Термография

Современные тепловизионные приёмники можно разделить на два типа:

Первый тип — неохлаждаемые микроболометры — работают при комнатной температуре, имеют малые габариты и относительно дёшевы, так как система охлаждения отсутствует, имеют фундаментальные ограничения по быстродействию и чувствительности из-за двойного преобразования (ИК-свет нагревает площадку, а электросопротивление площадки зависит от температуры). Недостатки, однако, не мешают им занимать 95 % тепловизионного рынка в виду существенных достоинств и, главное, цены.

Второй тип — охлаждаемые полупроводниковые кристаллы (${\displaystyle {\ce {InSb}}}$, ${\displaystyle {\ce {InAs}}}$, ${\displaystyle {{\ce {HgCdTe}}}}$ и др.) в виде двумерных массивов ПЗИ-конденсаторов или p-n-переходов (диоды), соединённых попиксельно через микростолбики из индия (${\displaystyle {\ce {In}}}$) методом flip-chip с микросхемой считывания (мультиплексором) из кремния. Сам кремний прозрачен почти во всем ИК-диапазоне, по этому сделать из него тепловизор не получится, однако, он активно применяется для приборов ИК-оптики. Полупроводниковые приёмники за счёт одностадийного преобразования (ИК-свет порождает заряд непосредственно) обладают лучшими характеристиками чувствительности и быстродействия в сравнении с болометрами. Без охлаждения полупроводниковые приёмники работают плохо — из-за собственной температуры они не видят часть ИК-излучения, поступающего снаружи через объектив. Для охлаждения принято применять жидкий азот (дёшево, безопасно, практически неограниченный механический ресурс) или холодильные машины (достаточно дороги, ограниченный механический ресурс, высокое энергопотребление, акустический и электромагнитный шум). Современные холодильные машины лишены многих этих недостатков и стоят хороших денег.

Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C, в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более чем 2000 °C. Так, для инфракрасной съёмки для показа чего-либо температура объекта должна быть свыше 250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от чего-то горячего. Следует отметить, что наиболее распространённые приборы ночного видения только усиливают слабый отражённый от объектов свет, который создаётся, например, звёздным светом или луной, и через них невозможно увидеть тепло или работать в полной темноте (без активной подсветки «ИК-фонариком»).

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение. Следовательно, отличный способ для измерения тепловых изменений состоит в том, чтобы использовать устройство инфракрасного видения, обычно приёмник тепловизора, позволяющий обнаруживать излучение в среднем (от 3 до 5 μм) и дальнем (от 8 до 15 μм) диапазонах инфракрасной полосы частот (обозначаемых в зарубежных источниках MWIR и LWIR) и соответствующих спектральным «окнам» с высоким коэффициентом пропускания атмосферы вблизи поверхности Земли.

В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение природного температурного уровня по сравнению с температурой окружения. У пассивной термографии много применений, таких, как наблюдение людей на сцене, или в медицине. В активной термографии иначе — там источник энергии должен создавать температурный контраст между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся в температурном равновесии с окружающей средой. Современные тепловизоры позволяют с помощью специального программного обеспечения определять температуру в каждой точке термограммы.

• Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади;
• Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени;
• Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя;
• Измерение в областях, где другие методы невозможны (объекты с малой теплоёмкостью) или сопряжены с риском для здоровья;
• Неразрушающий контроль;
• Облегчает поиск дефектов (трещин) в колоннах или других металлических частях;
• Сама возможность видеть тепло даже со скоростью 1 кадр в секунду, даже с невысоким пространственным разрешением уже покрывает существенную долю тепловизионного рынка.

• Качественные камеры дороги;
• Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность;
• Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств, впрочем, как и на любого другого специалиста;
• Возможность измерения в основном только температуры поверхностей, так как большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне (например, человек).

Создание термограмм на основе тепловых изображений находит множество применений. Например, пожарные используют их для обнаружения в условиях задымления людей и установления очагов возгорания. С помощью тепловых изображений в технике, обслуживающей линии электропередач, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить неисправности при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений^[3].

• Мониторинг условий;
• Медицинская визуализация;
• Ночное видение^[4];
• Исследование;
• Управление процессом;
• Неразрушающий контроль;
• Наблюдения в области обеспечения безопасности, правоохранной деятельности и защите;
• Химическая визуализация.

Тепловые инфракрасные камеры преобразуют энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Все объекты с температурой выше 0 кельвинов излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому инфракрасные камеры могут пассивно видеть все объекты независимо от наличия окружающего освещения. Тем не менее, большинство тепловых камер видят только объекты теплее −50 °C, так как интенсивность излучения тел пропорциональна температуре в четвёртой степени (очень резкая зависимость).

Спектр и уровень теплового излучения сильно зависит от температуры поверхности объекта. Это даёт возможность тепловой камере видеть температуру объектов. Тем не менее, другие факторы также влияют на излучение, регистрация которого ограничивается точностью техники. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также и от поглощающей, пропускающей и отражающей способности объекта. Так, излучение, первоначально испускаемое окружающей средой, отражается объектом и/или проходит через него и складывается с собственным излучением объекта, которое и регистрируется прибором.