ale mniejszej niż długość fali promieniowania mikrofalowego.

Przykład. Temperatura ciała człowieka wynosi 36,6°С, jego promieniowanie spektralne to 6…21 µm, metalowy pręt rozgrzany do 300°С emituje fale w zakresie od 2 do 6 µm. Jednocześnie spirala żarnika wolframowego podgrzana do temperatury 2400°C emituje 0,2…

1. mikronów, wpływając w ten sposób na widzialny obszar widma, który objawia się jasną poświatą.

Sfery cywilnego zastosowania termowizji

Urządzenia termowizyjne do użytku cywilnego są warunkowo podzielone na dwie duże grupy - urządzenia obserwacyjne i urządzenia pomiarowe. Pierwsza obejmuje sprzęt do systemów bezpieczeństwa i ochrony przeciwpożarowej, systemy termowizyjne do ochrony transportu, myśliwskie urządzenia termowizyjne i celowniki, kamery termowizyjne stosowane w kryminalistyce itp. Pomiarowe kamery termowizyjne znajdują zastosowanie w medycynie, energetyce, inżynierii mechanicznej i działalności naukowej.

Kilka przykładów. Według statystyk obowiązujących w większości regionów o rozwiniętej sieci transportowej ponad połowa wypadków śmiertelnych ma miejsce w nocy, podczas gdy większość kierowców korzysta z samochodu w ciągu dnia. To nie przypadek, że w ostatnich latach upowszechniła się praktyka wyposażania samochodów w kamerę termowizyjną, przekazującą na wyświetlacz znajdujący się w przedziale pasażerskim obraz temperatury sytuacji na drodze przed samochodem. W ten sposób kamera termowizyjna uzupełnia percepcję kierowcy, która z wielu powodów (ciemność, mgła, nadjeżdżające z naprzeciwka reflektorów) jest niedoskonała w nocy. W ten sam sposób kamery termowizyjne są wykorzystywane w monitoringu wizyjnym równolegle z cyfrowymi kamerami nocnymi (hybrydowy system monitoringu wizyjnego), co daje znacznie pełniejszy obraz natury i zachowania obiektów w kadrze. Ministerstwo Sytuacji Nadzwyczajnych stosuje kamery termowizyjne w przypadku pożaru - w warunkach zadymienia pomieszczenia kamera termowizyjna pomaga w wykryciu ludzi i źródeł spalania. Badanie okablowania elektrycznego pozwala wykryć wadę połączenia. Skanowanie termowizyjne obszarów leśnych z powietrza pomaga określić źródło pożaru.

Wreszcie przenośne kamery termowizyjne do noszenia są z powodzeniem stosowane w polowaniach (wykrywanie zwierząt, skuteczne poszukiwanie rannych zwierząt bez psa), przy prowadzeniu ilościowych inwentaryzacji zwierząt gospodarskich itp. W przyszłości rozważane będą termowizory z grupy urządzeń obserwacyjnych głównie do polowań.

Zasada działania kamery termowizyjnej

W praktyce inżynierskiej istnieją pojęcia przedmiotu i tła. Obiekt to zazwyczaj obiekty, które należy wykryć i zbadać (osoba, pojazdy, zwierzęta itp.), tło to wszystko inne nie zajmowane przez obiekt obserwacji, przestrzeń w polu widzenia urządzenia (las, trawa, budynki itp.)

Działanie wszystkich systemów termowizyjnych opiera się na ustaleniu różnicy temperatur pary „obiekt/tło” i zamianie otrzymanych informacji na obraz widoczny dla oka. W związku z tym, że wszystkie ciała wokół są nagrzewane nierównomiernie, powstaje pewien obraz rozkładu promieniowania podczerwonego. A im większa różnica w natężeniu promieniowania podczerwonego ciał obiektu i tła, tym bardziej rozpoznawalny, czyli kontrast, będzie obraz odbierany przez kamerę termowizyjną. Nowoczesne urządzenia termowizyjne są w stanie wykryć kontrast temperaturowy 0,015 ... 0,07 stopnia.

O ile zdecydowana większość noktowizorów opartych na lampach wzmacniających obraz lub CMOS/CCD wychwytuje promieniowanie podczerwone o długości fali z zakresu 0,78…1 μm, czyli tylko nieznacznie wyższej niż czułość ludzkiego oka, to główne zakres pracy urządzeń termowizyjnych wynosi 3…5,5 µm (podczerwień średniofalowa lub MWIR) i 8…14 µm (podczerwień długofalowa lub LWIR). To tutaj powierzchniowe warstwy atmosfery są przezroczyste dla promieniowania podczerwonego, a emisyjność obserwowanych obiektów o temperaturach od -50 do +50ºС jest maksymalna.

Kamera termowizyjna to elektroniczne urządzenie obserwacyjne, które buduje obraz różnicy temperatur w obserwowanym obszarze przestrzeni. Podstawą każdej kamery termowizyjnej jest matryca bolometryczna (czujnik), której każdy element (piksel) mierzy temperaturę z dużą dokładnością.

Zaletą kamer termowizyjnych jest to, że nie wymagają zewnętrznych źródeł oświetlenia - czujnik kamery termowizyjnej jest wrażliwy na własne promieniowanie obiektu. Dzięki temu kamery termowizyjne działają równie dobrze w dzień i w nocy, także w absolutnej ciemności. Jak wspomniano powyżej, złe warunki pogodowe (mgła, deszcz) nie powodują niemożliwych do pokonania zakłóceń w pracy termowizyjnej, jednocześnie czyniąc zwykłe urządzenia nocne całkowicie bezużytecznymi.

W uproszczeniu zasadę działania wszystkich kamer termowizyjnych opisuje następujący algorytm:

• Soczewka kamery termowizyjnej tworzy na czujniku mapę temperatury (lub mapę różnicy mocy promieniowania) całego obszaru obserwowanego w polu widzenia
• Mikroprocesor i inne elementy elektroniczne konstrukcji odczytują dane z matrycy, przetwarzają je i tworzą obraz na wyświetlaczu urządzenia, będący wizualną interpretacją tych danych, który obserwator widzi bezpośrednio lub przez okular.

W przeciwieństwie do noktowizorów opartych na lampach wzmacniających obraz (nazwijmy je analogowymi), termowizory, podobnie jak noktowizory cyfrowe, pozwalają na zaimplementowanie dużej liczby ustawień i funkcji użytkownika. Na przykład regulacja jasności, kontrastu obrazu, zmiana koloru obrazu, wprowadzanie różnych informacji w pole widzenia (aktualny czas, wskazanie niskiego poziomu baterii, ikony włączonych trybów itp.), dodatkowy zoom cyfrowy, „ funkcja „obraz w obrazie” (pozwala w osobnym małym „okienku” wyświetlić w polu widzenia dodatkowy obraz całego obiektu lub jego części, w tym powiększony), czasowe wyłączenie wyświetlacza (w celu zaoszczędzenia energii i zamaskuj obserwatora, eliminując blask wyświetlacza roboczego).

Aby utrwalić obraz obserwowanych obiektów, rejestratory wideo można zintegrować z kamerami termowizyjnymi. Istnieje możliwość realizacji takich funkcji jak bezprzewodowa (kanał radiowy, WI-FI) transmisja informacji (foto, wideo) do zewnętrznych odbiorników czy zdalne sterowanie urządzeniem (np. z urządzeń mobilnych), integracja z dalmierzami laserowymi (z wejściem informacji z dalmierzy w polu widzenia urządzenia), czujniki GPS (możliwość ustalenia współrzędnych obiektu obserwacji) itp.

Celowniki termowizyjne mają również szereg cech charakterystycznych w stosunku do „analogowych” celowników nocnych do polowań. Znak celowniczy w nich jest zwykle „cyfrowy”, tj. obraz znaku podczas przetwarzania sygnału wideo nakłada się na obraz obserwowany na wyświetlaczu i porusza się elektronicznie, co pozwala wykluczyć z kompozycji celownika mechaniczne zespoły do ​​wprowadzania poprawek, które są częścią nocnego analogu lub celowników dziennych i wymagają dużej precyzji w produkcji części i montażu tych jednostek. Dodatkowo eliminuje taki efekt jak paralaksa, ponieważ. obraz przedmiotu obserwacji i obraz celownika znajdują się w tej samej płaszczyźnie - płaszczyźnie wyświetlacza.

W celownikach cyfrowych i termowizyjnych można zaimplementować w pamięci przechowywanie dużej liczby siatek o różnych konfiguracjach i kolorach, wygodne i szybkie zerowanie za pomocą „celowania jednym strzałem” lub „zerowania w trybie zamrożenia”, funkcja automatycznej korekty przy zmiana odległości strzelania, zapamiętywanie współrzędnych zerowania dla kilku broni, wskazanie nachylenia (przesłonięcia) celownika i wiele więcej.

Urządzenie termowizyjne.

Obiektyw. Najpopularniejszym, ale nie jedynym materiałem do produkcji soczewek do urządzeń termowizyjnych jest monokryształ germanu. Do pewnego stopnia szafir, selenek cynku, krzem i polietylen również mają szerokość pasma w pasmach MWIR i LWIR. Szkła chalkogenkowe są również wykorzystywane do produkcji soczewek do urządzeń termowizyjnych.

German optyczny charakteryzuje się wysoką zdolnością transmisji, a co za tym idzie niskim współczynnikiem absorpcji w zakresie 2…15 µm. Warto przypomnieć, że zakres ten obejmuje dwa atmosferyczne „okna przezroczystości” (3…5 i 8…12 µm). Większość czujników stosowanych w cywilnych urządzeniach termowizyjnych działa w tym samym zakresie.

German jest materiałem drogim, dlatego układy optyczne staramy się wytwarzać z minimalnej ilości komponentów germanowych. Czasami stosuje się lustra o powierzchniach sferycznych lub asferycznych, aby obniżyć koszt konstrukcji obiektywu. Aby chronić zewnętrzne powierzchnie optyczne przed wpływami zewnętrznymi, stosuje się powłokę opartą na węglu diamentopodobnym (DLC) lub analogach.

Do produkcji soczewek do urządzeń termowizyjnych nie stosuje się klasycznego szkła optycznego, ponieważ nie ma ono szerokości pasma przy długości fali większej niż 4 mikrony.

Konstrukcja obiektywu i jego parametry mają istotny wpływ na możliwości danego urządzenia termowizyjnego. Więc, ogniskowa obiektywu ma bezpośredni wpływ na powiększenie urządzenia (im większe skupienie, tym większe, ceteris paribus, powiększenie), pole widzenia (maleje wraz ze wzrostem ostrości) oraz zakres obserwacji. Względna przysłona obiektywu, obliczony jako iloraz średnicy soczewki do ogniska, charakteryzuje względną ilość energii, która może przejść przez soczewkę. Względny wskaźnik apertury wpływa na czułość, a także rozdzielczość temperaturową urządzenia termowizyjnego.

Efekty wizualne, takie jak winietowanie i efekt narcyza, również wynikają z konstrukcji obiektywu i są do pewnego stopnia wspólne dla wszystkich urządzeń termowizyjnych.

Czujnik. Elementem światłoczułym urządzenia termowizyjnego jest dwuwymiarowa wieloelementowa matryca fotodetektorów (FPA) wykonana na bazie różnych materiałów półprzewodnikowych. Istnieje sporo technologii wytwarzania elementów czułych na podczerwień, jednak w cywilnych urządzeniach termowizyjnych można zauważyć zdecydowaną przewagę bolometrów (mikrobolometrów).

Mikrobolometr jest odbiornikiem energii IR, którego działanie opiera się na zmianie przewodności elektrycznej czułego elementu podczas jego nagrzewania w wyniku pochłaniania promieniowania. Mikrobolometry dzielą się na dwie podklasy, w zależności od tego, czy używany jest materiał czuły na podczerwień, tlenek wanadu (VOx) czy krzem amorficzny (α-Si).

Wrażliwy materiał pochłania promieniowanie podczerwone, w wyniku czego zgodnie z prawem zachowania energii wrażliwy obszar piksela (pojedynczy fotodetektor w matrycy) mikrobolometru nagrzewa się. Zmienia się wewnętrzna przewodność elektryczna materiału, a zmiany te są rejestrowane. Efektem końcowym jest monochromatyczna lub kolorowa wizualizacja obrazu temperatury na wyświetlaczu urządzenia. Należy zauważyć, że kolor, w jakim wyświetlany jest obraz temperatury na wyświetlaczu, zależy całkowicie od działania części programowej termowizora.

Na zdjęciu: Matryca mikrobolometryczna Ulis (czujnik)

Produkcja matryc mikrobolometrycznych jest procesem naukowo-zaawansowanym, zaawansowanym technologicznie i kosztownym. Tylko kilka firm i krajów na świecie może sobie pozwolić na utrzymanie takiej produkcji.

Producenci czujników termowizyjnych (mikrobolometrów), w swoich dokumentach regulujących jakość czujników, dopuszczają obecność na czujniku zarówno pojedynczych pikseli, jak i ich skupisk (klastrów), które mają odchylenia sygnału wyjściowego podczas normalnej pracy – tzw. „martwe” lub „uszkodzone” piksele . „Zepsute” piksele są wspólne dla czujników dowolnego producenta. Ich obecność tłumaczy się różnymi odchyleniami, które mogą wystąpić podczas produkcji mikrobolometru, a także obecnością obcych zanieczyszczeń w materiałach, z których wykonane są wrażliwe elementy. Podczas pracy urządzenia termowizyjnego wzrasta temperatura wewnętrzna pikseli, a piksele niestabilne w stosunku do wzrostu temperatury („zepsute”) zaczynają generować sygnał, który może różnić się kilkakrotnie od sygnału prawidłowo działających pikseli. Na wyświetlaczu termowizora takie piksele mogą pojawiać się jako białe lub czarne kropki (w przypadku pojedynczych pikseli) lub plamki o różnej konfiguracji, wielkości (w przypadku klastrów) i jasności (bardzo jasne lub bardzo ciemne). Obecność takich pikseli w żaden sposób nie wpływa na trwałość sensora i nie jest powodem pogorszenia jego parametrów w użytkowaniu w przyszłości. W rzeczywistości jest to tylko „kosmetyczna” wada obrazu.

Producenci kamer termowizyjnych stosują różne algorytmy oprogramowania do przetwarzania sygnału z uszkodzonych pikseli, aby zminimalizować ich wpływ na jakość i widoczność obrazu. Istotą przetwarzania jest zastąpienie sygnału z uszkodzonego piksela sygnałem z sąsiedniego (najbliższego) normalnie funkcjonującego piksela lub uśrednionym sygnałem z kilku sąsiednich pikseli. W wyniku takiego przetwarzania wadliwe piksele z reguły stają się prawie niewidoczne na obrazie.

W pewnych warunkach obserwacji nadal można zaobserwować obecność skorygowanych wadliwych pikseli (zwłaszcza klastrów), na przykład, gdy granica między ciepłymi i zimnymi obiektami wejdzie w pole widzenia termowizora, a tym samym, gdy granica ta mieści się dokładnie między klastrem uszkodzonych pikseli a normalnie działającymi pikselami. Kiedy te warunki się pokrywają, skupisko uszkodzonych pikseli jest postrzegane jako plamka mieniąca się białymi i ciemnymi kolorami, a przede wszystkim przypomina kroplę płynu na obrazie. Należy zauważyć, że obecność takiego efektu nie jest oznaką wadliwego urządzenia termowizyjnego.

Blok elektronicznego przetwarzania. Zazwyczaj jednostka przetwarzania elektronicznego składa się z jednej lub więcej płytek (w zależności od układu urządzenia), na których znajdują się wyspecjalizowane mikroukłady przetwarzające sygnał odczytany z czujnika, a następnie przesyłający sygnał na wyświetlacz, gdzie obraz powstaje rozkład temperatury obserwowanego obszaru. Główne elementy sterujące urządzenia znajdują się na płytkach, a także zaimplementowany jest obwód zasilania, zarówno dla urządzenia jako całości, jak i dla poszczególnych obwodów obwodu.

Mikrowyświetlacz i okular. W związku z tym, że większość myśliwskich kamer termowizyjnych korzysta z mikrowyświetlaczy, do obserwacji obrazu wykorzystywany jest okular, który działa jak szkło powiększające i pozwala wygodnie oglądać obraz w powiększeniu.

Najczęściej stosowane wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD) to wyświetlacze transmisyjne (tylna strona wyświetlacza jest oświetlona źródłem światła) lub wyświetlacze OLED (po przejściu prądu elektrycznego substancja wyświetlacza zaczyna emitować światło).

Zastosowanie wyświetlaczy OLED ma szereg zalet: możliwość pracy urządzenia w niższych temperaturach, wyższa jasność i kontrast obrazu, prostsza i bardziej niezawodna konstrukcja (nie ma źródła podświetlenia wyświetlacza, jak w wyświetlaczach LCD). Oprócz wyświetlaczy LCD i OLED można zastosować mikrowyświetlacze LCOS (Liquid Crystal on Silicone), które są rodzajem odblaskowych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych.

GŁÓWNE PARAMETRY URZĄDZEŃ TERMICZNYCH

ZWIĘKSZYĆ.Charakterystyka pokazuje, ile razy obraz obiektu obserwowanego w urządzeniu jest większy w porównaniu z obserwacją obiektu gołym okiem. Jednostka miary - wielokrotność (oznaczenie„x”, na przykład „2x” - „dwa razy”).

W przypadku urządzeń termowizyjnych typowe powiększenia wynoszą od 1x do 5x, ponieważ Głównym zadaniem urządzeń nocnych jest wykrywanie i rozpoznawanie obiektów przy słabym oświetleniu i złych warunkach pogodowych. Zwiększenie powiększenia w urządzeniach termowizyjnych prowadzi do znacznego zmniejszenia całkowitej apertury urządzenia, w wyniku czego obraz obiektu będzie mniej kontrastowy względem tła niż w podobnym urządzeniu o mniejszym powiększeniu. Spadek przesłony wraz ze wzrostem powiększenia można zrekompensować wzrostem średnicy światła obiektywu, ale to z kolei doprowadzi do zwiększenia gabarytów i masy urządzenia, komplikując optykę, co zmniejsza ogólna użyteczność urządzeń przenośnych i znacząco podnosi cenę urządzenia termowizyjnego. Jest to szczególnie ważne w przypadku lunet, ponieważ użytkownicy dodatkowo muszą trzymać broń w dłoniach. Przy dużym powiększeniu pojawiają się również trudności w odnalezieniu i śledzeniu obiektu obserwacji, zwłaszcza gdy obiekt jest w ruchu, gdyż wraz ze wzrostem powiększenia pole widzenia maleje.

O powiększeniu decydują ogniskowe obiektywu i okularu oraz współczynnik powiększenia (K), równy stosunkowi fizycznych wymiarów (przekątnych) wyświetlacza i czujnika:

gdzie:

Fo- ogniskowa obiektywu

Fok- ogniskowa okularu

LZ- rozmiar przekątnej czujnika

LD- rozmiar przekątnej wyświetlacza.

ZALEŻNOŚCI:

Im dłuższa ogniskowa obiektywu, rozmiar wyświetlacza, tym większe powiększenie.

Im większa ogniskowa okularu, rozmiar matrycy, tym wzrost jest mniejszy.

LINIA WZROKU. Charakteryzuje wielkość przestrzeni, którą można jednocześnie oglądać przez urządzenie. Zazwyczaj pole widzenia w parametrach urządzeń jest podawane w stopniach (kąt pola widzenia na poniższym rysunku jest oznaczony jako 2Ѡ) lub w metrach dla określonej odległości (L) od obiektu obserwacji (liniowa pole widzenia na rysunku jest oznaczone jako A).

Pole widzenia cyfrowych noktowizorów i urządzeń termowizyjnych jest określane przez skupienie obiektywu (fob) oraz fizyczny rozmiar sensora (B). Zazwyczaj przy obliczaniu pola widzenia za wielkość czujnika przyjmuje się szerokość (wielkość w poziomie), w wyniku czego uzyskuje się kątowe pole widzenia poziome:

Znając wielkość czujnika w pionie (wysokość) i po przekątnej można również obliczyć kątowe pole widzenia urządzenia w pionie lub po przekątnej.

Nałóg:

Im większy rozmiar czujnika lub mniejsza ostrość obiektywu, tymwiększe pole widzenia.

Im większe pole widzenia urządzenia, tym wygodniej jest obserwować obiekty – nie ma potrzeby ciągłego przesuwania urządzenia w celu obejrzenia obszaru zainteresowania.

Ważne jest, aby zrozumieć, że pole widzenia jest odwrotnie proporcjonalne do wzrostu - wraz ze wzrostem powiększenia urządzenia jego pole widzenia maleje. Jest to również jeden z powodów, dla których systemy na podczerwień (w szczególności termowizory) nie są produkowane z dużym powiększeniem. Jednocześnie musisz zrozumieć, że wraz ze wzrostem pola widzenia zmniejszy się odległość wykrywania i rozpoznawania.

SZYBKOŚĆ ODŚWIEŻANIA RAMKI. Jedną z głównych cech technicznych urządzenia termowizyjnego jest częstotliwość odświeżania klatek. Z punktu widzenia użytkownika jest to liczba klatek pokazywanych na wyświetlaczu w ciągu jednej sekundy. Im wyższa częstotliwość odświeżania, tym mniej zauważalny jest efekt „opóźnienia” obrazu generowanego przez termowizor w stosunku do rzeczywistej sceny. Tak więc podczas obserwowania dynamicznych scen za pomocą urządzenia z częstotliwością odświeżania 9 klatek na sekundę obraz może wydawać się rozmazany, a ruchy poruszających się obiektów mogą być opóźnione, z „szarpnięciami”. I odwrotnie, im wyższa częstotliwość odświeżania klatek, tym płynniejsze będzie wyświetlanie dynamicznych scen.

POZWOLENIE. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA ROZDZIELCZOŚĆ.

Na rozdzielczość decydują parametry elementów optycznych urządzenia, czujnika, wyświetlacza, jakość rozwiązań obwodów zaimplementowanych w urządzeniu, a także zastosowane algorytmy przetwarzania sygnału. Rozdzielczość urządzenia termowizyjnego (rozdzielczość) jest złożonym wskaźnikiem, którego składowymi są temperatura i rozdzielczość przestrzenna. Rozważmy każdy z tych elementów osobno.

Rozdzielczość temperatury(czułość; minimalna wykrywalna różnica temperatur) to graniczny stosunek sygnału obiektu obserwacji do sygnału tła, uwzględniający szum czułego elementu (czujnika) kamery termowizyjnej. Wysoka rozdzielczość temperaturowa oznacza, że ​​termowizor będzie w stanie wyświetlić obiekt o określonej temperaturze na tle o podobnej temperaturze, a im mniejsza różnica między temperaturą obiektu a tłem, tym wyższa rozdzielczość temperaturowa.

Rozkład przestrzenny charakteryzuje zdolność urządzenia do oddzielnego wyświetlania dwóch blisko siebie rozmieszczonych punktów lub linii. W charakterystyce technicznej urządzenia ten parametr można zapisać jako „rozdzielczość”, „granica rozdzielczości”, „maksymalna rozdzielczość”, co w zasadzie jest tym samym.

Najczęściej rozdzielczość urządzenia charakteryzuje rozdzielczość przestrzenną mikrobolometru, ponieważ elementy optyczne urządzenia zwykle mają margines rozdzielczości.

Z reguły rozdzielczość jest podawana w kreskach (liniach) na milimetr, ale może być również podawana w jednostkach kątowych (sekundy lub minuty).

Im wyższa wartość rozdzielczości w pociągnięciach (liniach) na milimetr i im niższa wartość kątowa, tym wyższa rozdzielczość. Im wyższa rozdzielczość urządzenia, tym wyraźniejszy obraz widzi obserwator.

Do pomiaru rozdzielczości kamer termowizyjnych stosuje się specjalny sprzęt - kolimator, który tworzy imitację obrazu specjalnego obiektu testowego - przerywanego świata termicznego. Patrząc na obraz testowanego obiektu przez urządzenie ocenia się rozdzielczość kamery termowizyjnej - im mniejsze kreski światów można wyraźnie zobaczyć oddzielnie od siebie, tym wyższa rozdzielczość urządzenia.

Obraz: Różne opcje świata termicznego (widok w urządzeniu termowizyjnym)

Rozdzielczość instrumentu zależy od rozdzielczości obiektywu i okularu. Soczewka tworzy obraz obserwowanego obiektu w płaszczyźnie czujnika, a w przypadku niewystarczającej rozdzielczości obiektywu dalsza poprawa rozdzielczości urządzenia jest niemożliwa. W ten sam sposób okular niskiej jakości może „zepsuć” najczystszy obraz tworzony przez elementy instrumentu na wyświetlaczu.

Rozdzielczość urządzenia zależy również od parametrów wyświetlacza, na którym tworzony jest obraz. Podobnie jak w przypadku sensora decydujące znaczenie ma rozdzielczość wyświetlacza (liczba pikseli) oraz ich wielkość. Gęstość pikseli na wyświetlaczu charakteryzuje się takim wskaźnikiem jak PPI (skrót od angielskiego „pixels per inch”) - jest to wskaźnik, który wskazuje liczbę pikseli na cal powierzchni.

W przypadku bezpośredniego transferu obrazu (bez skalowania) z matrycy na wyświetlacz, rozdzielczości obu powinny być takie same. W takim przypadku wykluczone jest zmniejszenie rozdzielczości urządzenia (jeśli rozdzielczość wyświetlania jest mniejsza niż rozdzielczość czujnika) lub nieuzasadnione użycie drogiego wyświetlacza (jeśli rozdzielczość wyświetlania jest wyższa niż rozdzielczość czujnika).

Parametry czujnika mają duży wpływ na rozdzielczość urządzenia. Przede wszystkim jest to rozdzielczość bolometru - całkowita liczba pikseli (najczęściej wskazywana jako iloczyn pikseli w linii iw kolumnie) oraz wielkość piksela. Te dwa kryteria zapewniają główny wynik rozdzielczości.

NAŁÓG:

Im większa liczba pikseli i im mniejszy ich rozmiar, tym wyższaRezolucja.

To stwierdzenie jest prawdziwe dla tego samego rozmiaru fizycznegoczujniki. Czujnik o gęstości pikseli na jednostkę powierzchniwiększy, ma wyższą rozdzielczość.

Urządzenia termowizyjne mogą również wykorzystywać różne algorytmy przetwarzania sygnału, które mogą wpływać na ogólną rozdzielczość urządzenia. Przede wszystkim mówimy o „cyfrowym zoomie”, kiedy obraz tworzony przez matrycę jest cyfrowo przetwarzany i „przenoszony” na wyświetlacz z pewnym wzrostem. W takim przypadku ogólna rozdzielczość urządzenia jest zmniejszona. Podobny efekt można zaobserwować w aparatach cyfrowych podczas korzystania z funkcji „cyfrowego zoomu”.

Oprócz czynników wymienionych powyżej istnieje kilka innych czynników, które mogą zmniejszyć rozdzielczość urządzenia. Przede wszystkim są to różnego rodzaju „szumy”, które zniekształcają użyteczny sygnał, a w efekcie obniżają jakość obrazu. Można wyróżnić następujące rodzaje hałasu:

Ciemny szum sygnału. Główną przyczyną tego szumu jest termionowa emisja elektronów (spontaniczna emisja elektronów w wyniku nagrzewania się materiału czujnika). Im niższa temperatura, tym niższy sygnał ciemny, tj. mniej hałasu, aby wyeliminować ten hałas, stosuje się przesłonę (namiot) i kalibrację mikrobolometru.

Czytaj szum. Gdy sygnał zgromadzony w pikselu czujnika jest wyprowadzany z czujnika, konwertowany na napięcie i wzmacniany, w każdym elemencie pojawia się dodatkowy szum, zwany szumem odczytu. Do zwalczania szumów stosuje się różne algorytmy oprogramowania do przetwarzania obrazu, które często nazywane są algorytmami redukcji szumów.

Oprócz szumu, rozdzielczość może być znacznie zmniejszona przez zakłócenia spowodowane błędami układu urządzenia (wzajemne rozmieszczenie płytek drukowanych i przewodów łączących, kabli wewnątrz urządzenia) lub z powodu błędów w prowadzeniu PCB (wzajemne rozmieszczenie torów przewodzących, obecność i jakość warstw ekranujących ). Również błędy w obwodzie elektrycznym urządzenia, niewłaściwy dobór elementów radiowych do wykonania różnych filtrów oraz zasilanie obwodów elektrycznych urządzenia również mogą powodować zakłócenia. Dlatego rozwój obwodów elektrycznych, pisanie oprogramowania do przetwarzania sygnałów, trasowanie płytek to ważne i złożone zadania przy projektowaniu urządzeń termowizyjnych.

ZAKRES OBSERWACJI.

Zasięg obserwacji obiektu za pomocą termowizora zależny jest od połączenia dużej liczby czynników wewnętrznych (parametry czujnika, części optycznej i elektronicznej urządzenia) oraz warunków zewnętrznych (różne cechy obserwowanego obiektu, tło, czystość atmosfery i tak dalej).

Najbardziej odpowiednim podejściem do opisu zasięgu obserwacji jest jej podział na zakresy detekcji, rozpoznawania i identyfikacji, szczegółowo opisane w różnych źródłach, według zasad określonych przez tzw. kryterium Johnsona, zgodnie z którym zakres obserwacji jest bezpośrednio powiązany z temperaturą i rozdzielczością przestrzenną termowizora.

Do dalszego rozwinięcia tematu wymagane jest wprowadzenie pojęcia wielkości krytycznej obiektu obserwacji. Za wielkość krytyczną uważa się wielkość, wzdłuż której analizowany jest obraz obiektu w celu zidentyfikowania jego charakterystycznych cech geometrycznych. Często jako krytyczny przyjmuje się minimalny widoczny rozmiar obiektu, wzdłuż którego przeprowadzana jest analiza. Na przykład w przypadku dzika lub sarny wysokość ciała można uznać za wielkość krytyczną, dla osoby - wzrost.

Zakres, w którym krytyczny rozmiar określonego obiektu obserwacji mieści się w 2 lub więcej pikselach czujnika kamery termowizyjnej, jest uważany za zasięg wykrywania. Fakt wykrycia po prostu pokazuje obecność tego obiektu w pewnej odległości, ale nie daje wyobrażenia o jego cechach (nie pozwala powiedzieć, jaki to jest obiekt).

Fakt uznanie obiekt, rozpoznawana jest umiejętność określenia rodzaju obiektu. Oznacza to, że obserwator jest w stanie odróżnić to, co w danej chwili obserwuje – osobę, zwierzę, samochód i tak dalej. Ogólnie przyjmuje się, że rozpoznanie jest możliwe pod warunkiem, że krytyczny rozmiar obiektu mieści się na co najmniej 6 pikselach czujnika.

Z punktu widzenia aplikacji myśliwskiej największą praktyczną użytecznością jest: zakres identyfikacji. Poprzez identyfikację rozumie się, że obserwator jest w stanie ocenić nie tylko rodzaj obiektu, ale także zrozumieć jego charakterystyczne cechy (na przykład samiec dzika o długości 1,2 m i wysokości 0,7 m). Aby spełnić ten warunek, konieczne jest, aby krytyczny rozmiar obiektu był zakryty przez co najmniej 12 pikseli czujnika.

Ważne jest, aby zrozumieć, że we wszystkich tych przypadkach mówimy o 50% prawdopodobieństwie wykrycia, rozpoznania lub zidentyfikowania obiektu na danym poziomie. Im więcej pikseli nakłada się na krytyczny rozmiar obiektu, tym większe prawdopodobieństwo wykrycia, rozpoznania lub identyfikacji.

WYJŚCIE Z USUWANIA UCZNIÓW- jest to odległość od zewnętrznej powierzchni ostatniej soczewki okularu do płaszczyzny źrenicy oka obserwatora, przy której obserwowany obraz będzie najbardziej optymalny (maksymalne pole widzenia, minimalna dystorsja). Ten parametr jest najważniejszy dla przyrządów celowniczych, w których usunięcie źrenicy wyjściowej powinno wynosić co najmniej 50 mm (optymalnie - 80-100 mm). Tak duże usunięcie źrenicy wyjściowej jest konieczne, aby zapobiec zranieniu strzelca przez okular celownika podczas odrzutu. Z reguły w noktowizorach i kamerach termowizyjnych odległość źrenicy wyjściowej jest równa długości muszli ocznej, co jest niezbędne do maskowania poświaty wyświetlacza w nocy.

KALIBRACJA CZUJNIKA TERMICZNEGO

Kalibracja urządzenia termowizyjnego dzieli się na kalibrację fabryczną i użytkownika. Proces produkcji urządzeń termowizyjnych opartych na niechłodzonych czujnikach przewiduje fabryczną kalibrację urządzenia (pary „soczewka – czujnik”) za pomocą specjalnego sprzętu.

Możesz zapoznać się z nowymi modelami kamer termowizyjnych PULSAR i dokonać świadomego wyboru.