Тепловизор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Изображение собаки, сделанное тепловизором.
Thermographic camera.jpg

Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее как цветная картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета. Изучение тепловых изображений называется термографией.

Технологии[править | править вики-текст]

Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Спектральная плотность мощности излучения (функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Тела, нагретые до температур окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия) имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 7..14 мкм). Для технических целей интересен также диапазон температур до сотен градусов, излучающий в диапазоне 3..7 мкм. Температуры около тысячи градусов и выше не требуют тепловизоров для наблюдения, их тепловое свечение видно невооруженным глазом.

Датчик[править | править вики-текст]

Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получила разновидность на основе видиконов с пироэлектрической мишенью. В этих устройствах электронный луч сканировал поверхность мишени. Ток луча зависел от внутреннего фотоэффекта материала мишени под действием инфракрасного излучения. Такие приборы назывались пирикон или пировидикон.[1] Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.[2]

На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической разверткой. Такие тепловизоры называются сканирующими.[3][4][5] В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.

Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — болометров. Они представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280*720 точек[6]. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.

Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения (англ.) материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.

Оптика[править | править вики-текст]

Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий[7][8][9], но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло (англ.), селенид цинка[10] или даже полиэтилен. В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли[11], также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.

История создания[править | править вики-текст]

Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании энергии инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора.

Практически применимые тепловизионные системы начали своё развитие в 60-е годы XX столетия. Первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получили пириконы (пировидиконы).[1] Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.[12] Затем появились тепловизоры на твердотельных сенсорах с оптико-механическим сканированием поля зрения, формируемого объективом и одноэлементным приёмником излучения. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров[13], основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования[источник не указан 2327 дней].

В СССР и России[править | править вики-текст]

Первые тепловизоры гражданского назначения разрабатывались в СССР для медицинского применения в НПП «Исток» в 1970-х годах. С конца 1970-х началось серийное производство сканирующего тепловизора на охлаждаемом твердотельном датчике ТВ-03.[14] К моменту распада СССР выпускалась широкая гамма тепловизоров гражданского и промышленного назначения.[15].

Тепловизоры военного назначения получили развитие с 1970-х годов первоначально в виде авиационных оптико-локационных станций (ОЛС).[16][17] К концу 1980-х годов первые серийные тепловизионные прицелы «Агава-2» начали устанавливать и на танках.[18]

Развал постсоветской промышленности 1990-х годов и разработка на западе эффективных неохлаждаемых болометрических матриц вызвал значительное отставание России в этой области. Тепловизионные датчики и системы для гражданских и военных целей закупались за границей. Тем не менее начали появляться сообщения о преодолении технологического отставания и развертывании производства национальных датчиков.[19][20][21]

Область применения[править | править вики-текст]

Тепловизионный снимок кирпичного фасада для оценки потерь тепла

Контроль утечки энергоресурсов[править | править вики-текст]

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Прибор ночного видения[править | править вики-текст]

Тепловизионный прицел для стрелкового оружия. Хорошо видна характерная германиевая линза

Тепловизоры применяются вооруженными силами в качестве приборов ночного видения для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Спасательные службы[править | править вики-текст]

Пожарный с тепловизором

Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации.

Медицина[править | править вики-текст]

Fullbody 03.jpg

Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии.[14] В современной медицине тепловизор используется для выявления патологий, плохо поддающихся диагностике другими способами, в том числе для обнаружения злокачественных опухолей.

С 2008—2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.[22] [23]

Металлургия и машиностроение[править | править вики-текст]

При контроле температуры сложных процессов, характеризующихся неравномерным нагревом, нестационарностью и неоднородностью коэффициента теплового излучения, тепловизоры эффективнее пирометров, поскольку анализ получаемой термограммы или температурного поля осуществляется мощной зрительной системой человека.

Для улучшения достоверности измерения температуры нагреваемых металлов необходимо правильно выбирать спектральный диапазон регистрации теплового излучения[24]. Коэффициент теплового излучения ε металлов, нагреваемых свыше 400 °С, сильно изменяется за счет окисления их поверхности атмосферным кислородом[25]. Поэтому для регистрации их теплового излучения нужно выбирать участок спектра, в котором влияние неопределенности ε на получаемые показания температуры минимальное[24].

В тепловизионной технике используют разные участки спектра. При измерении невысоких температур регистрируют тепловое излучение в спектральном участке 8-14 мкм и иногда в области 3-5 мкм[26]. Для измерения температур, превышающих 700 °С, применяют высокотемпературные тепловизоры, использующие матрицы на основе Si[27] или InGaAs, которые чувствительны в ближней инфракрасной области спектра, где коэффициент теплового излучения металлов ε гораздо больше, чем в области 8-14 мкм[24][25]. При необходимости измерения истинной температуры используют тепловизоры, регистрирующие тепловое излучение в трех участках спектра.

Другие применения[править | править вики-текст]

Поиск перегрева электроцепей


Смартфоны[править | править вики-текст]

В 2014 году компания FLIR выпустила кожух для смартфонов Apple, в который вмонтирован тепловизор.[28] В том же году компания Seek Thermal выпустила отдельную тепловизионную камеру для iOS и Android устройств.[29] В феврале 2016 года анонсирован первый смартфон Caterpillar S60 со встроенным тепловизором, разработанным компанией FLIR.[30].

Изображения[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Пириконы
  2. Видиконы - Тепловизоры
  3. Сканирующие устройства и траектории сканирования — Тепловизоры
  4. СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОВИЗОРОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
  5. О тепловизорах
  6. DARPA developing personal LWIR cameras
  7. Германий
  8. Germanium Windows
  9. Germanium Plano-Convex Lenses
  10. Селенид цинка
  11. CRYSTALTECHNO Ltd
  12. Видиконы — Тепловизоры
  13. Rogalski A. Infrared detectors. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 c. ‎
  14. 1 2 Девятков Н. Д. Применение электроники в медицине и биологии. Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1993. № 1 (455). С. 67-76.
  15. Параметры тепловизоров
  16. Су-27
  17. История авиации. Раскаленный МиГ на фоне неба
  18. Тепловизоры
  19. В России наконец то появятся свои тепловизоры
  20. НПО ОРИОН
  21. Танковые тепловизоры от «Швабе»
  22. Комсомольская правда. Свиной грипп по воздуху к нам не доберется: в нижегородском аэропорту установили тепловизор.. kp.ru (13.08.2009). Проверено 25 февраля 2010. Архивировано из первоисточника 14 февраля 2012.
  23. СпецЛаб. Электронная вакцина против гриппа.. operlenta.ru (14.01.2010). Проверено 25 февраля 2010. Архивировано из первоисточника 14 февраля 2012.
  24. 1 2 3 http://www.ste.ru/siemens/pdf/rus/ardo_info.pdf‎
  25. 1 2 Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели: Пер. с польского — Л.: Энергия, 1978.
  26. В. В. Коротаев, Г .С. и др. Основы тепловидения — СПб: НИУ ИТМО, 2012. — 122 с.
  27. A Unique Ultra High Resolution Thermal Imager / Mikron Infrared Inc. Thermal Imaging Division.
  28. FLIR One
  29. Seek Thermal
  30. Новости технологий - Газета.Ru

Литература[править | править вики-текст]

  • Ллойд Дж. Системы тепловидения./Пер. с англ. под ред. А. И. Горячева. — М.: Мир, 1978, с. 416.
  • Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники, Издательство: Советское радио, год: 1978, страниц: 400.
  • Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы. Техника. Применение. М.: Мир, 1988.
  • В. А. Дроздов, В. И. Сухарев. Термография в строительстве — М.: Стройиздат, 1987. — 237 с.
  • Инфракрасная термография в энергетике. Т 1. Основы инфракрасной термографии / Под ред. Р. К. Ньюпорта, А. И. Таджибаева, авт.: А. В. Афонин, Р. К. Ньюпорт, В. С. Поляков и др.. — СПб.: Изд. ПЭИПК, 2000. — 240 с.
  • Огирко И. В. Рациональное распределение температуры по поверхности термочувствительного тела … стр. 332 // Инженерно-физический журнал Том 47, Номер 2 (Август, 1984)

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «тепловизор»