Lentila de termoviziune. Lentile IR

Dezvoltarea, calculul și producerea de lentile în infraroșu (IR) pentru sistemele de termoviziune care funcționează în intervalele 3… 5 și 8… 12 µm, precum și pentru senzorii optici care funcționează în gama IR, reprezintă un domeniu important al companiei. activitate. Compania proiectează și produce lentile cu infraroșu (IR) (inclusiv lentile termice), atât în ​​serie într-un design standard, cât și conform specificațiilor clientului și, de asemenea, calculează și produce alte ansambluri optice pentru echipamente IR, inclusiv:

• lentile de termoviziune pentru camere termice nerăcite bazate pe matrici microbolometrice din gama de 8 ... 12 microni. Acesta este cel mai comun tip de sisteme datorită intervalului spectral eficient pentru transmiterea unei imagini termice, caracterului practic optim al receptoarelor cu matrice care nu necesită răcire și o diafragmă rece, precum și nivelului de preț relativ scăzut al unui astfel de dispozitiv;
• lentile de termoviziune pentru camere termice răcite care funcționează în intervalul de 3 ... 5 microni. Pe baza unor astfel de sisteme, camerele termice sunt create cu o combinație sporită de cerințe pentru caracteristici și design. Acesta este cel mai complex tip de sisteme în infraroșu, dar în același timp are cele mai bune capacități de detectare și identificare a obiectelor de observație;
• Lentile IR pentru senzori cu un singur element și cu mai multe elemente care funcționează în intervalele IR medii și apropiate, în principal 3 ... 5 microni. De obicei, acestea sunt sisteme simple, care includ optică IR simplă și un senzor, a cărui sarcină principală este de a genera un semnal și nu de a transmite o imagine.

Lentilele cu infraroșu sunt utilizate în sistemele de imagini termice din diferite clase:

• apărare (aparate termice purtabile și staționare, obiective de termoviziune, stații de localizare optică, dispozitive de desemnare a țintelor și obiective pentru vehicule terestre);
• tehnologice (dispozitive de control termic în scopuri tehnologice și de construcții, pirometre);
• pentru asigurarea securității (camere termice pentru control perimetral, frontiere, sisteme de protecție împotriva incendiilor).

În funcție de sarcinile stabilite, dezvoltăm lentile cu infraroșu (IR) din toate clasele specificate, printre care se remarcă lentilele IR atermice. Optica IR pentru camerele termice cu rază medie și lungă de acțiune are propria sa specificitate, exprimată în caracteristicile caracteristicilor termo-optice ale materialelor optice utilizate, cum ar fi monocristale de germaniu, siliciu, selenidă policristalină și sulfură de zinc, monocristale. a fluorurilor metalice. În cele mai multe cazuri, o lentilă IR conține lentile din germaniu, care are un coeficient de temperatură ridicat și neliniar al indicelui de refracție. Având în vedere acest lucru, optica IR este susceptibilă la defocalizare atunci când temperatura se schimbă, iar una dintre soluțiile problemei este un design compensat cu temperatură care mută lentila sau grupul de lentile în raport cu receptorul în funcție de temperatură. Puține companii oferă lentile termice datorită design-urilor complexe folosite adesea în medii dure mecanice și șoc. În conformitate cu termenii dumneavoastră de referință, vom calcula și vom dezvolta o lentilă IR atermică la comandă. Optica pentru o cameră de imagine termică este proiectată și fabricată în diferite modele cu utilizarea de acoperiri de protecție extra dure, design OEM, cu un design ușor.

Am nevoie de lentile suplimentare pentru o cameră termică?

Atunci când cumpără o termocamera, fiecare își pune această întrebare și îi răspunde singur, ghidându-se după informațiile disponibile. La noi, vom încerca să extindem cantitatea acestor informații, astfel încât alegerea cumpărătorului să fie mai rezonabilă.

Deci, de ce aveți nevoie de lentile/lentile suplimentare?
Calitatea imaginii depinde de mai mulți parametri, dar în primul rând de calitatea matricei de termoviziune, de sensibilitatea și dimensiunea acesteia, precum și de parametrii lentilei.
În primul rând, caracteristicile tehnice ale matricei de termoviziune și ale obiectivului sunt cele care determină calitatea imaginii. De regulă, nu este posibilă schimbarea matricei cu una mare, așa că rămân doar lentile interschimbabile sau suplimentare, care cresc calitatea imaginii. Sunt destul de sceptic cu privire la afirmațiile că deficiențele matricei și ale lentilei pot fi rezolvate cu ajutorul unei procesări software suplimentare și, astfel, obținem mai mult decât este posibil din hardware.

De exemplu:
Matricea de 384x288 cu un obiectiv de 20⁰ oferă o rezoluție spațială de 0,91 mrad. O matrice de 160x120 cu aceeași lentilă de 20⁰ oferă o rezoluție de 2,2 mrad.
Cu alte cuvinte, la o distanta de 100 de metri, o termocamera cu matrice de 384x288 poate distinge un obiect de dimensiunea 9,1x9,1 cm, in timp ce pentru o matrice de 160x120, obiectul minim trebuie sa aiba dimensiuni de minim 22x22 cm!
Posibilitatea de a obține o rezoluție de 9x9 cm sună foarte optimist, în ciuda faptului că calitatea originalului, chiar și a sutelor de imagini, nu este mai bună de 22x22 cm.
Evident, opțiunea „super-rezoluție” poate îmbunătăți ușor calitatea imaginii, mai ales în cazul strângerii mâinii „naturale”, dar posibilitatea de a face o minune prin dublarea rezoluției rămâne cel puțin îndoită.

Aceasta lasă o modalitate naturală de a extinde raza efectivă sau zona de vedere - lentile suplimentare. Obiectivul standard este oferit opțional cu două lentile - unghi larg și unghi îngust.

Lentile cu unghi larg Utilizat de obicei atunci când trebuie să capturați o zonă mare de la o distanță relativ scurtă. Nu este la fel de populară ca cea cu unghi îngust, deoarece puteți combina întotdeauna o serie de fotografii standard într-o imagine panoramică, mai ales că un obiectiv cu unghi larg extinde zona de fotografiere reducând detaliile, iar acest lucru se potrivește pentru puțini.

Obiectiv cu unghi îngust (teleobiectiv). folosit în cazul în care detaliile ridicate sunt importante pentru un obiect relativ mic la o distanță decentă. Aici, niciun truc software nu poate rezolva problema - aveți nevoie de un obiectiv special. În practica mea, a existat un caz în care a fost necesară supravegherea conductei TEC5 (înălțime peste 200m), în acest caz o astfel de lentilă era pur și simplu necesară.

Clădire (distanta aproximativ 150 de metri)	Termocamera Ti175	Termocamera Ti175
	Termocamera Ti395	Termocamera Ti395 cu matrice (384x288), obiectiv cu unghi îngust de 45 mm
Acoperiş (distanta aproximativ 50 de metri)	Termocamera Ti175 cu matrice (160x120), obiectiv standard	Termocamera Ti175 cu matrice (160x120), obiectiv cu unghi îngust de 45 mm
	Termocamera Ti395 cu matrice (384x288), obiectiv standard	Cameră termică

Radiația infraroșie este cauzată de fluctuațiile sarcinilor electrice care alcătuiesc orice substanță care alcătuiește obiectele de natură animată și neînsuflețită, și anume electroni și ioni. Vibrațiile ionilor care alcătuiesc substanța corespund radiațiilor de joasă frecvență (radiații infraroșii) datorită masei semnificative a sarcinilor vibrante. Radiația rezultată din mișcarea electronilor poate avea și o frecvență înaltă, care creează radiații în regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului.

Electronii sunt incluși în compoziția atomilor și sunt ținuți în apropierea poziției lor de echilibru (în compoziția moleculelor sau a unei rețele cristaline) de forțe interne semnificative. Când sunt puse în mișcare, experimentează o decelerare neregulată, iar radiația lor capătă caracter de impulsuri, adică. caracterizat printr-un spectru de lungimi de undă diferite, printre care se numără unde de joasă frecvență și anume radiația infraroșie.

Radiație infraroșie - radiație electromagnetică care ocupă regiunea spectrală dintre capătul regiunii roșii a luminii vizibile (cu o lungime de undă (λ) egală cu 0,74 microni și emisie radio cu microunde cu o lungime de undă de 1 ... 2 mm.

În domeniul infraroșu, există zone în care radiația infraroșie este absorbită intens de atmosferă datorită prezenței dioxidului de carbon, a ozonului și a vaporilor de apă în ea.

În același timp, există așa-numitele „ferestre de transparență” (gama de lungimi de undă a radiației optice în care există o absorbție mai mică a radiației IR de către mediu în comparație cu alte intervale). Multe sisteme cu infraroșu (inclusiv unele dispozitive de vedere pe timp de noapte și camere termice) sunt eficiente tocmai datorită existenței unor astfel de „ferestre de transparență”. Iată câteva intervale (lungimile de undă sunt indicate în micrometri): 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.

Interferența atmosferică (ceață, ceață, precum și opacitatea atmosferei din cauza fumului, smogului etc.) afectează radiația infraroșie în moduri diferite în diferite părți ale spectrului, dar odată cu creșterea lungimii de undă, efectul acestei interferențe scade. . Acest lucru se datorează faptului că lungimea de undă devine comparabilă cu dimensiunea picăturilor de ceață și a particulelor de praf, prin urmare, radiația care se propagă este mai puțin împrăștiată de obstacole și se îndoaie în jurul lor din cauza difracției. De exemplu, în intervalul spectral de 8 ... 13 microni, ceața nu interferează serios cu propagarea radiației

Orice corp încălzit emite un flux de radiații infraroșii, adică radiații optice cu o lungime de undă care este mai mare decât lungimea de undă a radiației vizibile, dar mai mică decât lungimea de undă a radiației cu microunde.

Exemplu. Temperatura corpului uman este de 36,6 ° C, radiația sa spectrală este în intervalul 6 ... 21 microni, o bară de metal încălzită la 300 ° C emite în intervalul de lungimi de undă de la 2 la 6 microni. În același timp, spirala unui filament de wolfram încălzit la o temperatură de 2400 ° C are o radiație de 0,2 ...

1. μm, afectând astfel regiunea vizibilă a spectrului, care se manifestă ca o strălucire strălucitoare.

Sfere de aplicare civilă a imaginilor termice

Dispozitivele de termoviziune pentru uz civil sunt împărțite în mod convențional în două grupuri mari - dispozitive de observare și dispozitive de măsurare. Primul include echipamente pentru sisteme de securitate și de securitate la incendiu, sisteme de termoviziune pentru securitatea transporturilor, dispozitive și obiective de termoviziune de vânătoare, termoviziere utilizate în criminalistică etc. Termofotografiile de măsurare sunt utilizate în medicină, energie, inginerie mecanică și activități științifice.

Cateva exemple. Potrivit statisticilor, ceea ce este valabil pentru majoritatea regiunilor cu o rețea de transport dezvoltată, mai mult de jumătate din accidentele mortale au loc noaptea, în timp ce majoritatea șoferilor folosesc mașina în timpul zilei. Nu întâmplător s-a răspândit în ultimii ani practica dotării mașinilor cu o cameră termică, transmițând imaginea de temperatură a situației de trafic din fața mașinii către display-ul situat în cabină. Astfel, termocamera completează percepția șoferului, care este imperfectă din mai multe motive (întuneric, ceață, faruri care se apropie de lumină) pe timp de noapte. La fel, camerele termice sunt folosite în supravegherea video în paralel cu camerele digitale de noapte (sistem hibrid de supraveghere video), ceea ce oferă o imagine mult mai completă a naturii și comportamentului obiectelor din cadru. Serviciile Ministerului pentru Situații de Urgență folosesc camere termice în caz de incendiu - într-o încăpere plină de fum, camera termică ajută la depistarea persoanelor și a surselor de ardere. Inspecția cablajului vă permite să detectați un defect de conectare. Scanarea imaginilor termice aeriene a zonelor forestiere ajută la identificarea sursei unui incendiu.

În cele din urmă, camerele termice portabile sunt utilizate cu succes în vânătoare (detecția animalelor, căutarea eficientă a animalelor rănite fără câine), atunci când se efectuează numărări cantitative ale animalelor etc. În viitor, vom lua în considerare termovizoarele din grupul de dispozitive de observare predominant din direcția de vânătoare.

Cum funcționează camera termică

În practica ingineriei, există concepte de obiect și fundal. Obiectul este de obicei obiecte care trebuie detectate și examinate (o persoană, vehicule, animale etc.), fundalul este tot ceea ce nu este ocupat de obiectul de observație, spațiul din câmpul vizual al dispozitivului ( pădure, iarbă, clădiri etc.)

Funcționarea tuturor sistemelor de termoviziune se bazează pe fixarea diferenței de temperatură a perechii „obiect/fond” și pe transformarea informațiilor primite într-o imagine vizibilă pentru ochi. Datorită faptului că toate corpurile din jur sunt încălzite neuniform, se formează o anumită imagine a distribuției radiației infraroșii. Și cu cât diferența de intensitate a radiației infraroșii a corpurilor obiectelor și a fundalului este mai mare, cu atât imaginea obținută de o cameră termică va fi mai distinsă, adică contrastantă. Dispozitivele moderne de termoviziune sunt capabile să detecteze un contrast de temperatură de 0,015... 0,07 grade.

În timp ce majoritatea covârșitoare a dispozitivelor de vedere pe timp de noapte care funcționează pe baza de tuburi intensificatoare de imagine (tuburi intensificatoare de imagine) sau matrice CMOS / CCD captează radiația infraroșie cu o lungime de undă în intervalul de 0,78 ... 1 micron, care este doar puțin mai mare decât Sensibilitatea ochiului uman, principala Intervalul de lucru al echipamentului de termoviziune este de 3 ... 5,5 µm (gamă infraroșu cu undă medie sau MWIR) și 8 ... 14 µm (gamă de infraroșu cu undă lungă sau LWIR). Aici straturile de suprafață ale atmosferei sunt transparente la radiația infraroșie, iar emisivitatea obiectelor observate cu temperaturi de la -50 la + 50 ° C este maximă.

O cameră termică este un dispozitiv electronic de observare care construiește o imagine a diferenței de temperatură în zona observată a spațiului. Baza oricărei camere termice este o matrice bolometrică (senzor), fiecare element (pixel) al căruia măsoară temperatura cu mare precizie.

Avantajul camerelor termice este că nu necesită surse externe de iluminare - senzorul unei camere termice este sensibil la radiația intrinsecă a obiectelor. Ca rezultat, camerele termice funcționează la fel de bine zi și noapte, inclusiv în întuneric absolut. După cum s-a menționat mai sus, condițiile meteorologice nefavorabile (ceață, ploaie) nu creează interferențe insurmontabile cu un dispozitiv de termoviziune, făcând, în același timp, dispozitivele convenționale de vedere pe timp complet inutile.

Simplificat, principiul de funcționare al tuturor camerelor termice este descris de următorul algoritm:

• Lentila camerei termice formează pe senzor o hartă a temperaturii (sau o hartă a diferenței de putere de radiație) a întregii zone observate în câmpul vizual
• Microprocesorul și alte componente electronice ale structurii citesc datele din matrice, le procesează și formează o imagine pe afișajul dispozitivului, care este o interpretare vizuală a acestor date, care este vizualizată de către observator direct sau prin ocular.

Spre deosebire de dispozitivele de vedere pe timp de noapte bazate pe convertoare electro-optice (să le numim analogice), aparatele de termoviziune, precum dispozitivele digitale de vedere pe timp de noapte, vă permit să implementați un număr mare de setări și funcții de utilizator. De exemplu, reglarea luminozității, contrastul imaginii, schimbarea culorii imaginii, introducerea diferitelor informații în câmpul vizual (ora curentă, indicația de descărcare a bateriei, pictograme ale modurilor activate etc.), zoom digital suplimentar, imagine în interior. funcția de imagine (permite într-o afișare separată într-o „fereastră” mică o imagine suplimentară a obiectului în întregime sau o parte a acestuia, inclusiv una mărită, în câmpul vizual, oprirea temporară a afișajului (pentru a economisi energie și maschează observatorul prin excluderea strălucirii afișajului de operare).

Pentru a capta imaginea obiectelor observate, aparatele de înregistrare video pot fi integrate în camerele termice. Puteți implementa funcții precum transmisia fără fir (canal radio, WI-FI) a informațiilor (foto, video) către receptoare externe sau controlul de la distanță a dispozitivului (de exemplu, de pe dispozitive mobile), integrarea cu telemetrul laser (cu intrarea de informații de la telemetru în câmpul vizual al dispozitivului), senzori GPS (capacitatea de a fixa coordonatele obiectului de observație), etc.

Obiectivele de imagine termică în raport cu obiectivele de noapte „analogice” pentru vânătoare au, de asemenea, o serie de caracteristici distinctive. Marca de țintire din ele este de obicei „digitală”, adică. imaginea marcajului în timpul procesării semnalului video este suprapusă peste imaginea observată pe afișaj și se deplasează electronic, ceea ce face posibilă excluderea din sfera vederii unităților mecanice pentru introducerea corecțiilor care fac parte din obiectivele optice analogice de noapte sau de zi și necesită o mare precizie în fabricarea pieselor și asamblarea acestor unități. În plus, acest lucru elimină efectul paralaxei, deoarece imaginea obiectului de observație și imaginea reticulului vizat sunt în același plan - planul afișajului.

În obiectivele digitale și termice, se poate implementa stocarea în memorie a unui număr mare de reticule cu configurații și culori diferite, o repunere la zero convenabilă și rapidă folosind funcțiile „reducere la zero într-o singură lovitură” sau „reducere la zero în modul Freeze”, funcția de automatizare. introducerea corecțiilor la modificarea distanței de tragere, memorarea coordonatelor de ochire pentru mai multe arme, indicarea înclinării (blocarea) vizorului și multe altele.

Dispozitiv dispozitiv de termoviziune.

Obiectiv. Cel mai comun, dar nu singurul material pentru fabricarea lentilelor pentru dispozitive de termoviziune este germaniul monocristalin. Într-o măsură sau alta, safirul, seleniura de zinc, siliciul și polietilena au capacitatea și în gamele MWIR și LWIR. Ochelarii de calcogenă sunt, de asemenea, folosiți pentru fabricarea lentilelor pentru dispozitivele de termoviziune.

Germaniul optic are o capacitate mare de transmisie și, în consecință, un coeficient de absorbție scăzut în intervalul 2 ... 15 microni. Merită să reamintim că această gamă acoperă două „ferestre de transparență” atmosferice (3 ... 5 și 8 ... 12 microni). Majoritatea senzorilor utilizați în dispozitivele de termoviziune civile funcționează în același interval.

Germaniul este un material scump, așa că încearcă să facă sisteme optice dintr-o cantitate minimă de componente de germaniu. Uneori, oglinzile cu suprafețe sferice sau asferice sunt folosite pentru a reduce costul proiectării lentilelor. Pentru a proteja suprafețele optice exterioare de influențele externe, se folosește o acoperire pe bază de carbon asemănător diamantului (DLC) sau analogi.

Sticla optică clasică nu este utilizată pentru fabricarea de lentile pentru dispozitive de termoviziune, deoarece nu are o lățime de bandă la o lungime de undă mai mare de 4 microni.

Designul lentilei și parametrii săi au un impact semnificativ asupra capacităților unui anumit dispozitiv de imagistică termică. Asa de, distanta focala a obiectivului afectează direct mărirea dispozitivului (cu cât focalizarea este mai mare, cu atât este mai mare, celelalte lucruri fiind egale, mărirea), câmpul vizual (scade odată cu creșterea focalizării) și intervalul de observare. Diafragma obiectivului, calculat ca coeficientul diametrului luminos al lentilei pentru focalizare, caracterizează cantitatea relativă de energie care poate trece prin lentilă. Raportul diafragmei afectează sensibilitatea, precum și temperatura - rezoluția dispozitivului de termoviziune.

Efectele vizuale precum vignetarea și efectul Narcis sunt, de asemenea, atribuite designului lentilelor și sunt mai mult sau mai puțin comune tuturor dispozitivelor de termoviziune.

Senzor. Elementul fotosensibil al dispozitivului de imagistică termică este o matrice bidimensională cu mai multe elemente de fotodetectoare (FPA) realizată pe baza diferitelor materiale semiconductoare. Există o mulțime de tehnologii pentru producerea de elemente sensibile la infraroșu, cu toate acestea, în dispozitivele de termoviziune pentru uz civil, se poate observa superioritatea covârșitoare a bolometrelor (microbolometre).

Un microbolometru este un receptor de energie de radiație infraroșie, a cărui acțiune se bazează pe o modificare a conductibilității electrice a unui element sensibil atunci când este încălzit datorită absorbției radiației. Microbolometrele sunt împărțite în două subclase, în funcție de materialul sensibil la IR, oxid de vanadiu (VOx) sau siliciu amorf (α-Si).

Materialul sensibil absoarbe radiația infraroșie, drept urmare, conform legii conservării energiei, zona sensibilă a pixelului (un singur fotodetector în matrice) a microbolometrului se încălzește. Conductivitatea electrică internă a materialului se modifică, iar aceste modificări sunt înregistrate. Rezultatul final este vizualizarea monocromă sau color a modelului de temperatură pe afișajul instrumentului. Trebuie remarcat faptul că culoarea în care este afișat modelul de temperatură pe afișaj depinde în întregime de funcționarea părții software a dispozitivului de termoviziune.

Pe imagine: matrice microbolometrică (senzor) a companiei Ulis

Producerea matricelor microbolometrice este un proces intensiv, de înaltă tehnologie și costisitor. Un număr limitat de companii și țări din lume își pot permite să mențină o astfel de producție.

Producătorii de senzori de imagine termică (microbolometre) în documentele lor care reglementează calitatea senzorilor, admit prezența pe senzor atât a pixelilor individuali, cât și a grupurilor lor (clustere), care au abateri ale semnalului de ieșire în timpul funcționării normale - așa-numitele " pixeli morți” sau „spărți”... Pixelii „rupți” sunt tipici pentru senzorii oricărui producător. Prezența lor se explică prin diverse abateri care pot apărea în timpul fabricării unui microbolometru, precum și prin prezența impurităților străine în materialele din care sunt fabricate elementele sensibile. Când un dispozitiv de imagistică termică este în funcțiune, temperatura intrinsecă a pixelilor crește, iar pixelii care sunt instabili la creșterea temperaturii („spărți”) încep să producă un semnal care poate diferi de multe ori de semnalul pixelilor care funcționează corect. Pe afișajul unui dispozitiv de termoviziune, astfel de pixeli pot apărea ca puncte albe sau negre (în cazul pixelilor individuali) sau pete de diferite configurații, dimensiuni (în cazul clusterelor) și luminozitate (foarte luminoase sau foarte întunecate). Prezența unor astfel de pixeli nu afectează în niciun fel durabilitatea senzorului și nu este un motiv pentru deteriorarea parametrilor acestuia, deoarece acesta este utilizat în viitor. De fapt, acesta este doar un defect „cosmetic” al imaginii.

Producătorii de camere termice folosesc diverși algoritmi software pentru procesarea semnalului de la pixeli defecte pentru a minimiza impactul acestora asupra calității și vizibilității imaginii. Esența procesării este înlocuirea unui semnal de la un pixel defect cu un semnal de la un pixel vecin (cel mai apropiat) funcțional normal sau un semnal mediu de la mai mulți pixeli vecini. Ca urmare a unei astfel de procesări, pixelii defecte, de regulă, devin aproape invizibili în imagine.

În anumite condiții de observare, este încă posibil să se vadă prezența pixelilor defecte corectați (în special clustere), de exemplu, atunci când granița dintre obiectele calde și reci intră în câmpul vizual al unui dispozitiv de termoviziune și, astfel, atunci când această limită exact se încadrează între un grup de pixeli defecte și pixeli care funcționează în mod normal. Când sunt îndeplinite aceste condiții, un grup de pixeli defecte este văzut ca o pată, strălucind cu culori albe și închise și, mai ales, seamănă cu o picătură de lichid din imagine. Este important de reținut că prezența unui astfel de efect nu este un semn de defectare a dispozitivului de termoviziune.

Unitate electronică de procesare. De obicei, unitatea electronică de procesare constă din una sau mai multe plăci (în funcție de configurația dispozitivului), pe care sunt amplasate microcircuite specializate, care procesează semnalul citit de la senzor și transmit în continuare semnalul către afișaj, unde o imagine a distribuţiei temperaturii zonei observate se formează. Principalele comenzi ale dispozitivului sunt situate pe plăci și, de asemenea, este implementat circuitul de alimentare cu energie, atât pentru dispozitivul în ansamblu, cât și pentru circuitele individuale ale circuitului.

Microdisplay și ocular. Datorită faptului că majoritatea aparatelor de termoviziune de vânătoare folosesc microdisplay-uri, pentru a observa imaginea se folosește un ocular, care funcționează ca o lupă și vă permite să vizualizați confortabil imaginea cu mărire.

Cele mai utilizate sunt afișajele cu cristale lichide (LCD) de tip transmisie (afișajul este iluminat pe spate de o sursă de lumină) sau afișajele OLED (când trece un curent electric, substanța afișajului începe să emită lumină).

Utilizarea ecranelor OLED are o serie de avantaje: capacitatea de a opera dispozitivul la temperaturi mai scăzute, luminozitate și contrast mai ridicate ale imaginii, un design mai simplu și mai fiabil (nu există nicio sursă de iluminare a ecranului, ca în ecranele LCD ). În plus față de afișajele LCD și OLED, pot fi utilizate micro afișaje LCOS (Liquid Crystal on Silicone), care sunt un tip de afișaje cu cristale lichide de tip reflectorizant.

PARAMETRII DE BAZĂ AI DISPOZITIVELOR TERMICĂ

CREȘTE.Caracteristica arată de câte ori imaginea obiectului observat în dispozitiv este mai mare în comparație cu observarea obiectului cu ochiul liber. Unitate de măsură - timpi (desemnare„X”, de exemplu, „2x” - „două krat”).

Pentru dispozitivele de termoviziune, măririle tipice sunt între 1x și 5x. sarcina principală a dispozitivelor de vedere pe timp de noapte este detectarea și recunoașterea obiectelor în condiții de lumină scăzută și vreme nefavorabilă. O creștere a măririi la dispozitivele de imagistică termică duce la o scădere semnificativă a luminozității generale a dispozitivului, drept urmare imaginea obiectului va fi mai puțin contrastantă față de fundal decât într-un dispozitiv similar cu o mărire mai mică. Scăderea luminozității cu creșterea măririi poate fi compensată de o creștere a diametrului optic al obiectivului, dar aceasta, la rândul său, va duce la o creștere a dimensiunilor totale și a greutății dispozitivului, complicație a opticii, care reduce gradul de utilizare general al dispozitivelor purtabile și crește semnificativ prețul unui dispozitiv de termoviziune. Acest lucru este deosebit de important pentru lunete, deoarece utilizatorii trebuie să țină suplimentar o armă în mâini. La o mărire mare, apar și dificultăți în găsirea și urmărirea obiectului de observație, mai ales dacă obiectul este în mișcare, deoarece cu creșterea măririi, câmpul vizual scade.

Mărirea este determinată de distanța focală a obiectivului și a ocularului, precum și de factorul de zoom (K), egal cu raportul dintre dimensiunile fizice (diagonalele) afișajului și senzorului:

Unde:

fdespre- distanta focala a obiectivului

fO.K- distanta focala a ocularului

LCu- dimensiunea diagonalei senzorului

Ld- dimensiunea diagonalei display-ului.

DEPENDENȚE:

Cu cât este mai mare distanța focală a obiectivului, dimensiunea afișajului, cu atât spor mai mult.

Cu cât distanța focală a ocularului este mai mare, cu atât dimensiunea senzorului, cu atât cresterea este mai mica.

LINIA DE VEDERE. Caracterizează dimensiunea spațiului care poate fi vizualizat simultan prin intermediul dispozitivului. De obicei, câmpul vizual în parametrii dispozitivelor este indicat în grade (unghiul câmpului vizual din figura de mai jos este desemnat ca 2Ѡ) sau în metri pentru o anumită distanță (L) până la obiectul de observație (la câmpul vizual liniar din figură este desemnat ca A).

Câmpul vizual al dispozitivelor digitale de vedere pe timp de noapte și al dispozitivelor de termoviziune este determinat de focalizarea lentilei (fob) și de dimensiunea fizică a senzorului (B). De obicei, lățimea (dimensiunea orizontală) este luată ca dimensiune a senzorului atunci când se calculează câmpul vizual, ca urmare, câmpul vizual unghiular este obținut pe orizontală:

Cunoscând dimensiunea senzorului pe verticală (înălțime) și pe diagonală, puteți calcula și câmpul vizual unghiular al dispozitivului pe verticală sau în diagonală.

Dependenta:

Cu cât senzorul este mai mare sau cu atât focalizarea lentilei este mai mică, cu atâtunghi de vedere mai mare.

Cu cât câmpul vizual al dispozitivului este mai mare, cu atât este mai confortabil să observați obiectele - nu este nevoie să mutați în mod constant dispozitivul pentru a examina partea din spațiul de interes.

Este important de înțeles că câmpul vizual este invers proporțional cu creșterea - odată cu creșterea multiplicității dispozitivului, câmpul vizual al acestuia scade. Acesta este, de asemenea, unul dintre motivele pentru care nu sunt produse sisteme cu infraroșu (în special camere termice) cu mărire mare. În același timp, trebuie să înțelegeți că, odată cu creșterea câmpului vizual, va avea loc o scădere a distanței de detectare și recunoaștere.

RATA DE ACTUALIZARE CADRU. Una dintre principalele caracteristici tehnice ale unui dispozitiv de termoviziune este rata de reîmprospătare a cadrului. Din punctul de vedere al utilizatorului, este numărul de cadre afișate pe display într-o secundă. Cu cât rata de reîmprospătare a cadrelor este mai mare, cu atât efectul de „lag” în imaginea formată de dispozitivul de termoviziune este mai puțin vizibil în raport cu scena reală. Deci, atunci când observați scene dinamice cu un dispozitiv cu o rată de reîmprospătare de 9 cadre pe secundă, imaginea poate apărea neclară, iar mișcările obiectelor în mișcare - întârziate, cu „smucituri”. În schimb, cu cât rata de reîmprospătare este mai mare, cu atât afișarea scenelor dinamice este mai fluidă.

PERMISIUNE. FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ REZOLUȚIA.

Rezoluția este determinată de parametrii elementelor optice ale dispozitivului, senzor, afișaj, calitatea soluțiilor de circuit implementate în dispozitiv, precum și algoritmii de procesare a semnalului aplicați. Rezoluția unui dispozitiv de imagistică termică (rezoluția) este un indicator complex, ale cărui componente sunt temperatura și rezoluția spațială. Să luăm în considerare fiecare dintre aceste componente separat.

Rezoluția temperaturii(sensibilitate; diferența minimă de temperatură detectabilă) este raportul de limită dintre semnalul obiectului observat și semnalul de fundal, ținând cont de zgomotul elementului de detectare (senzor) al camerei termoimagistice. O rezoluție de temperatură ridicată înseamnă că un dispozitiv de termoviziune poate afișa un obiect cu o anumită temperatură pe un fundal cu o temperatură similară, iar cu cât diferența dintre temperatura obiectului și fundal este mai mică, cu atât rezoluția temperaturii este mai mare.

Rezolutie spatiala caracterizează capacitatea dispozitivului de a descrie separat două puncte sau linii apropiate. În caracteristicile tehnice ale dispozitivului, acest parametru poate fi scris ca „rezoluție”, „limită de rezoluție”, „rezoluție maximă”, care, în principiu, sunt aceleași.

Cel mai adesea, rezoluția dispozitivului este caracterizată de rezoluția spațială a microbolometrului, deoarece unitățile optice ale dispozitivului au de obicei o marjă de rezoluție.

De regulă, rezoluția este indicată în linii (linii) pe milimetru, dar poate fi indicată și în unități unghiulare (secunde sau minute).

Cu cât rezoluția în linii (linii) pe milimetru este mai mare și cu cât valorile unghiulare sunt mai mici, cu atât rezoluția este mai mare. Cu cât rezoluția dispozitivului este mai mare, cu atât imaginea este mai clară de către observator.

Pentru a măsura rezoluția camerelor termice, se utilizează un echipament special - un colimator, care creează o imitație a imaginii unui obiect special de testare - o lume termică întreruptă. Luând în considerare imaginea obiectului de testat prin dispozitiv, se apreciază rezoluția camerei termice - cu cât liniile lumii pot fi văzute clar separat unele de altele, cu atât rezoluția dispozitivului este mai mare.

Imagine: Diverse opțiuni pentru lumea termică (vizualizare în dispozitivul de imagistică termică)

Rezoluția dispozitivului depinde de rezoluția obiectivului și a ocularului. Lentila formează o imagine a obiectului de observație în planul senzorului, iar în cazul unei rezoluții insuficiente a lentilei, îmbunătățirea în continuare a rezoluției dispozitivului este imposibilă. De asemenea, un ocular de proastă calitate poate „strica” cea mai clară imagine formată de componentele instrumentului de pe afișaj.

Rezoluția dispozitivului depinde și de parametrii afișajului pe care se formează imaginea. Ca și în cazul unui senzor, rezoluția afișajului (numărul de pixeli) și dimensiunea acestora sunt factori decisivi. Densitatea pixelilor din afișaj este caracterizată de un indicator precum PPI (prescurtare de la „pixeli pe inch”) - o măsură care indică numărul de pixeli pe inch de zonă.

În cazul transferului direct al imaginii (fără scalare) de la senzor pe afișaj, rezoluția ambelor ar trebui să fie aceeași. În acest caz, este exclusă o scădere a rezoluției dispozitivului (dacă rezoluția afișajului este mai mică decât rezoluția senzorului) sau utilizarea nejustificată a unui afișaj scump (dacă rezoluția afișajului este mai mare decât cea a senzorului).

Parametrii senzorului au o mare influență asupra rezoluției dispozitivului. În primul rând, aceasta este rezoluția bolometrului - numărul total de pixeli (indicat de obicei ca produs al pixelilor dintr-o linie și dintr-o coloană) și dimensiunea pixelilor. Aceste două criterii oferă principala evaluare a rezoluției.

Dependenta:

Cu cât numărul de pixeli este mai mare și cu cât dimensiunea acestora este mai mică, cu atât este mai marerezoluţie.

Această afirmație este adevărată pentru aceeași dimensiune fizicăsenzori. Un senzor cu o densitate de pixeli pe unitate de suprafațămai mult, are si o rezolutie mare.

Dispozitivele de termoviziune pot folosi, de asemenea, diverși algoritmi de procesare a semnalului care pot afecta rezoluția generală a dispozitivului. În primul rând, vorbim despre „zoom digital”, când imaginea formată de matrice este procesată digital și „transferată” pe afișaj cu o oarecare mărire. În acest caz, rezoluția generală a dispozitivului scade. Un efect similar poate fi observat la camerele digitale atunci când se utilizează funcția de zoom digital.

Alături de factorii de mai sus, este necesar să mai menționăm câțiva care pot reduce rezoluția dispozitivului. În primul rând, acestea sunt diverse tipuri de „zgomote” care distorsionează semnalul util și, în cele din urmă, degradează calitatea imaginii. Se pot distinge următoarele tipuri de zgomot:

Zgomot de semnal întunecat... Motivul principal pentru acest zgomot este emisia termoionică de electroni (emisia spontană de electroni ca urmare a încălzirii materialului senzorului). Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât semnalul întunecat este mai scăzut, de exemplu. mai puțin zgomot, pentru a elimina acest zgomot se utilizează un obturator (cort) și calibrarea microbolometrului.

Zgomot de citire... Când semnalul stocat într-un pixel al senzorului este scos de la senzor, convertit în tensiune și amplificat, în fiecare element apare un zgomot suplimentar, numit zgomot de citire. Pentru a combate zgomotul, sunt utilizați diverși algoritmi software de procesare a imaginii, care sunt adesea denumiți algoritmi de reducere a zgomotului.

Pe lângă zgomot, rezoluția poate fi redusă semnificativ prin interferența care decurge din erorile de aranjare a dispozitivului (poziția relativă a plăcilor cu circuite imprimate și a firelor de conectare, a cablurilor din interiorul dispozitivului) sau din cauza erorilor de rutare a plăcilor de circuite imprimate (poziția relativă). a pistelor conductoare, prezența și calitatea straturilor de ecranare). De asemenea, erorile în circuitul electric al dispozitivului, selecția incorectă a elementelor radio pentru implementarea diferitelor filtre, alimentarea în circuit a circuitelor electrice ale dispozitivului pot duce la interferențe. Prin urmare, dezvoltarea de circuite electrice, software de scriere pentru procesarea semnalului, plăci de trasare sunt sarcini importante și complexe în proiectarea dispozitivelor de termoviziune.

RAMENUL DE OBSERVAȚIE.

Raza de observare a unui obiect cu un dispozitiv de termoviziune depinde de o combinație a unui număr mare de factori interni (parametrii senzorului, părțile optice și electronice ale dispozitivului) și de condiții externe (diverse caracteristici ale obiectului observat, fundal, puritate). a atmosferei și așa mai departe).

Cea mai aplicabilă abordare pentru descrierea domeniului de observare este împărțirea acestuia în zone de detectare, recunoaștere și identificare, descrise în detaliu în diverse surse, conform regulilor definite de așa-numitul. Criteriul lui Johnson, conform căruia intervalul de observație este direct legat de temperatura și rezoluția spațială a dispozitivului de termoviziune.

Pentru dezvoltarea ulterioară a subiectului, este necesară introducerea conceptului de dimensiune critică a obiectului de observație. Mărimea critică este considerată a fi dimensiunea de-a lungul căreia este analizată imaginea obiectului pentru a identifica trăsăturile geometrice caracteristice ale acestuia. Dimensiunea minimă aparentă a obiectului de-a lungul căruia se efectuează analiza este adesea considerată critică. De exemplu, pentru un mistreț sau un căprior, dimensiunea critică poate fi considerată înălțimea corpului, pentru o persoană - înălțimea.

Intervalul la care dimensiunea critică a unui anumit obiect de observație se încadrează în 2 sau mai mulți pixeli ai senzorului de termoviziune este considerat a fi raza de detectare... Faptul de detectare arată pur și simplu prezența acestui obiect la o anumită distanță, dar nu oferă o idee despre caracteristicile sale (nu ne permite să spunem ce fel de obiect este).

Fapt recunoscând obiectul recunoaște capacitatea de a determina tipul de obiect. Aceasta înseamnă că observatorul poate discerne ceea ce se observă în acest moment - o persoană, un animal, o mașină și așa mai departe. Este în general acceptat că recunoașterea este posibilă cu condiția ca dimensiunea critică a obiectului să se potrivească cu cel puțin 6 pixeli ai senzorului.

Din punct de vedere al aplicației de vânătoare, cea mai mare utilitate practică este domeniul de identificare... Identificarea înseamnă că observatorul este capabil să evalueze nu numai tipul de obiect, ci și să înțeleagă trăsăturile sale caracteristice (de exemplu, un mistreț mascul de 1,2 m lungime și 0,7 m înălțime). Pentru ca această condiție să fie îndeplinită, dimensiunea critică a obiectului trebuie acoperită de cel puțin 12 pixeli ai senzorului.

Este important de inteles ca in toate aceste cazuri vorbim de o probabilitate de 50% de a detecta, recunoaste sau identifica un obiect de un anumit nivel. Cu cât se suprapun mai mulți pixeli dimensiunea critică a unui obiect, cu atât este mai mare probabilitatea de detectare, recunoaștere sau identificare.

DEMONTAREA PUPILEI DE IEȘIRE este distanța de la suprafața exterioară a ultimei lentile a ocularului până la planul pupilei ochiului observatorului, la care imaginea observată va fi cea mai optimă (câmp vizual maxim, distorsiune minimă). Acest parametru este cel mai important pentru lunete în care distanța pupilei de ieșire trebuie să fie de cel puțin 50 mm (optim - 80-100 mm). O distanță atât de mare până la pupila de ieșire este necesară pentru a preveni rănirea trăgătorului de către ocularul de vizor în timpul reculului. De regulă, în dispozitivele de vedere pe timp de noapte și camerele termice, distanța pupilei de ieșire este egală cu lungimea ocularului, care este necesară pentru a masca strălucirea afișajului pe timp de noapte.

CALIBRAREA SENSORULUI DISPOZITIVELOR TERMICE

Calibrarea dispozitivului de termoviziune este împărțită în calibrare din fabrică și calibrare utilizator. Procesul de producție al dispozitivelor de termoviziune bazate pe senzori nerăciți prevede calibrarea din fabrică a dispozitivului (perechea lentilă-senzor) folosind echipamente speciale.

Vă puteți familiariza cu noile modele de camere termice PULSAR și puteți face o alegere informată.