Ostatnie postępy w technologii detektora podczerwieni dla chłodzonego rtęciowo-kadmowo-tellurkowego (MCT lub HgCdTe) umożliwiły opracowanie wysokiej jakości kamer na podczerwień do stosowania w różnych wymagających aplikacjach termowizyjnych. Te kamery na podczerwień są teraz dostępne z czułością spektralną w paśmie widmowym krótkofalowym, średnim i długim oraz alternatywnie w dwóch pasmach. Ponadto dostępne są różne rozdzielczości kamer ze względu na średnie i duże matryce detektorów oraz różne rozmiary pikseli. Funkcje aparatu obejmują teraz również obrazy o wysokiej częstotliwości klatek, regulowanym czasie ekspozycji i wyzwalaniu zdarzeń, które umożliwiają rejestrowanie zdarzeń termicznych w czasie. Dostępne są zaawansowane algorytmy przetwarzania, które prowadzą do rozszerzonego zakresu dynamicznego, aby uniknąć nasycenia i zoptymalizować czułość. Te kamery na podczerwień można skalibrować, aby wartości wyjściowe odpowiadały temperaturom obiektu. Uwzględniono algorytmy korygujące niejednorodności, które są niezależne od czasu ekspozycji. Te funkcje i funkcje kamery umożliwiają różnorodne zastosowania termowizji, które wcześniej nie były możliwe.
Sercem szybkiej kamery na podczerwień jest chłodzony detektor MCT, który oferuje wyjątkową czułość i wszechstronność wyświetlania szybkich zdarzeń termicznych.
1. Widmowe pasma czułości na podczerwień
Ze względu na dostępność dużej liczby detektorów MCT opracowano szybkie kamery na podczerwień do pracy w kilku różnych pasmach spektralnych. Pasmem spektralnym można manipulować, zmieniając skład stopu HgCdTe i docelową temperaturę detektora. Rezultatem jest jednopasmowy detektor podczerwieni o wyjątkowej wydajności kwantowej (zwykle ponad 70%) i wysokim stosunku sygnału do szumu, który może wykryć bardzo niski poziom sygnału podczerwieni. Jednopasmowe detektory MCT zwykle należą do jednego z pięciu pokazanych nominalnych pasm spektralnych:
• Krótkofalowe kamery na podczerwień (SWIR) – widoczne do 2,5 mikrona
• Szerokopasmowe kamery na podczerwień (BBIR) – 1,5-5 mikronów
• Kamery na podczerwień średniofalowe (MWIR) – 3-5 mikronów
• Długofalowe kamery na podczerwień (LWIR) – odpowiedź 7-10 mikronów
• Kamery o bardzo długich falach (VLWIR) – odpowiedź 7-12 mikronów
Oprócz kamer wykorzystujących „monospektralne” detektory podczerwieni, które mają jednopasmową odpowiedź widmową, opracowywane są nowe systemy wykorzystujące detektory podczerwieni, które mają reakcję dwupasmową (znaną jako „dwukolorowa” lub dwupasmowa). Przykłady obejmują kamery o odpowiedzi MWIR / LWIR, które obejmują zarówno 3-5 mikronów, jak i 7-11 mikronów, lub alternatywnie niektóre pasma SWIR i MWIR lub nawet dwa podpasma MW.
Istnieje wiele powodów, które motywują wybór pasma spektralnego dla kamery na podczerwień. W niektórych zastosowaniach promieniowanie spektralne lub współczynnik odbicia obserwowanych obiektów określa najlepsze pasmo spektralne. Aplikacje te obejmują spektroskopię, podgląd, wykrywanie i ustawianie wiązek laserowych, analizę sygnatury celu, fenomenologię, obrazowanie zimnych obiektów i nadzór w środowisku morskim.
Ponadto można wybrać pasmo widmowe ze względu na obawy dotyczące zakresu dynamicznego. Taki rozszerzony zakres dynamiczny nie byłby możliwy z kamerą na podczerwień w zakresie widmowym MWIR. Wydajność systemu LWIR w szerokim zakresie dynamicznym można łatwo wyjaśnić, porównując przepływ w paśmie LWIR z przepływem w paśmie MWIR. Jak obliczono na podstawie krzywej Planckiana, rozkład przepływu spowodowany obiektami w bardzo różnych temperaturach w paśmie LWIR jest mniejszy niż w paśmie MWIR, gdy obserwuje się scenę z tym samym zakresem temperatur obiektu. Innymi słowy, kamera na podczerwień LWIR może rejestrować i mierzyć obiekty o temperaturze otoczenia o wysokiej czułości i rozdzielczości, a jednocześnie bardzo gorące obiekty (tj.> 2000 K). Obrazowanie dużych zakresów temperatur za pomocą systemu MWIR stanowiłoby poważne wyzwanie, ponieważ sygnał z obiektów o wysokiej temperaturze musiałby zostać drastycznie osłabiony, co prowadziłoby do słabej czułości obrazowania w temperaturach tła.
2. Rozdzielczość obrazu i pole widzenia
2.1 Tablice detektorów i rozmiary pikseli
Szybkie kamery na podczerwień są dostępne dzięki zastosowaniu detektorów podczerwieni o różnych rozmiarach matryc i pikseli oraz różnych opcjach rozdzielczości. Aplikacje, które nie wymagają szybkich kamer na podczerwień o wysokiej rozdzielczości opartych na detektorach QVGA, oferują doskonałą wydajność. Macierz 320 x 256 z 30 mikronowymi pikselami znana jest z niezwykle dużego zakresu dynamicznego, ponieważ wykorzystuje stosunkowo duże piksele z głębokimi zagłębieniami, niskim poziomem szumów i wyjątkowo wysoką czułością.
Matryce detektorów podczerwieni są dostępne w różnych rozmiarach, najczęściej są to QVGA, VGA i SXGA (patrz rysunek). Macierze VGA i SXGA mają gęstszą matrycę pikseli i dlatego zapewniają wyższą rozdzielczość. QVGA jest ekonomiczny i ma doskonały zakres dynamiczny ze względu na duże, czułe piksele.
Niedawno technologia mniejszych odstępów między pikselami spowodowała, że kamery na podczerwień zostały wyposażone w matryce detektorów w odległości 15 mikronów i zapewniają jedne z najbardziej imponujących obecnie dostępnych obrazów termicznych. W aplikacjach o wyższej rozdzielczości kamery o większych matrycach i mniejszych odstępach między pikselami zapewniają obrazy o wysokim kontraście i wysokiej czułości. Ponadto optyka o mniejszych odstępach między pikselami może być również mniejsza, co dodatkowo obniża koszty.
2.2 Właściwości soczewki podczerwieni
Obiektywy do szybkich kamer na podczerwień mają swoje specjalne właściwości. Najważniejsze specyfikacje to przede wszystkim ogniskowa (pole widzenia), liczba f (przysłona) i rozdzielczość.
Ogniskowa: Obiektywy są zwykle identyfikowane na podstawie ogniskowej (np. 50 mm). Pole widzenia kombinacji aparatu i obiektywu zależy od ogniskowej obiektywu i ogólnej średnicy obszaru obrazu detektora. Wraz ze wzrostem ogniskowej (lub zmniejszeniem rozmiaru detektora) zmniejsza się pole widzenia tego obiektywu (wąskie).
Wygodny kalkulator pola widzenia online dla wielu szybkich kamer na podczerwień jest dostępny online.
Oprócz zwykłych ogniskowych dostępne są również zbliżenia w podczerwieni, za pomocą których można obrazować małe obiekty o dużym powiększeniu (1X, 2X, 4X).
Zbliżenia w podczerwieni zapewniają powiększony widok ciepła emitowanego przez małe przedmioty, takie jak elementy elektroniczne.
Numer przysłony: W przeciwieństwie do szybkich kamer światła widzialnego, obiektywy do kamer na podczerwień, które wykorzystują chłodzone detektory podczerwieni, muszą być zaprojektowane tak, aby były zgodne z wewnętrzną konstrukcją optyczną Dewara (zimna obudowa, w której znajduje się detektor podczerwieni FPA), ponieważ Dewar jest kompatybilny z Zimny stop (lub otwór) wewnątrz zapobiega promieniowaniu pasożytniczemu uderzającemu w detektor. Z powodu zimnego zatrzymania promieniowanie z kamery i obudowy obiektywu jest zablokowane, promieniowanie podczerwone, które może znacznie przekraczać promieniowanie obserwowane przez obiekty. W rezultacie energia podczerwieni wykrywana przez detektor jest głównie spowodowana promieniowaniem z obiektu. Pozycja i rozmiar źrenicy wyjściowej soczewek na podczerwień (i liczba f) muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby odpowiadały pozycji i średnicy zimnego przystanku Dewara. (W rzeczywistości liczba f obiektywu zawsze może być niższa niż efektywna liczba f zimnego zatrzymania, pod warunkiem, że jest zaprojektowana do zatrzymania zimna w prawidłowej pozycji.)
Soczewki do kamer z chłodzonymi detektorami podczerwieni muszą być opracowane nie tylko dla konkretnej rozdzielczości i pozycji FPA, ale także dla pozycji i średnicy zimnego stopu, który zapobiega uderzeniu promieniowania przez detektor.
Rozdzielczość: Funkcja przenoszenia modulacji (MTF) soczewki to właściwość, która pomaga określić zdolność soczewki do rozpoznawania szczegółów obiektu. Obraz wytwarzany przez układ optyczny pogarsza się nieco z powodu aberracji i dyfrakcji soczewki. MTF opisuje, jak zmienia się kontrast obrazu z częstotliwością przestrzenną treści obrazu. Zgodnie z oczekiwaniami, większe obiekty mają stosunkowo wysoki kontrast w porównaniu do mniejszych obiektów. Zazwyczaj niskie częstotliwości przestrzenne mają MTF zbliżone do 1 (lub 100%); Wraz ze wzrostem częstotliwości przestrzennej MTF ostatecznie spada do zera, ostatecznego limitu rozdzielczości dla konkretnego układu optycznego.
3. Funkcje szybkiej kamery na podczerwień: zmienny czas ekspozycji, liczba klatek na sekundę, wyzwalanie, radiometria
Szybkie kamery na podczerwień są idealne do obrazowania szybko poruszających się obiektów termicznych, a także zdarzeń termicznych, które występują w bardzo krótkim czasie, zbyt krótkim, aby standardowe kamery na podczerwień 30 Hz mogły uchwycić dokładne dane. Popularne aplikacje to mapowanie rozmieszczenia poduszek powietrznych, analiza łopat turbiny, analiza dynamicznego hamowania, analiza termiczna pocisków i badanie efektów cieplnych materiałów wybuchowych. W każdej z tych sytuacji szybkie kamery na podczerwień są skutecznymi narzędziami do przeprowadzania wymaganej analizy zdarzeń, które w przeciwnym razie byłyby niewykrywalne. Ze względu na wysoką czułość schłodzonego detektora MCT kamery na podczerwień możliwe jest wykrywanie szybkich zdarzeń termicznych.
Detektor podczerwieni MCT jest realizowany w trybie „migawki”, w którym wszystkie piksele jednocześnie integrują promieniowanie cieplne obserwowanych obiektów. Ramka pikselowa może być naświetlona przez bardzo krótki czas, wynoszący tylko <1 mikrosekundę do 10 milisekund. W przeciwieństwie do widocznych szybkich kamer, szybkie kamery na podczerwień nie wymagają migających świateł do wyświetlania zdarzeń, więc oświetlenie nie musi być synchronizowane z integracją pikseli. Emisja ciepła z obserwowanych obiektów jest zwykle wystarczająca do wykonania w pełni funkcjonalnych zdjęć poruszającego się obiektu.
Ze względu na zalety wysokowydajnego detektora MCT i zaawansowanego cyfrowego przetwarzania obrazu, dzisiejsze kamery na podczerwień mogą wykonywać wiele funkcji wymaganych do szczegółowej obserwacji i przeglądu szybkich zdarzeń. Dlatego pomocne jest sprawdzenie użycia aparatu, w tym efektów zmiennego czasu ekspozycji, liczby klatek na sekundę dla pełnych i dolnych okien, rozszerzenia zakresu dynamicznego i wyzwalania zdarzeń.
3.1 Krótkie czasy ekspozycji
Wybór najlepszego czasu integracji jest zwykle kompromisem między wyeliminowaniem rozmycia w ruchu a przechwyceniem wystarczającej ilości energii do wygenerowania pożądanego obrazu termicznego. Zazwyczaj większość obiektów emituje wystarczającą ilość energii w krótkich odstępach czasu, aby nadal wytwarzać obraz termiczny o bardzo wysokiej jakości. Czas ekspozycji można wydłużyć, aby wprowadzić więcej wypromieniowanej energii, aż do osiągnięcia poziomu nasycenia, zwykle kilka milisekund. Z drugiej strony, w przypadku poruszających się obiektów lub zdarzeń dynamicznych, czas ekspozycji musi być jak najkrótszy, aby wyeliminować rozmycie ruchu.
Opony pracujące na dynamometrze mogą być obrazowane przez szybką kamerę na podczerwień w celu określenia efektów ogrzewania termicznego w wyniku symulowanego hamowania i pokonywania zakrętów.
Odpowiednim zastosowaniem jest badanie właściwości termicznych opon w ruchu. W tej aplikacji, obserwując opony jadące szybką kamerą na podczerwień przy prędkościach powyżej 250 km / h, badacze mogą gromadzić szczegółowe dane dotyczące temperatury podczas dynamicznych testów opon, aby symulować obciążenia związane z obracaniem i hamowaniem pojazdu. Rozkłady temperatur na oponie mogą wskazywać potencjalne obszary problemowe i obawy dotyczące bezpieczeństwa, które należy przeprojektować. W tej aplikacji czas naświetlania kamery na podczerwień musi być wystarczająco krótki, aby usunąć rozmycie ruchu, które zmniejszyłoby wynikową rozdzielczość przestrzenną sekwencji obrazów. Dla pożądanej rozdzielczości opony wynoszącej 5 mm pożądany maksymalny czas ekspozycji można obliczyć na podstawie geometrii opony, jej rozmiaru i położenia w stosunku do kamery oraz pola widzenia soczewki podczerwieni. Wymagany czas ekspozycji określono na mniej niż 28 mikrosekund. Komputera Plancka można użyć do obliczenia sygnału, który zostałby uzyskany z kamery na podczerwień, która została ustawiona za pomocą określonej optyki aperturowej. Wynik pokazuje, że dla temperatury obiektu oszacowanej na 80 ° C kamera na podczerwień LWIR dostarcza sygnał z 34% wypełnieniem odwiertu, podczas gdy kamera MWIR zapewnia sygnał tylko z 6% wypełnieniem odwiertu. Kamera LWIR jest idealna do tego testu opon. Kamera MWIR nie działałaby tak dobrze, ponieważ sygnał wyjściowy w paśmie MW jest znacznie niższy, co albo wymaga dłuższego czasu ekspozycji, albo innych zmian w geometrii i rozdzielczości konstrukcji.
Reakcję kamery na podczerwień podczas obrazowania obiektu termicznego można przewidzieć na podstawie właściwości ciała czarnego obserwowanego obiektu, prawa Plancka dla ciała czarnego oraz czułości detektora, czasu ekspozycji, przepuszczalności atmosfery i przepuszczalności soczewki.
3.2 Zmienna liczba klatek na sekundę dla obrazów pełnoekranowych i okien podrzędnych
Podczas gdy kamery termowizyjne na podczerwień o standardowej prędkości zwykle dostarczają obrazy o szybkości 30 klatek / sekundę (z czasem integracji 10 ms lub dłuższym), kamery termowizyjne na podczerwień o dużej prędkości mogą generować znacznie więcej obrazów na sekundę. Maksymalna liczba klatek na sekundę dla zobrazowania całej matrycy kamery jest ograniczona przez zastosowany czas ekspozycji i częstotliwość zegara kamery w pikselach. Zazwyczaj aparat 320×256 zapewnia szybkość do 275 klatek na sekundę (dla czasów ekspozycji poniżej 500 mikrosekund). Kamera 640×512 zapewnia do 120 klatek na sekundę (dla czasów ekspozycji krótszych niż 3 ms).
Możliwość wysokiej liczby klatek na sekundę jest bardzo pożądana w wielu aplikacjach, gdy zdarzenie występuje w krótkim czasie. Jednym z przykładów są testy uruchomienia poduszki powietrznej, które oceniają skuteczność i bezpieczeństwo w celu wprowadzenia zmian w projekcie, które mogą poprawić wydajność. Szybka kamera na podczerwień pokazuje rozkład ciepła w okresie od 20 do 30 ms, w którym wyzwolona jest poduszka powietrzna. W wyniku testów producenci poduszek powietrznych dokonali zmian w swoich projektach, w tym czasu nadmuchiwania, wzorów składania, wzorów łez i objętości nadmuchiwania. Gdyby użyto standardowej kamery na podczerwień, przy pierwszym użyciu mogłaby dostarczyć tylko 1 lub 2 obrazy, a obrazy byłyby rozmyte, ponieważ torebka byłaby w ruchu podczas długiego czasu ekspozycji.
Testy skuteczności poduszek powietrznych zaowocowały zmianami konstrukcyjnymi w celu poprawy wydajności. Szybka kamera na podczerwień pokazuje rozkład ciepła w okresie od 20 do 30 ms, w którym wyzwolona jest poduszka powietrzna. W wyniku testów producenci poduszek powietrznych dokonali zmian w swoich projektach, w tym czasu nadmuchiwania, wzorów składania, wzorów łez i objętości nadmuchiwania.
Jeszcze wyższe liczby klatek można uzyskać, wysyłając tylko części matrycy detektora kamery. Jest to idealne rozwiązanie, jeśli interesujące są mniejsze obszary zainteresowania. Obserwując tylko „podokna” z mniejszą liczbą pikseli niż pełny obraz, można zwiększyć liczbę klatek na sekundę. Niektóre kamery na podczerwień mają minimalne rozmiary okien. Zwykle kamera 320×256 ma minimalny rozmiar podokna 64×2 i wysyła te sub-ramki z częstotliwością prawie 35 kHz. Kamera 640×512 ma minimalny rozmiar okna pomocniczego 128×1 i wysyła te podramki szybciej niż 3 kHz.
Ze względu na złożoność synchronizacji aparatu cyfrowego kalkulator liczby klatek na sekundę jest praktycznym narzędziem do określania maksymalnej liczby klatek na sekundę, jaką można uzyskać dla różnych rozmiarów obrazu.
3.3 Rozszerzenie zakresu dynamicznego
Jednym z komplikacji detektora podczerwieni o bardzo wysokiej czułości jest to, że cały zakres dynamiczny sceny jest ograniczony. Na przykład, jeśli nieprzetworzona liczba odpowiada 5 mK / cyfrowej, 14-bitowy zakres sygnału zapewnia zakres dynamiczny mniejszy niż 80 ° C.Zakres ten jest jeszcze bardziej zmniejszony z powodu nierówności pikseli. W rezultacie zakres temperatur obiektów, które mogą być wyświetlane w ramce, może być zbyt wąski do zastosowania.
Aby zwiększyć pozorny zakres dynamiczny, można wdrożyć unikalne rozwiązanie, które pozwala użytkownikowi sztucznie rozszerzyć zakres dynamiczny bez uszczerbku dla wysokiej czułości aparatu. (Ten tryb jest czasami określany jako Dynamic Range ExtendIR, DR-X, Superframing, Multi-IT.) Gdy tryb Dynamic Range Extend jest włączony, kamera rejestruje wiele zdjęć kolejno, każde z innym czasem ekspozycji. Krótka sekwencja obejmuje bardzo czułe obrazy (z powodu długiego czasu ekspozycji) i mniej czułe obrazy do obrazowania obiektów w wyższych temperaturach (z powodu krótszych czasów ekspozycji). Aby proces był skuteczny, całkowity czas sekwencji obrazów musi być wystarczająco krótki, aby uniknąć rozmazania ruchu. W takim przypadku oprogramowanie aparatu łączy obrazy w ramkę z całym zakresem dynamicznym sekwencji.
Jako przykład rozważ następującą sekwencję obrazów przedstawiających proces mieszania zimnej cieczy w kolbie wrzącej cieczy. Jeśli czas ekspozycji zostanie wybrany na podstawie całego zakresu temperatur, rozdzielczość termiczna chłodniejszych obiektów będzie niska. I odwrotnie, jeśli czas ekspozycji zostanie wybrany w celu poprawy rozdzielczości termicznej zimnej cieczy, cieplejsze obiekty mogą powodować nasycenie. W rezultacie, gdy zakres dynamiczny zostanie rozszerzony, można wybrać kilka czasów integracji obejmujących cały zakres dynamiczny sceny.
Czas ekspozycji 110 mikrosekund / klatki 1,4,7 / zakres temperatury obiektu 65-150 ° C.
Czas naświetlania 600 mikrosekund / obrazy 2.5.8 / zakres temperatury obiektu 35-70 ° C.
Czas naświetlania 1375 mikrosekund / zdjęcia 3,6,9 / zakres temperatury obiektu 5-40 ° C.
W tym przykładzie wybrano trzy czasy ekspozycji (1375 mikrosekund, 600 mikrosekund i 110 mikrosekund), aby pokryć szeroką temperaturę sceny. Aparat następnie analizuje każdy czas ekspozycji z pełną liczbą klatek na sekundę. Jeśli aparat działa z szybkością 240 klatek / sekundę, pierwsze zdjęcie jest przy pierwszym czasie ekspozycji, drugie zdjęcie przy drugim czasie ekspozycji, a trzecie przy trzecim czasie ekspozycji. Czwarta klatka ponownie rozpoczyna sekwencję przy pierwszej ekspozycji. System skutecznie tworzy trzy sekwencje rozmieszczone w trzech klatkach z prędkością 80 klatek / sekundę z trzema czasami ekspozycji. Sekwencyjne klatki można połączyć w pełną sekwencję za pomocą przetwarzania obrazu, w wyniku czego pozorny sygnał jest określany piksel po pikselu, co dodatkowo zwiększa zakres dynamiczny. Powstały obraz pokazano poniżej (ze skalą temperatury obiektu od 5 do 150 ° C):
Czasy ekspozycji odpowiadają różnym czułościom aparatu. Podczas pracy aparat jest zaprogramowany do wybierania odpowiedniego czasu ekspozycji klatka po klatce. Wynikowe dane to albo wiele sekwencji utworzonych z wielu czasów integracji, albo połączona sekwencja, która wykorzystuje najbardziej odpowiednie dane na podstawie sceny. Ponadto użytkownik może zmieniać liczbę obrazów na czas integracji i używać wewnętrznego mechanizmu filtru do tłumienia lub danych spektralnych.
Niektóre zastosowania wymagają bardzo dużych zakresów termodynamicznych, które mogą nie być możliwe przy jednym czasie integracji. Tryb rozszerzania zakresu dynamicznego szybkiej kamery na podczerwień pozwala użytkownikowi przełączać czasy ekspozycji z największą możliwą prędkością dla kamery.
3.4 Wyzwalanie zdarzeń
Aby rejestrować zdarzenia o wysokiej prędkości, kamery na podczerwień muszą być odpowiednio zsynchronizowane. W powyższym przykładzie do badań opon w sekcji 3.1 możliwe jest zastosowanie optycznego kodera na obracającej się oponie, który umożliwia precyzyjne wykrywanie położenia. Sygnał TTL generowany przez koder optyczny może być doprowadzony do kamery na podczerwień w celu uruchomienia sekwencji nagrywania dla kamery. W rezultacie kamera wystawia detektor podczerwieni na określony czas ekspozycji za każdym razem, gdy enkoder wysyła impuls w celu wykonania zdjęcia. W ten sposób można utworzyć sekwencję obrazów zatrzymania w czasie rzeczywistym za pomocą oprogramowania.
Oprócz możliwości zaakceptowania zewnętrznego wyzwalacza TTL, kamery na podczerwień mają inne funkcje, które poprawiają ich zdolność do rejestrowania szybkich zdarzeń. Na przykład niektóre funkcje wyzwalania kamery na podczerwień umożliwiają synchronizację wyzwalania z żądanym przechwytywaniem obrazu. Ponieważ cyfrowe ramki obrazu są rejestrowane w czasie rzeczywistym, wstępne wyzwalanie umożliwia oprogramowaniu zidentyfikowanie początku żądanej sekwencji, która faktycznie nastąpi przed sygnałem wyzwalającym! Dostępne są również opóźnienia po wyzwoleniu, aby wyrównać wykrywanie ramek ze zdarzeniem następującym po wyzwoleniu po zaprogramowanym opóźnieniu.
Ponadto większość dzisiejszych szybkich kamer termowizyjnych może zapewniać sygnał wyjściowy wyzwalacza, dzięki czemu urządzenia zewnętrzne mogą być synchronizowane z kamerą termowizyjną. Dlatego kamera może być niewolnikiem lub niewolnikiem. W aplikacji, w której wiele kamer jest używanych do wyświetlania tego samego celu pod różnymi kątami, przydatne jest posiadanie zarówno wejścia wyzwalającego, jak i wyjścia wyzwalającego. W takim przypadku dane można skompilować w trójwymiarową reprezentację profilu termicznego za pomocą oprogramowania.
3.5 Kalibracja: korekta niejednorodności i radiometria
Jednym z wyzwań związanych z uzyskaniem najlepszych danych z wysokowydajnego systemu kamer na podczerwień było utrzymanie właściwej kalibracji. Kalibracja często odnosi się do dwóch różnych procesów. Korekta nierównomierności jest konieczna w celu skalibrowania czujnika w celu uzyskania optymalnej jakości obrazu. Druga kalibracja dotyczy określania temperatury obiektów na podstawie ich jasności obrazu.
Wymagana jest korekcja nierównomierności, aby zapewnić, że matryca detektora podczerwieni zapewnia najlepszą możliwą jakość obrazu. Każdy piksel w matrycy detektorów ma nieuchronnie nieco inną wartość wzmocnienia i przesunięcia. Ponadto niektóre piksele mogą mieć inne nienormalne właściwości odbiegające od normy. Wzmocnienie i przesunięcie dla wszystkich pikseli w tablicy muszą być dostosowane tak, aby każdy piksel był identyczny z innymi. Różnice mogą występować z różnych powodów, w tym z niejednorodności detektora i efektów optycznych, takich jak nierównomierność oświetlenia soczewki, która tłumi promieniowanie pozorne w pobliżu krawędzi obrazu. Nieprawidłowe sygnały pikseli muszą zostać zastąpione wartościami średnimi najbliższego sąsiada odpowiednimi do zastosowania.
Aby skorygować wzmocnienie i przesunięcie, należy utworzyć kalibrację o nazwie Korekta nierównomierności (NUC). Proces zazwyczaj wymaga od użytkownika wystawienia detektora na działanie „zimnego” i „gorącego” źródła ciała czarnego. Algorytm koryguje następnie nierównomierność sygnału detektora. Podobny proces o nazwie „Zła wymiana pikseli” (BPR) jest wymagany dla wszystkich pikseli sklasyfikowanych jako „złe”. Oznacza to, że odbiegają one od pewnych wartości progowych, które zostały ustalone dla oceny jednorodności lub z powodu głośnego zachowania.
Korygowanie nierówności jest skomplikowane, ponieważ wydajność pikseli zmienia się dla każdego czasu integracji. Dlatego proces ten musiałby być wykonywany dla każdego czasu integracji wybranego przez użytkownika. Ponieważ kamery o wysokiej wydajności mogą pracować od 1us do> 10ms, oznacza to, że teoretycznie należy wykonać 10 000 kalibracji. Jednak ze względu na liniową odpowiedź detektora dokonano ostatnich postępów, aby proces ten był przejrzysty dla użytkownika. Proces o nazwie TrueThermal pozwala użytkownikowi wybrać dowolny czas integracji, a kamera automatycznie wskazuje tabelę wyszukiwania z właściwościami NUC i BPR utworzonymi w fabryce użytkownika lub na miejscu. W tej sytuacji, gdy tylko użytkownik wybierze odpowiedni czas integracji, system kamer wykorzystuje predefiniowaną tabelę NUC i BPR, aby umożliwić natychmiastowe i płynne działanie.
Po skalibrowaniu czujnika w celu uzyskania stałej jakości obrazu aparat można skalibrować do pomiaru radiometrycznego lub temperatury. Jeśli kamera na podczerwień jest odpowiednio skalibrowana, temperaturę obiektu można określić na podstawie sygnału promieniowania na obrazach termicznych, temperatury otoczenia w tle, możliwych efektów atmosferycznych i właściwości emisyjnych obiektu. Często szczególnie przydatna jest możliwość użycia kamery na podczerwień do pomiaru temperatury obiektów (takich jak pociski), które poruszają się z dużą prędkością. Ma to zastosowanie w kilku ważnych sytuacjach, w tym: śledzeniu pocisków, statku kosmicznego i innych obiektów, określaniu trajektorii pocisków i pocisków oraz automatycznej identyfikacji ich pochodzenia na podstawie informacji o trajektorii oraz tworzeniu sygnatur termicznych dla celów wojskowych.
Niektórzy użytkownicy wymagają kalibracji danych termicznych do celów radiometrii. Te dane radiometryczne zależą również od pewnego czasu integracji i muszą zawierać poprawki NUC i BPR. W przeszłości wymagana była wyraźna kalibracja radiometryczna dla każdego czasu integracji. Obecnie funkcja kalibracji TrueThermal ułatwia proces nie tylko poprzez korektę NUC i BPR, ale także zastosowanie odpowiedniej tabeli kalibracji radiometrycznej do danych. W ten sposób użytkownik może teraz zmieniać czasy integracji w czasie rzeczywistym i całkowicie korygować dane do NUC, BPR i kalibracji radiometrycznej.
4. Zastosowania kamer na podczerwień
Kontrola IR w fazie projektowania, testowania i produkcji:
Technologia obrazowania termicznego stała się niezwykle cenną technologią w wielu branżach do badania i testowania różnych projektów i procesów. Podpisy termiczne mogą wynikać z przyczyn elektrycznych, elektromechanicznych, chemicznych lub innych. Obrazy termiczne pokazują rozpraszanie ciepła, przewodność cieplną, nierównomierność i inne ważne czynniki diagnostyczne.
Obrazowanie hiperspektralne i gazowe, teledetekcja:
Szerokopasmowe kamery na podczerwień są bardzo przydatne do obrazowania hiperspektralnego (który obejmuje akumulację spektralnego zestawu czasów), obrazowania gazowego (co występuje w bardzo wąskiej części spektrum podczerwieni) i teledetekcji (mapowanie rozproszenia wstecznego, odbicia i różnic emisji) różne materiały). Dostępne jest potężne oprogramowanie do przetwarzania obrazów do analizy uzyskanych obrazów w podczerwieni.
Pomiar i śledzenie sygnatury docelowej:
Spektralne właściwości pojazdów, broni i środków zaradczych okazały się ważne w wielu zastosowaniach. Szeroki zakres spektralny, wysoka rozdzielczość i wysoka czułość to główne cechy kamer na podczerwień do tych zastosowań. Oferujemy wielospektralne systemy obrazowania z szeroką gamą optyki. Ponadto oferujemy potężne systemy akwizycji danych z akwizycją obrazu w czasie rzeczywistym i analizą radiometryczną.
Badania i rozwój:
Obrazowanie termiczne jest szeroko stosowane w technicznych i naukowych ośrodkach badawczych na całym świecie. Obrazowanie termiczne zapewnia wgląd w ważne informacje o termicznych i spektralnych właściwościach obiektu. W pewnych okolicznościach można wywoływać informacje o zdarzeniach o dużej prędkości (dostępne w przypadku kamer o dużej liczbie klatek na sekundę) i okolicznościach wymagających dużego zakresu dynamicznego (dostępne w przypadku kamer ze zmienną integracją). Kluczem do korzystania z tych kamer jest często oprogramowanie specyficzne dla aplikacji, które umożliwia szczegółową analizę zarówno obrazów dwuwymiarowych, jak i tablic sekwencji obrazów.
Medizinische Bildgebung, Körpertemperaturerkennung:
Viele physiologische Zustände führen zu Schwankungen der Körpertemperatur und der Temperaturverteilung im menschlichen Körper. Beispielsweise ist die Installation von Thermografiekameras an Flughäfen in vielen Regionen der Welt zu einem wichtigen Screening-Tool für die Schweinegrippe und SARS geworden. Die Thermografie wurde auch als Screening-Tool für Anwendungen wie Brustkrebs und Schmerztherapie eingesetzt.
Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP):
Die Wärmebildtechnik ist eine nicht-invasive Technik, die bei Anwendung mit einem bestimmten Stimulus einen Blick auf unterirdische Defekte in schwierigen Testproben bietet. Die Inspektion von Flugzeugteilen aus Verbundwerkstoffen gewinnt bei der Herstellung und dem Service von Flugzeugzellen breite Akzeptanz. Fortschrittliche Materialien finden Eingang in Automobil- und Konsumgüter, und die thermografische ZfP ist eine schnelle und weiträumige Siebtechnik, die sehr kostengünstig ist.
Zusammenfassung
Aufgrund der beeindruckenden Leistung der MCT-Detektortechnologie sind Hochleistungs-Infrarotkameras verfügbar geworden, die eine Vielzahl anspruchsvoller Wärmebildanwendungen ermöglichen. Es steht eine Auswahl von Infrarotkameras mit Mittelformat- bis Großformatdetektoren und einer spektralen Empfindlichkeit im kurz-, mittel- und langwelligen Spektralbereich zur Verfügung. Die Vielseitigkeit der Kameras ist bestimmten Funktionen zu verdanken, darunter Bildgebung mit hoher Bildrate, einstellbare Belichtungszeit, Ereignisauslösung, die die Erfassung zeitlicher thermischer Ereignisse ermöglicht, Erweiterung des Dynamikbereichs, Korrektur von Ungleichmäßigkeiten und radiometrische Kalibrierung. Diese Leistungsfähigkeiten und Kamerafunktionen ermöglichen eine breite Palette von Wärmebildanwendungen, die bisher nicht möglich waren, darunter: IR-Inspektion in Design, Test und Herstellung, hyperspektrale Bildgebung, Gasdetektion, Fernerkundung, Messung und Verfolgung von Zielsignaturen, Forschung und Entwicklung, medizinische Bildgebung und NDT.
[ff id=”5″]