Termovízna šošovka. IR šošovky

Vývoj, výpočet a výroba infračervených (IR) šošoviek pre termovízne systémy pracujúce v rozsahu 3…5 a 8…12 µm, ako aj pre optické senzory pracujúce v rozsahu IR, sú dôležitou oblasťou spoločnosti. činnosť. Spoločnosť navrhuje a vyrába infračervené (IR) šošovky (vrátane atermálnych) sériovo v štandardnom prevedení a podľa špecifikácií zákazníka a počíta a vyrába aj ďalšie optické zostavy pre IR zariadenia, vrátane:

• termovízne šošovky pre nechladené termovízne kamery založené na mikrobolometrických matriciach v rozsahu 8 ... 12 µm. Ide o najbežnejší typ systémov vzhľadom na efektívny spektrálny rozsah pre prenos termovíznych obrazov, optimálnu praktickosť maticových prijímačov, ktoré nevyžadujú chladenie a studenú membránu, ako aj relatívne nízku cenovú hladinu takéhoto zariadenia. ;
• termovízne šošovky pre chladené termovízne kamery pracujúce v rozsahu 3 ... 5 mikrónov. Na základe takýchto systémov vznikajú termokamery so zvýšenou kombináciou požiadaviek na vlastnosti a dizajn. Ide o najkomplexnejší typ infračervených systémov, no zároveň má najlepšie možnosti na detekciu a identifikáciu objektov pozorovania;
• IR šošovky pre jedno a viacprvkové snímače pracujúce v strednom a blízkom rozsahu IR, hlavne 3 ... 5 mikrónov. Zvyčajne ide o jednoduché systémy, ktoré obsahujú jednoduchú IR optiku a snímač, ktorého hlavnou úlohou je generovať signál a nie prenášať obraz.

Infračervené šošovky sa používajú v termovíznych systémoch rôznych tried:

• obrana (nositeľné a stacionárne termokamery, termovízne zameriavače, optické lokalizačné stanice, zariadenia na určovanie cieľov a zameriavače pre pozemné vozidlá);
• technologické (tepelné kontrolné zariadenia na technologické a stavebné účely, pyrometre);
• na zaistenie bezpečnosti (termokamery na kontrolu perimetra, hraníc, protipožiarne systémy).

V závislosti od nastavených úloh vyvíjame infračervené (IR) šošovky všetkých špecifikovaných tried, medzi ktorými vynikajú atermálne IR šošovky. IR optika pre termokamery stredného a dlhého dosahu má svoje špecifiká vyjadrené vlastnosťami termooptických vlastností použitých optických materiálov, ako sú monokryštály germánia, kremíka, polykryštalický selenid a sulfid zinočnatý, monokryštály fluoridov kovov. Vo väčšine prípadov IR šošovka obsahuje šošovky vyrobené z germánia, ktoré má vysoký a nelineárny teplotný koeficient indexu lomu. Vzhľadom na to je infračervená optika náchylná na rozostrenie pri zmene teploty a jedným z riešení problému je teplotne kompenzovaný dizajn, ktorý pohybuje šošovkou alebo skupinou šošoviek vzhľadom na prijímač v závislosti od teploty. Len málo spoločností ponúka atermálne šošovky kvôli zložitému dizajnu, ktorý sa často používa v drsnom mechanickom a nárazovom prostredí. Podľa vašich zadávacích podmienok vypočítame a vyvinieme atermálnu IR šošovku na objednávku. Optika pre termovízne kamery je navrhnutá a vyrobená v rôznych prevedeniach s použitím extra tvrdých ochranných náterov, OEM prevedenie, s odľahčenou konštrukciou.

Potrebujem ďalšie šošovky pre termokameru?

Túto otázku si pri kúpe termokamery položí každý sám, riadi sa dostupnými informáciami. Z našej strany sa budeme snažiť množstvo týchto informácií rozšíriť tak, aby bol výber kupujúceho rozumnejší.

Prečo teda potrebujete ďalšie šošovky / šošovky?
Kvalita obrazu závisí od viacerých parametrov, predovšetkým však od kvality termovíznej matrice, jej citlivosti a veľkosti, ako aj od parametrov objektívu.
V prvom rade sú to technické vlastnosti termovíznej matrice a šošovky, ktoré určujú kvalitu obrazu. Spravidla nie je možné zmeniť matricu na veľkú, takže zostávajú len výmenné alebo prídavné šošovky, ktoré zvyšujú kvalitu obrazu. Som dosť skeptický k tvrdeniam, že nedostatky matrice a objektívu je možné vyriešiť pomocou dodatočného softvérového spracovania a získať tak z hardvéru viac, ako je možné.

Napríklad:
Matica 384x288 s objektívom 20⁰ poskytuje priestorové rozlíšenie 0,91 mrad. Matrica 160 x 120 s rovnakou šošovkou 20⁰ poskytuje rozlíšenie 2,2 mrad.
Inými slovami, na vzdialenosť 100 metrov dokáže termokamera s maticou 384x288 rozlíšiť objekt o veľkosti 9,1x9,1 cm, pričom pri matici 160x120 musí mať minimálny objekt rozmery aspoň 22x22 cm!
Možnosť dosiahnutia rozlíšenia 9x9 cm znie veľmi optimisticky, napriek tomu, že kvalita originálu, ani stovky obrázkov, nie je lepšia ako 22x22 cm.
Je zrejmé, že možnosť „super-rozlíšenia“ môže mierne zlepšiť kvalitu obrazu, najmä v prípade „prirodzeného“ chvenia rúk, ale možnosť urobiť zázrak zdvojnásobením rozlíšenia zostáva prinajmenšom na pochybách.

To ponecháva jeden prirodzený spôsob rozšírenia efektívneho rozsahu alebo oblasti záberu – prídavné šošovky. Štandardná šošovka je voliteľne ponúkaná s dvomi šošovkami – širokouhlou a úzkouhlou.

Širokouhlá šošovka Zvyčajne sa používa, keď potrebujete zachytiť veľkú oblasť z relatívne krátkej vzdialenosti. Nie je tak populárny ako ten s úzkym uhlom, pretože vždy môžete skombinovať sériu štandardných záberov do panoramatického obrazu, najmä preto, že širokouhlý objektív rozširuje oblasť snímania znížením detailov, a to vyhovuje málokomu.

Úzkouhlý (teleobjektív) objektív používa sa v prípade, keď je dôležitý vysoký detail pre relatívne malý objekt v slušnej vzdialenosti. Tu problém nevyriešia žiadne softvérové ​​triky – potrebujete špeciálnu šošovku. V mojej praxi sa vyskytol prípad, keď bolo potrebné zamerať potrubie TEC5 (výška nad 200 m), v tomto prípade bol takýto objektív jednoducho potrebný.

Budovanie (vzdialenosť cca 150 metrov)	Termokamera Ti175	Termokamera Ti175
	Termokamera Ti395	Termokamera Ti395 s matricou (384x288), úzkouhlý objektív 45mm
Strecha (vzdialenosť cca 50 metrov)	Termokamera Ti175 s matricou (160x120), štandardný objektív	Termokamera Ti175 s matricou (160x120), úzkouhlý objektív 45mm
	Termokamera Ti395 s matricou (384x288), štandardný objektív	Termokamera

Infračervené žiarenie je spôsobené kolísaním elektrických nábojov, ktoré tvoria akúkoľvek látku tvoriacu predmety živej a neživej povahy, teda elektróny a ióny. Vibrácie iónov, ktoré tvoria látku, zodpovedajú nízkofrekvenčnému žiareniu (infračervenému žiareniu) v dôsledku značného množstva vibrujúcich nábojov. Žiarenie vyplývajúce z pohybu elektrónov môže mať tiež vysokú frekvenciu, ktorá vytvára žiarenie vo viditeľnej a ultrafialovej oblasti spektra.

Elektróny sú súčasťou zloženia atómov a sú držané v blízkosti ich rovnovážnej polohy (v zložení molekúl alebo kryštálovej mriežky) významnými vnútornými silami. Pri uvedení do pohybu dochádza k ich nepravidelnému spomaľovaniu a ich vyžarovanie nadobúda charakter impulzov, t.j. charakterizované spektrom rôznych vlnových dĺžok, medzi ktorými sú nízkofrekvenčné vlny, a to infračervené žiarenie.

Infračervené žiarenie - elektromagnetické žiarenie zaberajúce spektrálnu oblasť medzi koncom červenej oblasti viditeľného svetla (s vlnovou dĺžkou (λ) rovnou 0,74 mikrónu a mikrovlnným rádiovým vyžarovaním s vlnovou dĺžkou 1 ... 2 mm.

V infračervenej oblasti existujú oblasti, kde je infračervené žiarenie intenzívne absorbované atmosférou v dôsledku prítomnosti oxidu uhličitého, ozónu a vodnej pary.

Zároveň existujú takzvané „priehľadné okná“ (rozsah vlnových dĺžok optického žiarenia, v ktorom je v porovnaní s inými rozsahmi menšia absorpcia infračerveného žiarenia prostredím). Mnohé infračervené systémy (vrátane niektorých prístrojov na nočné videnie a termokamery) sú účinných práve kvôli existencii takýchto „priehľadných okienok“. Tu sú niektoré rozsahy (vlnové dĺžky sú uvedené v mikrometroch): 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.

Atmosférická interferencia (hmla, opar, ako aj nepriesvitnosť atmosféry v dôsledku dymu, smogu a pod.) ovplyvňuje infračervené žiarenie rôznym spôsobom v rôznych častiach spektra, avšak s nárastom vlnovej dĺžky sa účinok tohto rušenia znižuje. . Je to spôsobené tým, že vlnová dĺžka sa stáva porovnateľnou s veľkosťou kvapiek hmly a prachových častíc, a preto je šíriace sa žiarenie menej rozptýlené prekážkami a ohýba sa okolo nich v dôsledku difrakcie. Napríklad v spektrálnom rozsahu 8 ... 13 mikrónov hmla vážne nezasahuje do šírenia žiarenia

Akékoľvek zahriate teleso vyžaruje prúd infračerveného žiarenia, teda optické žiarenie s vlnovou dĺžkou, ktorá je väčšia ako vlnová dĺžka viditeľného žiarenia, ale menšia ako vlnová dĺžka mikrovlnného žiarenia.

Príklad. Teplota ľudského tela je 36,6 ° С, jeho spektrálne žiarenie je v rozmedzí 6 ... 21 mikrónov, kovová tyč zahriata na 300 ° С vyžaruje v rozsahu vlnových dĺžok od 2 do 6 mikrónov. Súčasne špirála volfrámového vlákna zahriata na teplotu 2400 ° C má vyžarovanie 0,2 ...

1. μm, čím ovplyvňuje viditeľnú oblasť spektra, ktorá sa prejavuje ako jasná žiara.

Oblasti civilnej aplikácie termovízie

Termovízne prístroje pre civilné použitie sa konvenčne delia na dve veľké skupiny - pozorovacie prístroje a meracie prístroje. Do prvej patria zariadenia pre zabezpečovacie systémy a požiarnu bezpečnosť, termovízne systémy pre zabezpečenie dopravy, lovecké termovízne prístroje a zameriavače, termovízne kamery používané v kriminalistike a pod. Meracie termokamery sa využívajú v medicíne, energetike, strojárstve a vedeckej činnosti.

Niekoľko príkladov. Podľa štatistík, čo platí pre väčšinu regiónov s vybudovanou dopravnou sieťou, sa viac ako polovica smrteľných nehôd stane v noci, pričom väčšina vodičov používa auto cez deň. Nie náhodou sa v posledných rokoch rozšírila prax vybavovania áut termovíznou kamerou, ktorá prenáša teplotný obraz dopravnej situácie pred autom na displej umiestnený v kabíne. Termokamera tak dopĺňa vnímanie vodiča, ktoré je v noci z mnohých dôvodov nedokonalé (tma, hmla, protismerné svetlo). Rovnakým spôsobom sa termovízne kamery používajú pri video monitorovaní súbežne s digitálnymi nočnými kamerami (hybridný video monitorovací systém), čo poskytuje oveľa ucelenejší obraz o povahe a správaní objektov v zábere. Služby ministerstva pre mimoriadne situácie využívajú v prípade požiarov termovízne kamery – v zadymenej miestnosti termokamera pomáha pri zisťovaní osôb a zdrojov horenia. Kontrola elektroinštalácie vám umožňuje zistiť poruchu pripojenia. Letecké termovízne skenovanie lesných oblastí pomáha identifikovať zdroj požiaru.

Napokon, prenosné prenosné termokamery sa úspešne používajú pri poľovníctve (detekcia zvierat, efektívne vyhľadávanie zranených zvierat bez psa), pri kvantitatívnych počtoch hospodárskych zvierat atď. V budúcnosti budeme uvažovať o termokamerách zo skupiny pozorovacích zariadení prevažne poľovného smeru.

Ako funguje termokamera

V inžinierskej praxi existujú pojmy objekt a pozadie. Objektom sú zvyčajne predmety, ktoré je potrebné zistiť a preskúmať (osoba, vozidlá, zvieratá a pod.), pozadím je všetko ostatné, čo nezaberá objekt pozorovania, priestor v zornom poli zariadenia ( les, tráva, budovy atď.)

Fungovanie všetkých termovíznych systémov je založené na zafixovaní teplotného rozdielu dvojice "objekt / pozadie" a na prevedení prijatej informácie na okom viditeľný obraz. Vzhľadom na to, že všetky telesá naokolo sú ohrievané nerovnomerne, vzniká určitý obraz o rozložení infračerveného žiarenia. A čím väčší bude rozdiel v intenzite infračerveného žiarenia tiel predmetov a pozadia, tým bude obraz získaný termovíznou kamerou rozlíšiteľnejší, teda kontrastnejší. Moderné termovízne zariadenia sú schopné detekovať teplotný kontrast 0,015…0,07 stupňov.

Zatiaľ čo drvivá väčšina prístrojov nočného videnia fungujúcich na báze elektrónok na zosilnenie obrazu (obrazových zosilňovačov) alebo matríc CMOS / CCD zachytáva infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou v rozsahu 0,78 ... 1 mikrónu, čo je len o málo viac ako citlivosť ľudského oka, hlavná Pracovný rozsah termovíznych zariadení je 3 ... 5,5 µm (strednovlnný infračervený rozsah alebo MWIR) a 8 ... 14 µm (dlhovlnný infračervený rozsah alebo LWIR). Práve tu sú povrchové vrstvy atmosféry transparentné pre infračervené žiarenie a emisivita pozorovaných objektov s teplotami od -50 do + 50 °C je maximálna.

Termokamera je elektronické pozorovacie zariadenie, ktoré vytvára obraz rozdielu teplôt v pozorovanej oblasti priestoru. Základom každej termokamery je bolometrická matica (senzor), ktorej každý prvok (pixel) meria teplotu s vysokou presnosťou.

Výhodou termokamier je, že nevyžadujú externé zdroje osvetlenia - snímač termokamery je citlivý na vlastné žiarenie predmetov. Výsledkom je, že termokamery fungujú rovnako dobre vo dne aj v noci, a to aj v absolútnej tme. Ako bolo uvedené vyššie, zlé poveternostné podmienky (hmla, dážď) nevytvárajú neprekonateľné rušenie termovízneho zariadenia a zároveň robia bežné zariadenia na nočné videnie úplne zbytočnými.

Princíp činnosti všetkých termovíznych kamier je zjednodušene opísaný nasledujúcim algoritmom:

• Šošovka termokamery vytvára na snímači teplotnú mapu (alebo mapu rozdielu v sile žiarenia) celej oblasti pozorovanej v zornom poli.
• Mikroprocesor a ostatné elektronické komponenty štruktúry čítajú údaje z matrice, spracovávajú ich a vytvárajú na displeji prístroja obraz, ktorý je vizuálnou interpretáciou týchto údajov, ktoré pozorovateľ vidí priamo alebo cez okulár.

Na rozdiel od prístrojov nočného videnia založených na elektro-optických prevodníkoch (nazvime ich analógové), termokamery, podobne ako digitálne prístroje nočného videnia, umožňujú realizovať veľké množstvo užívateľských nastavení a funkcií. Napríklad nastavenie jasu, kontrastu obrazu, zmena farby obrazu, zadávanie rôznych informácií do zorného poľa (aktuálny čas, indikácia vybitia batérie, ikony aktivovaných režimov a pod.), prídavný digitálny zoom, obraz v- funkcia obrazu (umožňuje v samostatnom malom "okienku" zobraziť v zornom poli dodatočný obraz objektu v celom rozsahu alebo jeho časti, vrátane zväčšeného), dočasne vypnúť displej (pre úsporu energie a maskovať pozorovateľa vylúčením žiary prevádzkového displeja).

Na zachytenie obrazu pozorovaných objektov je možné do termovízií integrovať videorekordéry. Môžete implementovať také funkcie, ako je bezdrôtový (rádiový kanál, WI-FI) prenos informácií (foto, video) do externých prijímačov alebo diaľkové ovládanie zariadenia (napríklad z mobilných zariadení), integrácia s laserovými diaľkomermi (so vstupom informácie z diaľkomerov v zornom poli zariadenia) , GPS-senzory (schopnosť určiť súradnice objektu pozorovania) atď.

Termovízne zameriavače vo vzťahu k „analógovým“ nočným zameriavačom na lov majú tiež množstvo charakteristických vlastností. Zameriavacia značka v nich býva „digitálna“, t.j. Počas spracovania videosignálu sa obraz značky prekrýva cez obraz pozorovaný na displeji a pohybuje sa elektronicky, čo umožňuje vylúčiť z rozsahu zameriavača mechanické jednotky na zadávanie korekcií, ktoré sú súčasťou analógovej noci alebo dňa. optické zameriavače a vyžadujú vysokú presnosť pri výrobe dielov a montáži týchto jednotiek. Okrem toho sa tým eliminuje účinok paralaxy, pretože obraz predmetu pozorovania a obraz zámerného kríža sú v rovnakej rovine - rovine zobrazenia.

V digitálnych a termovíznych zameriavačoch je možné implementovať ukladanie do pamäte veľkého počtu zameriavacích krížov s rôznou konfiguráciou a farbou, pohodlné a rýchle nulovanie pomocou funkcií „nulovanie jedným záberom“ alebo „nulovanie v režime zmrazenia“, funkcia automatického zadávanie opráv pri zmene vzdialenosti streľby, zapamätanie súradníc mierenia pre viaceré zbrane, indikácia sklonu (zablokovania) zameriavača a mnoho ďalšieho.

Termovízne zariadenie.

Objektív. Najbežnejším, ale nie jediným materiálom na výrobu šošoviek pre termovízne zariadenia je monokryštalické germánium. Do tej či onej miery majú zafír, selenid zinku, kremík a polyetylén tiež kapacitu v rozsahu MWIR a LWIR. Chalkogenidové sklá sa používajú aj na výrobu šošoviek pre termovízne zariadenia.

Optické germánium má vysokú prenosovú kapacitu a teda nízky koeficient absorpcie v rozsahu 2 ... 15 mikrónov. Je potrebné pripomenúť, že tento rozsah pokrýva dve atmosférické "priehľadné okná" (3 ... 5 a 8 ... 12 mikrónov). Väčšina snímačov používaných v civilných termovíznych zariadeniach pracuje v rovnakom rozsahu.

Germánium je drahý materiál, preto sa optické sústavy snažia vyrábať z minimálneho množstva germánových komponentov. Niekedy sa na zníženie nákladov na dizajn šošovky používajú zrkadlá so sférickým alebo asférickým povrchom. Na ochranu vonkajších optických povrchov pred vonkajšími vplyvmi sa používa povlak na báze diamantu podobného uhlíka (DLC) alebo analógov.

Klasické optické sklo sa nepoužíva na výrobu šošoviek pre termovízne zariadenia, pretože nemá šírku pásma pri vlnovej dĺžke viac ako 4 mikróny.

Dizajn objektívu a jeho parametre majú výrazný vplyv na možnosti konkrétneho termovízneho zariadenia. takze ohnisková vzdialenosť objektívu priamo ovplyvňuje zväčšenie prístroja (čím väčšie ohnisko, tým väčšie, pri zachovaní ostatných podmienok zväčšenie), zorné pole (s rastúcim ohniskom sa zmenšuje) a rozsah pozorovania. Clona objektívu, vypočítaný ako podiel svetelného priemeru šošovky k ohnisku, charakterizuje relatívne množstvo energie, ktorá môže prejsť šošovkou. Pomer clony ovplyvňuje citlivosť, ako aj teplota - rozlíšenie termovízneho zariadenia.

Vizuálne efekty, ako je vinetácia a efekt narcisu, sa tiež dajú pripísať dizajnu šošovky a sú viac-menej spoločné pre všetky termovízne zariadenia.

Senzor. Fotocitlivým prvkom termovízneho zariadenia je dvojrozmerné viacprvkové pole fotodetektorov (FPA) vyrobené na báze rôznych polovodičových materiálov. Existuje množstvo technológií na výrobu prvkov citlivých na infračervené žiarenie, avšak v termovíznych zariadeniach na civilné použitie je možné zaznamenať drvivú prevahu bolometrov (mikrobolometrov).

Mikrobolometer je prijímač energie infračerveného žiarenia, ktorého pôsobenie je založené na zmene elektrickej vodivosti citlivého prvku pri jeho zahrievaní v dôsledku absorpcie žiarenia. Mikrobolometre sú rozdelené do dvoch podtried, v závislosti od toho, ktorý materiál citlivý na IR, oxid vanádu (VOx) alebo amorfný kremík (α-Si), sa používa.

Citlivý materiál absorbuje infračervené žiarenie, v dôsledku čoho sa podľa zákona o zachovaní energie citlivá oblasť pixelu (jediný fotodetektor v matrici) mikrobolometra zahrieva. Vnútorná elektrická vodivosť materiálu sa mení a tieto zmeny sa zaznamenávajú. Konečným výsledkom je monochromatická alebo farebná vizualizácia teplotného vzoru na displeji prístroja. Treba si uvedomiť, že farba, ktorou sa teplotný vzor zobrazuje na displeji, je úplne závislá od činnosti softvérovej časti termovízneho zariadenia.

Na obrázku: mikrobolometrické pole (senzor) firmy Ulis

Výroba mikrobolometrických matríc je vedecky náročný, technicky vyspelý a nákladný proces. Udržať takúto produkciu si môže dovoliť obmedzený počet spoločností a krajín na svete.

Výrobcovia termovíznych snímačov (mikrobolometrov) vo svojich dokumentoch upravujúcich kvalitu snímačov pripúšťajú na snímači prítomnosť ako jednotlivých pixelov, tak aj ich zhlukov (klastrov), ktoré majú pri bežnej prevádzke odchýlky výstupného signálu – tzv. mŕtve“ alebo „rozbité“ pixely... „Zlomené“ pixely sú typické pre snímače akéhokoľvek výrobcu. Ich prítomnosť sa vysvetľuje rôznymi odchýlkami, ktoré sa môžu vyskytnúť pri výrobe mikrobolometra, ako aj prítomnosťou cudzích nečistôt v materiáloch, z ktorých sú citlivé prvky vyrobené. Keď je termovízne zariadenie v prevádzke, vnútorná teplota pixelov stúpa a pixely, ktoré sú nestabilné voči nárastu teploty ("rozbité"), začnú produkovať signál, ktorý sa môže mnohonásobne líšiť od signálu správne fungujúcich pixelov. Na displeji termovízneho zariadenia sa takéto pixely môžu objaviť ako biele alebo čierne bodky (v prípade jednotlivých pixelov) alebo škvrny rôznej konfigurácie, veľkosti (v prípade zhlukov) a jasu (veľmi svetlé alebo veľmi tmavé). Prítomnosť takýchto pixelov nijako neovplyvňuje odolnosť snímača a nie je dôvodom na zhoršenie jeho parametrov tak, ako sa používa v budúcnosti. V skutočnosti ide len o „kozmetickú“ vadu obrazu.

Výrobcovia termokamier používajú rôzne softvérové ​​algoritmy na spracovanie signálu z chybných pixelov, aby sa minimalizoval ich vplyv na kvalitu obrazu a viditeľnosť. Podstatou spracovania je nahradenie signálu z chybného pixelu signálom zo susedného (najbližšieho) normálne fungujúceho pixelu alebo spriemerovaným signálom z niekoľkých susedných pixelov. V dôsledku takéhoto spracovania sa chybné pixely spravidla stanú na obrázku takmer neviditeľnými.

Za určitých podmienok pozorovania je stále možné vidieť prítomnosť opravených defektných pixelov (najmä zhlukov), napríklad keď sa hranica medzi teplými a studenými predmetmi dostane do zorného poľa termovízneho zariadenia, a teda keď táto hranica presne spadá medzi zhluk chybných pixelov a normálne fungujúce pixely. Keď sú splnené tieto podmienky, zhluk chybných pixelov sa javí ako bod, trblietajúci sa bielou a tmavou farbou a zo všetkého najviac pripomína kvapku tekutiny na obrázku. Je dôležité poznamenať, že prítomnosť takéhoto účinku nie je znakom defektu termovízneho zariadenia.

Elektronická procesorová jednotka. Elektronická procesorová jednotka sa zvyčajne skladá z jednej alebo niekoľkých dosiek (v závislosti od usporiadania zariadenia), na ktorých sú umiestnené špecializované mikroobvody, ktoré spracovávajú signál načítaný zo snímača a ďalej prenášajú signál na displej, kde sa zobrazuje obraz rozloženia teploty pozorovanej oblasti sa tvorí. Na doskách sú umiestnené hlavné ovládacie prvky zariadenia a implementovaný je aj napájací obvod, ako pre zariadenie ako celok, tak aj pre jednotlivé obvody obvodu.

Mikrodisplej a okulár. Vzhľadom na to, že vo väčšine poľovníckych termovízií sa používajú mikrodispleje, na pozorovanie obrazu slúži okulár, ktorý funguje ako lupa a umožňuje pohodlné prezeranie obrazu so zväčšením.

Najčastejšie používané displeje s tekutými kryštálmi (LCD) prenosového typu (na zadnej strane je displej osvetlený svetelným zdrojom) alebo OLED displeje (pri prechode elektrického prúdu hmota displeja začne vyžarovať svetlo).

Použitie OLED - displejov má množstvo výhod: možnosť prevádzky zariadenia pri nižších teplotách, vyšší jas a kontrast obrazu, jednoduchšia a spoľahlivejšia konštrukcia (chýba zdroj pre podsvietenie displeja ako pri LCD displejoch ). Okrem LCD a OLED displejov je možné použiť mikrodispleje LCOS (Liquid Crystal on Silicone), ktoré sú typom reflexných displejov z tekutých kryštálov.

ZÁKLADNÉ PARAMETRE TERMOZOBRAZOVACÍCH PRÍSTROJOV

ZVÝŠIŤ.Charakteristika ukazuje, koľkokrát je obraz objektu pozorovaného v prístroji väčší v porovnaní s pozorovaním objektu voľným okom. Merná jednotka - časy (označenie"X", napríklad "2x" - "dva krat").

Pre termovízne zariadenia sú typické zväčšenia medzi 1x a 5x. hlavnou úlohou prístrojov nočného videnia je detekcia a rozpoznávanie objektov pri slabom osvetlení a zlých poveternostných podmienkach. Zvýšenie zväčšenia u termovíznych prístrojov vedie k výraznému zníženiu celkovej svietivosti prístroja, v dôsledku čoho bude obraz objektu menej kontrastný vzhľadom na pozadie ako v podobnom prístroji s menším zväčšením. Pokles svetelnosti so zvyšujúcim sa zväčšením môže byť kompenzovaný zväčšením optického priemeru objektívu, čo však následne povedie k zvýšeniu celkových rozmerov a hmotnosti zariadenia, komplikácii optiky, ktorá znižuje celkovú využiteľnosť nositeľných zariadení a výrazne zvyšuje cenu termovízneho zariadenia. Toto je obzvlášť dôležité pre ďalekohľady, pretože používatelia musia navyše držať zbraň v rukách. Pri veľkom zväčšení vznikajú ťažkosti aj pri hľadaní a sledovaní objektu pozorovania, najmä ak je objekt v pohybe, keďže so zvyšujúcim sa zväčšením sa zorné pole zmenšuje.

Zväčšenie je určené ohniskovou vzdialenosťou objektívu a okuláru, ako aj faktorom priblíženia (K), ktorý sa rovná pomeru fyzických rozmerov (uhlopriečok) displeja a snímača:

kde:

fo- ohnisková vzdialenosť objektívu

fOK- ohnisková vzdialenosť okuláru

LS- veľkosť uhlopriečky snímača

Ld- veľkosť uhlopriečky displeja.

ZÁVISLOSTI:

Čím dlhšia je ohnisková vzdialenosť objektívu, tým väčšia je veľkosť displeja ďalšie zvýšenie.

Čím väčšia je ohnisková vzdialenosť okuláru, tým väčšia je veľkosť snímača nárast je menší.

PRIAMA VIDITEĽNOSŤ. Charakterizuje veľkosť priestoru, ktorý je možné súčasne sledovať cez zariadenie. Zvyčajne je zorné pole v parametroch zariadení uvedené v stupňoch (uhol zorného poľa na obrázku nižšie je označený ako 2Ѡ) alebo v metroch pre konkrétnu vzdialenosť (L) od objektu pozorovania (tzv. lineárne zorné pole na obrázku je označené ako A).

Zorné pole digitálnych prístrojov na nočné videnie a termovíznych prístrojov je určené ohniskom šošovky (fob) a fyzickou veľkosťou snímača (B). Zvyčajne sa šírka (horizontálna veľkosť) pri výpočte zorného poľa berie ako veľkosť snímača, v dôsledku čoho sa uhlové zorné pole získa horizontálne:

Keď poznáte veľkosť snímača vertikálne (výška) a diagonálne, môžete tiež vypočítať uhlové zorné pole zariadenia vertikálne alebo diagonálne.

Závislosť:

Čím väčší je snímač alebo čím menšie ohnisko objektívu, týmväčší uhol pohľadu.

Čím väčšie je zorné pole prístroja, tým pohodlnejšie je pozorovanie predmetov - nie je potrebné neustále posúvať prístroj kvôli skúmaniu časti záujmového priestoru.

Je dôležité pochopiť, že zorné pole je nepriamo úmerné zvýšeniu - s nárastom multiplicity zariadenia sa jeho zorné pole znižuje. Aj to je jeden z dôvodov, prečo sa nevyrábajú infračervené systémy (najmä termokamery) s veľkým zväčšením. Zároveň musíte pochopiť, že so zväčšením zorného poľa dôjde k zníženiu vzdialenosti detekcie a rozpoznávania.

RÝCHLOSŤ AKTUALIZÁCIE RÁMU. Jednou z hlavných technických charakteristík termovízneho zariadenia je obnovovacia frekvencia snímky. Z užívateľského hľadiska je to počet snímok zobrazených na displeji za jednu sekundu. Čím vyššia je obnovovacia frekvencia snímky, tým menej badateľný je efekt „lagovania“ v obraze tvorenom termovíznym zariadením vo vzťahu k reálnej scéne. Takže pri pozorovaní dynamických scén pomocou zariadenia s obnovovacou frekvenciou 9 snímok za sekundu sa obraz môže zdať rozmazaný a pohyby pohybujúcich sa objektov - oneskorené, s „trhnutiami“. Naopak, čím vyššia je obnovovacia frekvencia, tým je zobrazenie dynamických scén plynulejšie.

POVOLENIE. FAKTORY OVPLYVŇUJÚCE ROZLÍŠENIE.

Rozlíšenie je určené parametrami optických prvkov zariadenia, snímača, displeja, kvalitou obvodových riešení implementovaných v zariadení, ako aj použitými algoritmami spracovania signálu. Rozlíšenie termovízneho zariadenia (rozlíšenie) je komplexný ukazovateľ, ktorého zložkami sú teplota a priestorové rozlíšenie. Zvážme každú z týchto zložiek samostatne.

Teplotné rozlíšenie(citlivosť; minimálny zistiteľný teplotný rozdiel) je hraničný pomer signálu pozorovaného objektu k signálu pozadia s prihliadnutím na šum snímacieho prvku (snímača) termovíznej kamery. Vysoké teplotné rozlíšenie znamená, že termovízne zariadenie dokáže zobraziť objekt určitej teploty na pozadí s podobnou teplotou a čím menší je rozdiel medzi teplotou objektu a pozadia, tým vyššie je teplotné rozlíšenie.

Priestorové rozlíšenie charakterizuje schopnosť zariadenia zobraziť oddelene dva blízko seba vzdialené body alebo čiary. V technických charakteristikách zariadenia môže byť tento parameter napísaný ako „rozlíšenie“, „limit rozlíšenia“, „maximálne rozlíšenie“, ktoré sú v zásade rovnaké.

Rozlíšenie zariadenia je najčastejšie charakterizované priestorovým rozlíšením mikrobolometra, pretože optické jednotky zariadenia majú zvyčajne rezervu rozlíšenia.

Rozlíšenie sa spravidla udáva v ťahoch (čiarach) na milimeter, ale môže sa udávať aj v uhlových jednotkách (sekundy alebo minúty).

Čím vyššie je rozlíšenie v ťahoch (čiarach) na milimeter a čím menšie v uhlových hodnotách, tým vyššie je rozlíšenie. Čím vyššie je rozlíšenie zariadenia, tým jasnejší obraz vidí pozorovateľ.

Na meranie rozlíšenia termokamier sa používa špeciálne zariadenie - kolimátor, ktorý vytvára imitáciu obrazu špeciálneho testovacieho objektu - čiarkovaný tepelný svet. Vzhľadom na obraz testovaného objektu cez zariadenie sa posudzuje rozlíšenie termokamery - čím menšie čiary sveta je možné zreteľne vidieť oddelene od seba, tým vyššie je rozlíšenie zariadenia.

obrázok: Rôzne možnosti pre termálny svet (pohľad v termovíznom zariadení)

Rozlíšenie prístroja závisí od rozlíšenia objektívu a okuláru. Objektív tvorí obraz objektu pozorovania v rovine snímača a v prípade nedostatočného rozlíšenia objektívu je ďalšie zlepšenie rozlíšenia prístroja nemožné. Rovnako aj nekvalitný okulár môže „pokaziť“ najčistejší obraz tvorený komponentmi prístroja na displeji.

Rozlíšenie zariadenia závisí aj od parametrov displeja, na ktorom sa obraz tvorí. Rovnako ako v prípade snímača je rozhodujúcim faktorom rozlíšenie displeja (počet pixelov) a ich veľkosť. Hustotu pixelov na displeji charakterizuje indikátor PPI (skratka pre "pixely na palec") - miera, ktorá udáva počet pixelov na palec plochy.

V prípade priameho prenosu obrazu (bez škálovania) zo snímača na displej by rozlíšenie oboch malo byť rovnaké. V tomto prípade je vylúčené zníženie rozlíšenia zariadenia (ak je rozlíšenie displeja menšie ako rozlíšenie snímača) alebo neopodstatnené použitie drahého displeja (ak je rozlíšenie displeja vyššie ako rozlíšenie snímača).

Parametre snímača majú veľký vplyv na rozlíšenie zariadenia. V prvom rade ide o rozlíšenie bolometra – celkový počet pixelov (zvyčajne sa uvádza ako súčin pixelov v riadku a v stĺpci) a veľkosť pixelov. Tieto dve kritériá poskytujú hlavné hodnotenie riešenia.

ZÁVISLOSŤ:

Čím väčší je počet pixelov a čím menšia je ich veľkosť, tým vyššierozhodnutie.

Toto tvrdenie platí pre rovnakú fyzickú veľkosťsenzory. Senzor s hustotou pixelov na jednotku plochynavyše má aj vysoké rozlíšenie.

Termovízne zariadenia môžu tiež využívať rôzne algoritmy spracovania signálu, ktoré môžu ovplyvniť celkové rozlíšenie zariadenia. V prvom rade hovoríme o „digitálnom priblížení“, keď sa obraz vytvorený maticou digitálne spracuje a „prenesie“ na displej s určitým zväčšením. V tomto prípade sa celkové rozlíšenie zariadenia zníži. Podobný efekt možno pozorovať v digitálnych fotoaparátoch pri použití funkcie digitálneho priblíženia.

Spolu s vyššie uvedenými faktormi je potrebné spomenúť ešte niekoľko, ktoré môžu znížiť rozlíšenie zariadenia. V prvom rade ide o rôzne druhy „šumu“, ktoré skresľujú užitočný signál a v konečnom dôsledku zhoršujú kvalitu obrazu. Rozlišujú sa tieto typy hluku:

Tmavý šum signálu... Hlavným dôvodom tohto šumu je termionická emisia elektrónov (spontánna emisia elektrónov v dôsledku zahrievania materiálu senzora). Čím nižšia teplota, tým nižší tmavý signál, t.j. menej hluku, práve na odstránenie tohto hluku sa používa clona (stan) a kalibrácia mikrobolometra.

Hluk pri čítaní... Keď je signál uložený v pixeli snímača na výstupe zo snímača, prevedený na napätie a zosilnený, v každom prvku sa objaví ďalší šum, ktorý sa nazýva šum načítania. Na boj proti šumu sa používajú rôzne softvérové ​​algoritmy na spracovanie obrazu, ktoré sa často označujú ako algoritmy redukcie šumu.

Rozlíšenie môže byť okrem šumu výrazne znížené aj rušením vznikajúcim v dôsledku chýb v rozložení zariadenia (relatívna poloha dosiek plošných spojov a spojovacích vodičov, káblov vo vnútri zariadenia) alebo v dôsledku chýb pri vedení dosiek plošných spojov (relatívna poloha vodivých dráh, prítomnosť a kvalita tieniacich vrstiev). Tiež chyby v elektrickom obvode zariadenia, nesprávny výber rádiových prvkov na implementáciu rôznych filtrov, obvodové napájanie elektrických obvodov zariadenia môže viesť k rušeniu. Preto sú vývoj elektrických obvodov, písanie softvéru na spracovanie signálu, sledovacie dosky dôležitými a zložitými úlohami pri navrhovaní termovíznych zariadení.

ROZSAH POZOROVANIA.

Dosah pozorovania objektu termovíznym zariadením závisí od kombinácie veľkého množstva vnútorných faktorov (parametre snímača, optickej a elektronickej časti zariadenia) a vonkajších podmienok (rôzne charakteristiky pozorovaného objektu, pozadie, čistota atmosféry atď.).

Najvhodnejším prístupom k popisu pozorovacieho rozsahu je jeho rozdelenie na detekčné, rozpoznávacie a identifikačné rozsahy, podrobne popísané v rôznych zdrojoch, podľa pravidiel definovaných tzv. Johnsonovo kritérium, podľa ktorého rozsah pozorovania priamo súvisí s teplotou a priestorovým rozlíšením termovízneho zariadenia.

Pre ďalší rozvoj témy je potrebné zaviesť koncept kritickej veľkosti objektu pozorovania. Za kritickú veľkosť sa považuje veľkosť, pozdĺž ktorej sa analyzuje obraz objektu, aby sa identifikovali jeho charakteristické geometrické znaky. Minimálna zdanlivá veľkosť objektu, pozdĺž ktorého sa analýza vykonáva, sa často považuje za kritickú. Napríklad pre diviaka alebo srnca možno za kritickú veľkosť považovať výšku tela, pre osobu výšku.

Rozsah, v ktorom sa kritická veľkosť určitého objektu pozorovania zmestí do 2 alebo viacerých pixelov snímača termokamery, sa považuje za rozsah detekcie... Skutočnosť detekcie jednoducho ukazuje prítomnosť tohto objektu v určitej vzdialenosti, ale nedáva predstavu o jeho vlastnostiach (nedovoľuje nám povedať, o aký druh objektu ide).

Fakt spoznávanie objekt rozpozná schopnosť určiť typ objektu. To znamená, že pozorovateľ dokáže rozoznať, čo sa práve pozoruje – osobu, zviera, auto atď. Všeobecne sa uznáva, že rozpoznanie je možné za predpokladu, že kritická veľkosť objektu sa zmestí aspoň na 6 pixelov snímača.

Z hľadiska poľovníckej aplikácie je najväčšia praktická využiteľnosť identifikačný rozsah... Identifikácia znamená, že pozorovateľ je schopný posúdiť nielen typ objektu, ale aj pochopiť jeho charakteristické znaky (napríklad diviaka s dĺžkou 1,2 m a výškou 0,7 m). Aby bola táto podmienka splnená, kritická veľkosť objektu musí byť pokrytá minimálne 12 pixelmi snímača.

Je dôležité pochopiť, že vo všetkých týchto prípadoch hovoríme o 50% pravdepodobnosti odhalenia, rozpoznania alebo identifikácie objektu danej úrovne. Čím viac pixelov prekrýva kritickú veľkosť objektu, tým vyššia je pravdepodobnosť detekcie, rozpoznania alebo identifikácie.

ODSTRÁNENIE VÝSTUPNEJ ZORKY je vzdialenosť od vonkajšej plochy poslednej šošovky okuláru k rovine zrenice oka pozorovateľa, pri ktorej bude pozorovaný obraz najoptimálnejší (maximálne zorné pole, minimálne skreslenie). Tento parameter je najdôležitejší pre ďalekohľady, pri ktorých by vzdialenosť výstupnej pupily mala byť aspoň 50 mm (optimálna - 80-100 mm). Takáto veľká vzdialenosť od výstupnej pupily je potrebná, aby sa predišlo poraneniu strelca okulárom zameriavača pri spätnom ráze. V prístrojoch nočného videnia a termokamerách sa spravidla vzdialenosť výstupnej pupily rovná dĺžke očnice, ktorá je potrebná na maskovanie žiary displeja v noci.

KALIBRÁCIA SNÍMAČA TERMOZOBRAZOVACÍCH PRÍSTROJOV

Kalibrácia termovízneho zariadenia sa delí na továrenskú a užívateľskú kalibráciu. Výrobný proces termovíznych zariadení založených na nechladených snímačoch umožňuje továrenskú kalibráciu zariadenia (pár šošovka-snímač) pomocou špeciálneho zariadenia.

Môžete sa zoznámiť s novými modelmi termokamier PULSAR a urobiť informovaný výber.