Termal görüntüleme lensi. IR lensler

3… 5 ve 8… 12 µm aralığında çalışan termal görüntüleme sistemleri ve ayrıca IR aralığında çalışan optik sensörler için kızılötesi (IR) lenslerin geliştirilmesi, hesaplanması ve üretimi, şirketin önemli bir alanıdır. aktivite. Şirket, hem standart bir tasarımda hem de müşterinin spesifikasyonlarına göre seri olarak kızılötesi (IR) lensler (atermal lensler dahil) tasarlar ve üretir ve ayrıca aşağıdakiler dahil IR ekipmanı için diğer optik düzenekleri hesaplar ve üretir:

• 8 ... 12 µm aralığında mikrobolometrik matrislere dayalı soğutmasız termal görüntüleme kameraları için termal görüntüleme lensleri. Bu, termal görüntüleme görüntülerinin iletimi için etkili spektral aralık, soğutma ve soğuk diyafram gerektirmeyen matris alıcıların optimum pratikliği ve ayrıca böyle bir cihazın nispeten düşük fiyat seviyesi nedeniyle en yaygın sistem türüdür. ;
• 3 ... 5 mikron aralığında çalışan soğutmalı termal görüntüleme kameraları için termal görüntüleme lensleri. Bu tür sistemler temelinde, özellikler ve tasarım gereksinimlerinin artan bir kombinasyonu ile termal görüntüleyiciler oluşturulur. Bu, kızılötesi sistemlerin en karmaşık türüdür, ancak aynı zamanda gözlem nesnelerini algılamak ve tanımlamak için en iyi yeteneklere sahiptir;
• Orta ve yakın IR aralıklarında çalışan tek ve çok elemanlı sensörler için IR lensler, esas olarak 3 ... 5 mikron. Genellikle bunlar, basit IR optiği ve ana görevi bir sinyal oluşturmak ve bir görüntü iletmemek olan bir sensör içeren basit sistemlerdir.

Kızılötesi lensler, çeşitli sınıflardaki termal görüntüleme sistemlerinde kullanılır:

• savunma (taşınabilir ve sabit termal kameralar, termal görüntüleme manzaraları, optik konum istasyonları, hedef belirleme cihazları ve kara araçlarının manzaraları);
• teknolojik (teknolojik ve inşaat amaçlı termal kontrol cihazları, pirometreler);
• güvenliği sağlamak (çevre kontrolü, sınırlar, yangından korunma sistemleri için termal görüntüleme kameraları).

Belirlenen görevlere bağlı olarak, atermal IR lenslerin öne çıktığı tüm belirtilen sınıflarda kızılötesi (IR) lensler geliştiriyoruz. Orta menzilli ve uzun menzilli termal görüntüleyiciler için IR optikleri, kullanılan optik malzemelerin tekli germanyum kristalleri, silikon, polikristalin selenit ve çinko sülfür, tek kristaller gibi termo-optik özelliklerinin özelliklerinde ifade edilen kendi özgünlüğüne sahiptir. metal florürler. Çoğu durumda, bir IR lens, yüksek ve doğrusal olmayan bir kırılma indisi sıcaklık katsayısına sahip olan germanyumdan yapılmış lensler içerir. Bunu göz önünde bulundurarak, IR optikleri, sıcaklık değiştiğinde odaktan sapmaya karşı hassastır ve sorunun çözümlerinden biri, sıcaklığa bağlı olarak lensi veya lens grubunu alıcıya göre hareket ettiren sıcaklık telafili bir tasarımdır. Sert mekanik ve şok ortamlarında sıklıkla kullanılan karmaşık tasarımlar nedeniyle çok az şirket atermal lensler sunar. Referans şartlarınıza göre, sipariş için bir atermal IR lensi hesaplayıp geliştireceğiz. Termal görüntüleyici için optikler, hafif tasarımlı OEM tasarımı olan ekstra sert koruyucu kaplamalar kullanılarak çeşitli tasarımlarda tasarlanır ve üretilir.

Termal kamera için ek lenslere ihtiyacım var mı?

Termal kamera satın alırken, herkes bu soruyu kendisine sorar ve mevcut bilgiler ışığında yanıtlar. Bizim açımızdan, alıcının seçiminin daha makul olması için bu bilgilerin miktarını genişletmeye çalışacağız.

Peki neden ekstra lenslere / lenslere ihtiyacınız var?
Görüntü kalitesi birkaç parametreye bağlıdır, ancak öncelikle termal görüntüleme matrisinin kalitesine, hassasiyetine ve boyutuna ve ayrıca lens parametrelerine bağlıdır.
Her şeyden önce, görüntü kalitesini belirleyen termal görüntüleme matrisinin ve merceğin teknik özellikleridir. Kural olarak, matrisi büyük bir matrisle değiştirmek mümkün değildir, bu nedenle yalnızca görüntü kalitesini artıran değiştirilebilir veya ek lensler kalır. Matris ve merceğin eksikliklerinin ek yazılım işleme yardımıyla çözülebileceği ve böylece donanımdan mümkün olandan daha fazlasını elde edebileceği yönündeki iddialar konusunda oldukça şüpheciyim.

Örneğin:
20⁰ objektifli 384x288 matris, 0.91 mrad'lık bir uzaysal çözünürlük sağlar. Aynı 20⁰ lense sahip 160x120 matris, 2,2 mrad çözünürlük sağlar.
Başka bir deyişle, 100 metre mesafede, 384x288 matrisli bir termal kamera, 9,1x9,1 cm boyutundaki bir nesneyi ayırt edebilirken, 160x120 matris için minimum nesnenin boyutları en az 22x22 cm olmalıdır!
Orijinalin kalitesinin, yüzlerce görüntünün bile 22x22 cm'den daha iyi olmamasına rağmen, 9x9 cm çözünürlük elde etme olasılığı çok iyimser geliyor.
Açıkçası, "süper çözünürlük" seçeneği, özellikle "doğal" el sıkışma durumunda, resmin kalitesini biraz artırabilir, ancak çözünürlüğü iki katına çıkararak bir mucize yapma olasılığı en azından şüpheli kalır.

Bu, etkili aralığı veya görüş alanını genişletmenin doğal bir yolunu bırakır - ek lensler. Standart lens, isteğe bağlı olarak geniş açı ve dar açı olmak üzere iki lens ile sunulur.

Geniş açılı mercek Genellikle nispeten kısa bir mesafeden geniş bir alanı yakalamanız gerektiğinde kullanılır. Dar açılı çekim kadar popüler değil, çünkü bir dizi standart çekimi her zaman panoramik bir görüntüde birleştirebilirsiniz, özellikle de geniş açılı lens ayrıntıları azaltarak çekim alanını genişlettiğinden ve bu çok azına uygundur.

Dar açılı (telefoto) lens Uygun bir mesafedeki nispeten küçük bir nesne için yüksek detayın önemli olduğu durumlarda kullanılır. Burada, hiçbir yazılım hilesi sorunu çözemez - özel bir merceğe ihtiyacınız var. Uygulamamda, TEC5 borusunu (200 m'den fazla yükseklik) incelemenin gerekli olduğu bir durum vardı, bu durumda böyle bir lens basitçe gerekliydi.

Bina (yaklaşık 150 metre mesafe)	Termal kamera Ti175	Termal kamera Ti175
	Termal kamera Ti395	Matrisli (384x288) termal kamera Ti395, 45 mm dar açılı lens
Çatı (mesafe yaklaşık 50 metre)	Matrisli (160x120), standart lensli termal kamera Ti175	Matrisli (160x120), 45 mm dar açılı lensli termal kamera Ti175
	Matrisli (384x288) termal kamera Ti395, standart lens	Termal görüntüleyici

Kızılötesi radyasyon, canlı ve cansız doğadaki nesneleri, yani elektronları ve iyonları oluşturan herhangi bir maddeyi oluşturan elektrik yüklerindeki dalgalanmalardan kaynaklanır. Maddeyi oluşturan iyonların titreşimleri, önemli miktarda titreşimli yük nedeniyle düşük frekanslı radyasyona (kızılötesi radyasyon) karşılık gelir. Elektronların hareketinden kaynaklanan radyasyon, spektrumun görünür ve ultraviyole bölgelerinde radyasyon oluşturan yüksek bir frekansa da sahip olabilir.

Elektronlar, atomların bileşimine dahil edilir ve önemli iç kuvvetler tarafından (moleküllerin veya bir kristal kafesin bileşiminde) denge konumlarının yakınında tutulur. Harekete geçtiklerinde düzensiz yavaşlama yaşarlar ve radyasyonları impuls karakterini alır, yani. arasında düşük frekanslı dalgalar, yani kızılötesi radyasyon bulunan farklı dalga boylarından oluşan bir spektrum ile karakterize edilir.

Kızılötesi radyasyon - görünür ışığın kırmızı bölgesinin sonu (0.74 mikrona eşit dalga boyu (λ) ve dalga boyu 1 ... 2 mm olan mikrodalga radyo emisyonu ile) arasındaki spektral bölgeyi kaplayan elektromanyetik radyasyon.

Kızılötesi aralıkta, içinde karbondioksit, ozon ve su buharı bulunması nedeniyle kızılötesi radyasyonun atmosfer tarafından yoğun bir şekilde emildiği alanlar vardır.

Aynı zamanda, "saydamlık pencereleri" (diğer aralıklara kıyasla ortam tarafından kızılötesi radyasyonun daha az absorpsiyonunun olduğu optik radyasyonun dalga boyu aralığı) vardır. Birçok kızılötesi sistem (bazı gece görüş cihazları ve termal kameralar dahil), tam da bu tür "şeffaflık pencerelerinin" varlığından dolayı etkilidir. İşte bazı aralıklar (dalga boyları mikrometre olarak belirtilmiştir): 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.

Atmosferik parazit (sis, pus, ayrıca duman, sis vb. nedeniyle atmosferin opaklığı) kızılötesi radyasyonu spektrumun farklı bölümlerinde farklı şekillerde etkiler, ancak dalga boyunun artmasıyla bu girişimin etkisi azalır. . Bunun nedeni, dalga boyunun sis damlalarının ve toz parçacıklarının boyutuyla karşılaştırılabilir hale gelmesidir, bu nedenle yayılan radyasyon engeller tarafından daha az dağılır ve kırınım nedeniyle etraflarında bükülür. Örneğin, 8 ... 13 mikron spektral aralığında, sis radyasyonun yayılmasını ciddi şekilde engellemez.

Isıtılmış herhangi bir cisim bir kızılötesi radyasyon, yani görünür radyasyonun dalga boyundan daha büyük, ancak mikrodalga radyasyonunun dalga boyundan daha küçük bir dalga boyuna sahip optik radyasyon yayar.

Örnek.İnsan vücudunun sıcaklığı 36.6 ° C'dir, spektral radyasyonu 6 ... 21 mikron aralığındadır, 2 ila 6 mikron dalga boyu aralığında 300 ° C'ye ısıtılmış bir metal çubuk yayar. Aynı zamanda, 2400 ° C sıcaklığa ısıtılan bir tungsten filamanın spirali 0,2 ...

1. μm, böylece kendini parlak bir parıltı olarak gösteren spektrumun görünür bölgesini etkiler.

Termal görüntülemenin sivil uygulama alanları

Sivil kullanım için termal görüntüleme cihazları geleneksel olarak iki büyük gruba ayrılır - gözlem cihazları ve ölçüm cihazları. İlki, güvenlik sistemleri ve yangın güvenliği ekipmanları, ulaşım güvenliği için termal görüntüleme sistemleri, avcılık termal görüntüleme cihazları ve manzaraları, adli tıpta kullanılan termal kameralar vb. Ölçme termal kameraları tıpta, enerjide, makine mühendisliğinde ve bilimsel faaliyetlerde kullanılmaktadır.

Bazı örnekler. Gelişmiş ulaşım ağına sahip çoğu bölge için geçerli olan istatistiklere göre, ölümlü kazaların yarısından fazlası gece meydana gelirken, sürücülerin çoğu gündüzleri araba kullanıyor. Son yıllarda otomobillerin termal görüntüleme kamerasıyla donatılması uygulamasının yaygınlaşması ve otomobilin önündeki trafik durumunun sıcaklık resmini kabinde bulunan ekrana iletmesi tesadüf değildir. Böylece termal kamera, geceleri birçok nedenden dolayı (karanlık, sis, farların karşıdan gelen ışığı) kusurlu olan sürücünün algısını tamamlar. Aynı şekilde, termal görüntüleme kameraları, çerçevedeki nesnelerin doğası ve davranışı hakkında çok daha eksiksiz bir resim veren dijital gece kameralarıyla (hibrit video gözetim sistemi) paralel olarak güvenlik video gözetiminde kullanılır. Acil Durumlar Bakanlığı hizmetleri, yangın durumunda termal görüntüleme kameraları kullanır - dumanla dolu bir odada, termal kamera insanları ve yanma kaynaklarını tespit etmeye yardımcı olur. Kablolamanın incelenmesi, bir bağlantı kusurunu tespit etmenizi sağlar. Orman alanlarının havadan termal görüntüleme taraması, bir yangının kaynağının belirlenmesine yardımcı olur.

Son olarak, portatif giyilebilir termal kameralar, avlanmada (hayvan tespiti, köpeksiz yaralı hayvanların etkin şekilde aranması), kantitatif canlı hayvan sayımı vb. sırasında başarıyla kullanılmaktadır. Gelecekte, ağırlıklı olarak avlanma yönündeki gözlem cihazları grubundan termal kameraları ele alacağız.

Termal kamera nasıl çalışır?

Mühendislik uygulamalarında nesne ve arka plan kavramları vardır. Nesne genellikle tespit edilmesi ve incelenmesi gereken nesnelerdir (bir kişi, araçlar, hayvanlar, vb.), arka plan, gözlem nesnesi tarafından işgal edilmeyen her şeydir, cihazın görüş alanındaki boşluktur (orman, çim, bina vb.)

Tüm termal görüntüleme sistemlerinin çalışması, "nesne / arka plan" çiftinin sıcaklık farkının sabitlenmesine ve alınan bilgilerin gözle görülebilen bir görüntüye dönüştürülmesine dayanmaktadır. Etrafındaki tüm cisimlerin eşit olmayan bir şekilde ısıtılması nedeniyle, kızılötesi radyasyon dağılımının belirli bir resmi oluşur. Ve nesnelerin gövdelerinin ve arka planın kızılötesi radyasyonunun yoğunluğundaki fark ne kadar büyük olursa, bir termal görüntüleme kamerası tarafından elde edilen görüntü o kadar ayırt edilebilir, yani zıt olacaktır. Modern termal görüntüleme cihazları, 0,015… 0,07 derecelik bir sıcaklık kontrastını algılayabilir.

Görüntü yoğunlaştırıcı tüpler (görüntü yoğunlaştırıcı tüpler) veya CMOS / CCD matrisleri bazında çalışan gece görüş cihazlarının ezici çoğunluğu, dalga boyundan sadece biraz daha yüksek olan 0.78 ... 1 mikron aralığında kızılötesi radyasyonu yakalar. insan gözünün hassasiyeti, ana Termal görüntüleme ekipmanının çalışma aralığı 3 ... 5.5 µm (orta dalga kızılötesi menzil veya MWIR) ve 8 ... 14 µm'dir (uzun dalga kızılötesi menzil veya LWIR). Atmosferin yüzey katmanlarının kızılötesi radyasyona karşı şeffaf olduğu ve gözlemlenen nesnelerin -50 ila + 50 ° C sıcaklıklardaki emisyonlarının maksimum olduğu yer burasıdır.

Termal görüntüleyici, gözlemlenen alan alanındaki sıcaklık farkının bir görüntüsünü oluşturan elektronik bir gözlem cihazıdır. Herhangi bir termal görüntüleyicinin temeli, her bir elemanı (piksel) sıcaklığı yüksek doğrulukla ölçen bir bolometrik matristir (sensör).

Termal görüntüleyicilerin avantajı, harici aydınlatma kaynakları gerektirmemeleridir - bir termal görüntüleyicinin sensörü, nesnelerin içsel radyasyonuna duyarlıdır. Sonuç olarak, termal kameralar, mutlak karanlık da dahil olmak üzere gece ve gündüz eşit derecede iyi çalışır. Yukarıda belirtildiği gibi, kötü hava koşulları (sis, yağmur) bir termal görüntüleme cihazı ile aşılmaz parazit oluşturmazken, aynı zamanda geleneksel gece görüş cihazlarını tamamen işe yaramaz hale getirir.

Basitleştirilmiş, tüm termal görüntüleyicilerin çalışma prensibi aşağıdaki algoritma ile açıklanmıştır:

• Termal kameranın merceği, görüş alanında gözlemlenen tüm alanın bir sıcaklık haritasını (veya radyasyon gücündeki farkın bir haritasını) sensör üzerinde oluşturur.
• Yapının mikroişlemci ve diğer elektronik bileşenleri, matristen gelen verileri okur, işler ve cihaz ekranında bu verilerin görsel bir yorumu olan ve gözlemci tarafından doğrudan veya göz merceği aracılığıyla görüntülenen bir görüntü oluşturur.

Elektro-optik dönüştürücülere dayalı gece görüş cihazlarının aksine (bunlara analog diyelim), dijital gece görüş cihazları gibi termal kameralar, çok sayıda kullanıcı ayarı ve işlevi uygulamanıza izin verir. Örneğin, parlaklığı, görüntü kontrastını ayarlamak, görüntünün rengini değiştirmek, görüş alanına çeşitli bilgiler girmek (geçerli saat, düşük pil göstergesi, etkinleştirilmiş modların simgeleri vb.), ek dijital yakınlaştırma, resim içinde resim. resim işlevi (küçük bir "pencerede" ayrı bir ekranda, nesnenin tamamının veya bir kısmının, büyütülmüş olanı da dahil olmak üzere, ek bir görüntüsünü, görüş alanında, ekranı geçici olarak kapatmaya izin verir (enerji tasarrufu ve çalışma ekranının ışığını hariç tutarak gözlemciyi maskeleyin).

Gözlenen nesnelerin görüntüsünü yakalamak için termal kameralara video kaydediciler entegre edilebilir. Kablosuz (radyo kanalı, WI-FI) bilgi aktarımı (fotoğraf, video) veya cihazın uzaktan kumandası (örneğin mobil cihazlardan), lazer telemetre ile entegrasyon (giriş ile) gibi işlevleri uygulayabilirsiniz. cihazın görüş alanındaki telemetrelerden gelen bilgiler), GPS sensörleri (gözlem nesnesinin koordinatlarını sabitleme yeteneği), vb.

Avcılık için "analog" gece manzaraları ile ilgili olarak termal görüntüleme manzaraları da bir dizi ayırt edici özelliğe sahiptir. İçlerindeki nişan işareti genellikle "dijital"dir, yani. video sinyali işleme sırasında işaretin görüntüsü, ekranda gözlemlenen görüntünün üzerine bindirilir ve elektronik olarak hareket eder, bu, analog gece veya gündüz optik manzaralarının bir parçası olan düzeltmeleri girmek için mekanik birimlerin görüş kapsamından çıkarılmasını mümkün kılar ve parçaların imalatında ve bu birimlerin montajında ​​yüksek hassasiyet gerektirir. Ek olarak, bu paralaksın etkisini ortadan kaldırır, çünkü gözlem nesnesinin görüntüsü ve nişan alma retikülünün görüntüsü aynı düzlemdedir - ekranın düzlemi.

Dijital ve termal görüntüleme manzaralarında, farklı konfigürasyon ve renge sahip çok sayıda retikülün hafızasında depolama gerçekleştirilebilir, "tek seferde sıfırlama" veya "Dondurma modunda sıfırlama" işlevleri kullanılarak rahat ve hızlı sıfırlama, otomatik işlev atış mesafesi değiştiğinde düzeltme girişi , birkaç silah için nişan alma koordinatlarını ezberleme, görüş eğiminin (tıkanması) göstergesi ve çok daha fazlası.

Termal görüntüleme cihazı cihazı.

Lens. Termal görüntüleme cihazları için lens üretimi için en yaygın, ancak tek malzeme monokristal germanyumdur. Bir dereceye kadar safir, çinko selenit, silikon ve polietilen de MWIR ve LWIR aralıklarında kapasiteye sahiptir. Kalkojenit camlar ayrıca termal görüntüleme cihazları için lenslerin imalatında da kullanılır.

Optik germanyum, yüksek bir iletim kapasitesine ve buna bağlı olarak 2 ... 15 mikron aralığında düşük bir absorpsiyon katsayısına sahiptir. Bu aralığın iki atmosferik "şeffaflık penceresini" (3 ... 5 ve 8 ... 12 mikron) kapsadığını hatırlamakta fayda var. Sivil termal görüntüleme cihazlarında kullanılan sensörlerin çoğu aynı aralıkta çalışır.

Germanyum pahalı bir malzemedir, bu nedenle minimum miktarda germanyum bileşeninden optik sistemler yapmaya çalışırlar. Bazen lens tasarımının maliyetini azaltmak için küresel veya küresel olmayan yüzeylere sahip aynalar kullanılır. Dış optik yüzeyleri dış etkilerden korumak için elmas benzeri karbon (DLC) veya analoglarına dayalı bir kaplama kullanılır.

4 mikrondan fazla bir dalga boyunda bir bant genişliğine sahip olmadığından, termal görüntüleme cihazları için lenslerin üretiminde klasik optik cam kullanılmaz.

Merceğin tasarımı ve parametreleri, belirli bir termal görüntüleme cihazının yetenekleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Böyle, mercek odak uzaklığı cihazın büyütmesini (odak büyüdükçe, daha büyük, diğer şeyler eşit olduğunda, büyütme), görüş alanını (artan odakla azalır) ve gözlem aralığını doğrudan etkiler. Lens açıklığı merceğin ışık çapının odaklanmaya oranı olarak hesaplanan , mercekten geçebilecek nispi enerji miktarını karakterize eder. Açıklığın oranı, termal görüntüleme cihazının hassasiyetinin yanı sıra sıcaklık - çözünürlüğünü de etkiler.

Vinyet ve Narcissus etkisi gibi görsel efektler de lens tasarımına atfedilebilir ve tüm termal görüntüleme cihazlarında aşağı yukarı ortaktır.

Sensör. Termal görüntüleme cihazının ışığa duyarlı elemanı, çeşitli yarı iletken malzemeler temelinde yapılan iki boyutlu çok elemanlı bir fotodedektör dizisidir (FPA). Kızılötesi duyarlı elemanların üretimi için birçok teknoloji var, ancak sivil kullanım için termal görüntüleme cihazlarında bolometrelerin (mikrobolometreler) ezici üstünlüğü not edilebilir.

Bir mikrobolometre, eylemi, radyasyonun emilmesi nedeniyle ısıtıldığında hassas bir elemanın elektriksel iletkenliğinde bir değişikliğe dayanan bir kızılötesi radyasyon enerjisi alıcısıdır. Mikrobolometreler, hangi IR'ye duyarlı malzeme, vanadyum oksit (VOx) veya amorf silikon (α-Si) kullanıldığına bağlı olarak iki alt sınıfa ayrılır.

Hassas malzeme, kızılötesi radyasyonu emer, bunun sonucunda, enerjinin korunumu yasasına göre, mikrobolometrenin pikselinin hassas alanı (matrikste tek bir fotodetektör) ısınır. Malzemenin iç elektriksel iletkenliği değişir ve bu değişiklikler kaydedilir. Sonuç, sıcaklık modelinin gösterge ekranında tek renkli veya renkli görselleştirilmesidir. Sıcaklık düzeninin ekranda görüntülendiği rengin tamamen termal görüntüleme cihazının yazılım bölümünün çalışmasına bağlı olduğuna dikkat edilmelidir.

Resimde: Ulis şirketinin mikrobolometrik dizisi (sensörü)

Mikrobolometrik matrislerin üretimi, yoğun bilim, yüksek teknoloji ve pahalı bir süreçtir. Dünyada sınırlı sayıda şirket ve ülke bu üretimi sürdürebilir.

Termal görüntüleme sensörleri (mikrobolometreler) üreticileri, sensörlerin kalitesini düzenleyen belgelerinde, normal çalışma sırasında çıkış sinyalinde sapmalara sahip olan hem bireysel piksellerin hem de kümelerinin (kümeleri) sensöründe varlığını kabul eder - sözde " ölü" veya "kırık" pikseller ... "Kırık" pikseller, herhangi bir üreticinin sensörleri için tipiktir. Varlıkları, bir mikrobolometrenin üretimi sırasında meydana gelebilecek çeşitli sapmalar ve ayrıca hassas elemanların yapıldığı malzemelerde yabancı safsızlıkların varlığı ile açıklanmaktadır. Bir termal görüntüleme cihazı çalışırken, piksellerin içsel sıcaklığı yükselir ve sıcaklık artışına karşı kararsız ("kırık") pikseller, doğru çalışan piksellerin sinyalinden birçok kez farklı olabilen bir sinyal üretmeye başlar. Bir termal görüntüleme cihazının ekranında, bu pikseller beyaz veya siyah noktalar (bireysel pikseller olması durumunda) veya farklı konfigürasyon, boyut (kümeler olması durumunda) ve parlaklık (çok parlak veya çok karanlık) olarak görünebilir. Bu tür piksellerin varlığı, sensörün dayanıklılığını hiçbir şekilde etkilemez ve gelecekte kullanılacağı için parametrelerinin bozulması için bir neden değildir. Aslında, bu sadece görüntüdeki "kozmetik" bir kusurdur.

Termal kamera üreticileri, görüntü kalitesi ve görünürlük üzerindeki etkilerini en aza indirmek için kusurlu piksellerden sinyal işleme için çeşitli yazılım algoritmaları kullanır. İşlemin özü, kusurlu bir pikselden gelen bir sinyali, komşu (en yakın) normal işleyen bir pikselden gelen bir sinyal veya birkaç komşu pikselden gelen bir ortalama sinyal ile değiştirmektir. Bu tür işlemlerin bir sonucu olarak, kural olarak kusurlu pikseller görüntüde neredeyse görünmez hale gelir.

Belirli gözlem koşulları altında, örneğin sıcak ve soğuk nesneler arasındaki sınır bir termal görüntüleme cihazının görüş alanına girdiğinde ve dolayısıyla bu sınırın tam olarak ne zaman olduğu gibi düzeltilmiş kusurlu piksellerin (özellikle kümelerin) varlığını görmek hala mümkündür. kusurlu pikseller kümesi ile normal olarak çalışan pikseller arasına düşer. Bu koşullar karşılandığında, beyaz ve koyu renklerle parıldayan ve hepsinden önemlisi görüntüdeki bir sıvı damlasını andıran bir kusurlu piksel kümesi bir nokta olarak görülür. Böyle bir etkinin varlığının termal görüntüleme cihazının kusurlu olduğunun bir işareti olmadığını belirtmek önemlidir.

Elektronik işlem birimi. Genellikle, elektronik işlem birimi, sensörden okunan sinyali işleyen ve ayrıca sinyali sıcaklık dağılımının bir görüntüsünün bulunduğu ekrana ileten özel mikro devrelerin yerleştirildiği bir veya birkaç panodan (cihaz düzenine bağlı olarak) oluşur. gözlenen alan oluşur. Cihazın ana kontrolleri panolarda bulunur ve ayrıca hem cihaz için bir bütün olarak hem de devrenin ayrı devreleri için güç kaynağı devresi uygulanır.

Mikro ekran ve mercek.Çoğu avcı termal kamerasında mikro ekranların kullanılması nedeniyle, görüntüyü gözlemlemek için bir büyüteç işlevi gören ve görüntüyü büyütme ile rahatça izlemenizi sağlayan bir mercek kullanılır.

En yaygın olarak kullanılan transmisyon tipi likit kristal (LCD) ekranlar (arka tarafta ekran bir ışık kaynağı ile aydınlatılır) veya OLED ekranlar (bir elektrik akımı geçtiğinde ekran maddesi ışık yaymaya başlar).

OLED ekranların kullanımının bir takım avantajları vardır: cihazı daha düşük sıcaklıklarda çalıştırma, görüntünün daha yüksek parlaklık ve kontrastı, daha basit ve daha güvenilir bir tasarım (LCD ekranlarda olduğu gibi ekranı arkadan aydınlatmak için kaynak yoktur) ). LCD ve OLED ekranların yanı sıra reflektif tip likit kristal ekranların bir türü olan LCOS (Liquid Crystal on Silicone) mikro ekranlar da kullanılabilir.

TERMAL GÖRÜNTÜLEME CİHAZLARININ TEMEL PARAMETRELERİ

ARTIRMAK.Karakteristik, cihazda gözlemlenen nesnenin görüntüsünün, nesnenin çıplak gözle gözlemlenmesine kıyasla kaç kat daha büyük olduğunu gösterir. Ölçüm birimi - zamanlar (tanımlama"X", örneğin, "2x" - "iki krat").

Termal görüntüleme cihazları için tipik büyütmeler 1x ile 5x arasındadır. gece görüş cihazlarının ana görevi, düşük ışık ve kötü hava koşullarında nesneleri algılamak ve tanımaktır. Termal görüntüleme cihazlarında büyütmede bir artış, cihazın genel parlaklığında önemli bir azalmaya yol açar, bunun sonucunda nesnenin görüntüsü, daha düşük büyütmeli benzer bir cihaza göre arka plana göre daha az kontrastlı olacaktır. Artan büyütme ile parlaklıktaki düşüş, objektifin optik çapındaki bir artışla telafi edilebilir, ancak bu, sırayla, cihazın genel boyutlarında ve ağırlığında bir artışa yol açacaktır, bu da optiklerin karmaşıklığını azaltmaktadır. giyilebilir cihazların genel kullanılabilirliği ve termal görüntüleme cihazının fiyatını önemli ölçüde artırır. Bu, özellikle dürbünler için önemlidir, çünkü kullanıcıların ayrıca ellerinde bir silah tutması gerekir. Yüksek büyütmede, özellikle nesne hareket halindeyse, gözlem nesnesini bulma ve izlemede zorluklar ortaya çıkar, çünkü artan büyütme ile görüş alanı azalır.

Büyütme, merceğin ve göz merceğinin odak uzunluklarının yanı sıra ekranın ve sensörün fiziksel boyutlarının (diyagonaller) oranına eşit olan yakınlaştırma faktörü (K) tarafından belirlenir:

nerede:

Fhakkında- lens odak uzaklığı

Ftamam- göz merceğinin odak uzaklığı

Lİle- sensörün köşegen boyutu

LD- ekranın köşegen boyutu.

BAĞIMLILIKLAR:

Objektifin odak uzaklığı ne kadar uzun olursa, ekranın boyutu o kadar uzun olur. daha fazla artış.

Merceğin odak uzaklığı ne kadar büyük olursa, sensörün boyutu o kadar büyük olur. artış daha azdır.

GÖRÜŞ HATTI. Cihaz aracılığıyla aynı anda görüntülenebilen alanın boyutunu karakterize eder. Genellikle, cihazların parametrelerindeki görüş alanı derece olarak (aşağıdaki şekilde görüş alanının açısı 2Ѡ olarak gösterilir) veya gözlem nesnesine (doğrusal) belirli bir mesafe (L) için metre cinsinden belirtilir. şekildeki görüş alanı A) olarak gösterilmiştir.

Dijital gece görüş cihazlarının ve termal görüntüleme cihazlarının görüş alanı, lens odağı (fob) ve sensörün (B) fiziksel boyutu ile belirlenir. Genellikle genişlik (yatay boyut), görüş alanı hesaplanırken sensörün boyutu olarak alınır, sonuç olarak açısal görüş alanı yatay olarak elde edilir:

Sensörün boyutunu dikey (yükseklik) ve çapraz olarak bilerek, cihazın açısal görüş alanını dikey veya çapraz olarak da hesaplayabilirsiniz.

Bağımlılık:

Sensör ne kadar büyükse veya merceğin odağı ne kadar küçükse,daha büyük görüş açısı.

Cihazın görüş alanı ne kadar büyük olursa, nesneleri gözlemlemek o kadar rahat olur - ilgilenilen alanın bir kısmını incelemek için cihazı sürekli hareket ettirmeye gerek yoktur.

Görüş alanının artışla ters orantılı olduğunu anlamak önemlidir - cihazın çokluğundaki bir artışla görüş alanı azalır. Bu aynı zamanda yüksek büyütmeli kızılötesi sistemlerin (özellikle termal görüntüleyiciler) üretilmemesinin nedenlerinden biridir. Aynı zamanda, görüş alanındaki bir artışla algılama ve tanıma mesafesinde bir azalma olacağını anlamalısınız.

ÇERÇEVE GÜNCELLEME HIZI. Termal görüntüleme cihazının ana teknik özelliklerinden biri kare yenileme hızıdır. Kullanıcı açısından, bir saniyede ekranda görüntülenen kare sayısıdır. Çerçeve yenileme hızı ne kadar yüksek olursa, gerçek sahneye göre termal görüntüleme cihazı tarafından oluşturulan görüntüdeki "gecikmenin" etkisi o kadar az fark edilir. Bu nedenle, saniyede 9 kare yenileme hızına sahip bir cihazla dinamik sahneleri gözlemlerken, görüntü bulanık görünebilir ve hareketli nesnelerin hareketleri “sarsıntı” ile gecikebilir. Tersine, yenileme hızı ne kadar yüksek olursa, dinamik sahnelerin görüntüsü o kadar pürüzsüz olur.

İZİN. ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ETKİLEYEN FAKTÖRLER.

Çözünürlük, cihazın optik elemanlarının parametreleri, sensör, ekran, cihazda uygulanan devre çözümlerinin kalitesi ve uygulanan sinyal işleme algoritmaları tarafından belirlenir. Termal görüntüleme cihazının çözünürlüğü (çözünürlük), bileşenleri sıcaklık ve uzamsal çözünürlük olan karmaşık bir göstergedir. Bu bileşenlerin her birini ayrı ayrı ele alalım.

Sıcaklık çözünürlüğü(hassasiyet; minimum algılanabilir sıcaklık farkı), termal görüntüleme kamerasının hassas elemanının (sensör) gürültüsünü hesaba katarak, gözlem nesnesinin sinyalinin arka plan sinyaline sınır oranıdır. Yüksek sıcaklık çözünürlüğü, bir termal görüntüleme cihazının belirli bir sıcaklıktaki bir nesneyi benzer bir sıcaklığa sahip bir arka plana karşı görüntüleyebileceği anlamına gelir ve nesnenin sıcaklığı ile arka plan arasındaki fark ne kadar küçükse, sıcaklık çözünürlüğü o kadar yüksek olur.

uzamsal çözünürlük cihazın, birbirine yakın iki noktayı veya çizgiyi ayrı ayrı gösterme yeteneğini karakterize eder. Cihazın teknik özelliklerinde bu parametre prensipte aynı olan “çözünürlük”, “çözünürlük limiti”, “maksimum çözünürlük” şeklinde yazılabilir.

Çoğu zaman, cihazın optik birimleri genellikle bir çözünürlük marjına sahip olduğundan, cihazın çözünürlüğü mikrobolometrenin uzamsal çözünürlüğü ile karakterize edilir.

Kural olarak, çözünürlük milimetre başına vuruş (çizgi) olarak belirtilir, ancak açısal birimlerle (saniye veya dakika) da belirtilebilir.

Milimetre başına vuruş (çizgi) cinsinden çözünürlük ne kadar yüksek ve açısal değerlerde ne kadar küçük olursa, çözünürlük o kadar yüksek olur. Cihazın çözünürlüğü ne kadar yüksek olursa, görüntü gözlemci tarafından o kadar net görülür.

Termal kameraların çözünürlüğünü ölçmek için özel ekipman kullanılır - özel bir test nesnesinin görüntüsünün taklidini oluşturan bir kolimatör - kesikli bir termal dünya. Test nesnesinin cihaz üzerinden görüntüsü göz önüne alındığında, termal kameranın çözünürlüğü değerlendirilir - dünyanın çizgileri birbirinden ne kadar küçük olursa, cihazın çözünürlüğü o kadar yüksek olur.

Resim: Termal dünya için çeşitli seçenekler (termal görüntüleme cihazında görüntüleyin)

Cihazın çözünürlüğü, objektifin ve göz merceğinin çözünürlüğüne bağlıdır. Mercek, sensör düzleminde gözlem nesnesinin bir görüntüsünü oluşturur ve merceğin çözünürlüğünün yetersiz olması durumunda, cihazın çözünürlüğünün daha da iyileştirilmesi mümkün değildir. Benzer şekilde, düşük kaliteli bir göz merceği, cihazın bileşenlerinin ekranda oluşturduğu en net görüntüyü "bozabilir".

Cihazın çözünürlüğü ayrıca görüntünün oluşturulduğu ekranın parametrelerine de bağlıdır. Bir sensörde olduğu gibi, ekran çözünürlüğü (piksel sayısı) ve boyutları belirleyici faktörlerdir. Ekrandaki piksel yoğunluğu, PPI ("inç başına piksel" kısaltması) gibi bir gösterge ile karakterize edilir - alanın inç başına piksel sayısını gösteren bir ölçü.

Görüntünün sensörden ekrana doğrudan aktarılması (ölçeklendirme olmadan) durumunda, her ikisinin de çözünürlüğü aynı olmalıdır. Bu durumda, cihazın çözünürlüğünde bir azalma (ekran çözünürlüğü sensör çözünürlüğünden düşükse) veya pahalı bir ekranın haksız kullanımı (ekran çözünürlüğü sensörün çözünürlüğünden yüksekse) hariç tutulur.

Sensör parametrelerinin cihazın çözünürlüğü üzerinde büyük etkisi vardır. Her şeyden önce, bu bolometre çözünürlüğüdür - toplam piksel sayısı (genellikle bir satırdaki ve bir sütundaki piksellerin ürünü olarak gösterilir) ve piksel boyutu. Bu iki kriter, çözümün ana değerlendirmesini sağlar.

BAĞIMLILIK:

Piksel sayısı ne kadar büyük ve boyutları ne kadar küçükse, o kadar yüksekçözüm.

Bu ifade aynı fiziksel boyut için geçerlidir.sensörler. Birim alan başına piksel yoğunluğuna sahip bir sensördahası, aynı zamanda yüksek bir çözünürlüğe sahiptir.

Termal görüntüleme cihazları, cihazın genel çözünürlüğünü etkileyebilecek çeşitli sinyal işleme algoritmaları da kullanabilir. Her şeyden önce, matris tarafından oluşturulan görüntü dijital olarak işlendiğinde ve bir miktar büyütme ile ekrana "aktarıldığında" "dijital yakınlaştırma" dan bahsediyoruz. Bu durumda, cihazın genel çözünürlüğü azalır. Benzer bir etki, dijital kameralarda dijital yakınlaştırma işlevini kullanırken gözlemlenebilir.

Yukarıdaki faktörlerin yanı sıra cihazın çözünürlüğünü düşürebilecek birkaç faktörden daha bahsetmek gerekiyor. Her şeyden önce, bunlar yararlı sinyali bozan ve sonuçta görüntü kalitesini bozan çeşitli "gürültüler"dir. Aşağıdaki gürültü türleri ayırt edilebilir:

Karanlık sinyal gürültüsü... Bu gürültünün ana nedeni, elektronların termiyonik emisyonudur (sensör malzemesinin ısıtılması sonucunda kendiliğinden elektron emisyonu). Sıcaklık ne kadar düşük olursa, karanlık sinyal o kadar düşük olur, yani. daha az gürültü, bu gürültüyü ortadan kaldırmak için bir panjur (çadır) ve mikrobolometre kalibrasyonu kullanılır.

okuma gürültüsü... Bir sensör pikselinde depolanan sinyal sensörden çıktığında, voltaja dönüştürülerek ve güçlendirildiğinde, her elemanda okuma gürültüsü adı verilen ek gürültü ortaya çıkar. Gürültüyle mücadele etmek için, genellikle gürültü azaltma algoritmaları olarak adlandırılan çeşitli yazılım görüntü işleme algoritmaları kullanılır.

Gürültüye ek olarak, cihazın yerleşimindeki hatalardan (baskılı devre kartlarının ve bağlantı kablolarının göreceli konumu, cihazın içindeki kablolar) veya baskılı devre kartlarının yönlendirilmesindeki hatalardan (göreceli konum) kaynaklanan parazitler nedeniyle çözünürlük önemli ölçüde azaltılabilir. iletken yolların sayısı, koruyucu katmanların varlığı ve kalitesi). Ayrıca cihazın elektrik devresindeki hatalar, çeşitli filtrelerin uygulanması için radyo elemanlarının yanlış seçilmesi, cihazın elektrik devrelerinin devre içi güç beslemesi parazite neden olabilir. Bu nedenle, elektrik devrelerinin geliştirilmesi, sinyal işleme için yazılım yazma, izleme kartları, termal görüntüleme cihazlarının tasarımında önemli ve karmaşık görevlerdir.

GÖZLEM ARALIĞI.

Termal görüntüleme cihazına sahip bir nesnenin gözlem aralığı, çok sayıda dahili faktörün (sensörün parametreleri, cihazın optik ve elektronik parçaları) ve dış koşulların (gözlenen nesnenin çeşitli özellikleri, arka plan, saflık) kombinasyonuna bağlıdır. atmosfer ve benzeri).

Gözlem aralığını tanımlamak için en uygun yaklaşım, sözde tarafından tanımlanan kurallara göre çeşitli kaynaklarda ayrıntılı olarak açıklanan algılama, tanıma ve tanımlama aralıklarına bölünmesidir. Gözlem aralığının doğrudan termal görüntüleme cihazının sıcaklığı ve uzamsal çözünürlüğü ile ilgili olduğu Johnson kriteri.

Konunun daha da geliştirilmesi için, gözlem nesnesinin kritik boyutu kavramını tanıtmak gerekir. Kritik boyut, karakteristik geometrik özelliklerini tanımlamak için nesnenin görüntüsünün analiz edildiği boyut olarak kabul edilir. Analizin gerçekleştirildiği nesnenin minimum görünen boyutu genellikle kritik olarak alınır. Örneğin, bir yaban domuzu veya karaca için, kritik boyut, bir kişi için vücudun yüksekliği - yükseklik olarak kabul edilebilir.

Belirli bir gözlem nesnesinin kritik boyutunun termal görüntüleyici sensörünün 2 veya daha fazla pikseline sığdığı aralık olarak kabul edilir. algılama aralığı... Algılama gerçeği, bu nesnenin varlığını belirli bir mesafede gösterir, ancak özellikleri hakkında bir fikir vermez (ne tür bir nesne olduğunu söylememize izin vermez).

Hakikat tanımak nesne, nesnenin türünü belirleme yeteneğini tanır. Bu, gözlemcinin o anda gözlemlenen şeyi - bir insan, bir hayvan, bir araba vb. - ayırt edebildiği anlamına gelir. Nesnenin kritik boyutunun sensörün en az 6 pikseline uyması koşuluyla tanımanın mümkün olduğu genel olarak kabul edilir.

Avlanma uygulaması açısından en büyük pratik fayda, tanımlama aralığı... Tanımlama, gözlemcinin yalnızca nesnenin türünü değil, aynı zamanda karakteristik özelliklerini de (örneğin, 1,2 m uzunluğunda ve 0,7 m yüksekliğinde bir erkek yaban domuzu) anlayabileceği anlamına gelir. Bu koşulun yerine getirilmesi için, nesnenin kritik boyutunun sensörün en az 12 pikseli tarafından kapsanması gerekir.

Tüm bu durumlarda, belirli bir seviyedeki bir nesneyi tespit etme, tanıma veya tanımlama olasılığının %50'sinden bahsettiğimizi anlamak önemlidir. Bir nesnenin kritik boyutuyla ne kadar çok piksel örtüşürse, algılama, tanıma veya tanımlama olasılığı o kadar yüksek olur.

ÇIKIŞ ÖĞRENCİSİNİN ÇIKARILMASI göz merceğinin son merceğinin dış yüzeyinden, gözlenen görüntünün en uygun olacağı (maksimum görüş alanı, minimum bozulma) gözlemcinin gözbebeği düzlemine kadar olan mesafedir. Bu parametre, çıkış gözbebeği mesafesinin en az 50 mm (optimum - 80-100 mm) olması gereken kapsamlar için çok önemlidir. Geri tepme sırasında nişancının görüş merceğinden yaralanmasını önlemek için çıkış gözbebeğine bu kadar büyük bir mesafe gereklidir. Kural olarak, gece görüş cihazlarında ve termal kameralarda, çıkış gözbebeğinin mesafesi, gece ekranın parlamasını maskelemek için gerekli olan vizör lastiğinin uzunluğuna eşittir.

TERMAL GÖRÜNTÜLEME CİHAZLARININ SENSÖRÜNÜN KALİBRASYONU

Termal görüntüleme cihazı kalibrasyonu, fabrika ve kullanıcı kalibrasyonu olarak ikiye ayrılır. Soğutmasız sensörlere dayalı termal görüntüleme cihazlarının üretim süreci, özel ekipman kullanılarak cihazın (lens-sensör çifti) fabrika kalibrasyonunu sağlar.

PULSAR termal kameraların yeni modellerini tanıyabilir ve bilinçli bir seçim yapabilirsiniz.