Инфракрасные камеры, виды, принцип работы

Что такое инфракрасные (ИК) камеры?

"Инфракрасные камеры - это камеры, чувствительные к инфракрасному излучению. Доступны для разных спектральных областей, которые существенно отличаются по производительности и областям применения. Например, разрешение изображения, чувствительность и частота кадров..."

Полезные статьи:

Что такое фотокамера? Виды, принцип работы

Какой объектив фотоаппарата выбрать?

Все статьи

Большинство приборов имеют двумерный датчик изображения (матрица фокальной плоскости), который передает цифровые данные через какой-либо электронный интерфейс, например, типа USB, Camera Link или LAN. 

Однако некоторые специальные камеры оснащены линейным датчиком одномерного изображения. Они часто используются для непрерывного отображения движущихся предметов. Например, на производственных линиях и в лазерных сканерах.

Инфракрасные камеры могут быть чувствительны к видимому и ультрафиолетовому излучению, а могут и не быть. Часто они включают в себя оптический фильтр, который пропускает только инфракрасный свет, так что чувствительность к нежелательным длинам волн исключается.

Как правило, инфракрасные камеры не предоставляют спектральную информацию, а только значения интенсивности для своих пикселей, в отличие например, от фотокамер. Когда представлены красочные изображения с инфракрасных камер, они обычно содержат ложные цвета, которые кодируют только значения интенсивности. 

Существуют также приборы для многоспектральной или гиперспектральной визуализации, которые обычно требуют более сложной настройки, например, с дисперсионной оптикой и линейным сканером.

Обнаружение инфракрасного света

Для обнаружения инфракрасного света подходят многие типы фотоприемников. Можно использовать фотодиоды на основе полупроводников с достаточно малой энергией запрещенной зоны. Однако детекторы, например, для области среднего инфракрасного диапазона требуют такой малой энергии запрещенной зоны, что носители могут возбуждаться не только светом, но и тепловой энергией. Т.к. энергия фотонов не намного превышает допустимый предел комнатной температуре. Поэтому инфракрасные детекторы часто приходится охлаждать до довольно низких температур, чтобы повысить их чувствительность. То же самое относится к инфракрасным камерам.

В частности, для ближнего инфракрасного излучения существуют ИК-зрители, где инфракрасный свет от некоторых пейзажей отображается на чувствительном к излучению фотокатоде. Генерируемые фотоэлектроны ускоряются высоким напряжением до флуоресцентного экрана, который затем отображает изображение, например, в зеленом цвете. Такие ИК-зрители используются, например, в лазерных лабораториях для отслеживания инфракрасных лазерных лучей.

Недорогие инструменты для визуализации инфракрасного излучения - это лазерные смотровые карты, которые излучают видимый свет (или меняют свой цвет) при попадании инфракрасного света. Довольно высокая чувствительность обнаружения возможна при преобразовании инфракрасного света в видимый.

Виды инфракрасных камер

Камеры ближнего инфракрасного диапазона

Обычные типы датчиков изображения для видимого света основаны на кремнии. Они обладают некоторой чувствительностью вплоть до оптических длин волн где-то между 1000 и 1100 нм, ограниченной энергией запрещенной зоны кремния. Хотя это уже относится к инфракрасной области, настоящая инфракрасная камера часто содержит сенсорный чип на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), который обеспечивает хорошую чувствительность примерно в диапазоне длин волн от 900 нм до 1700 нм. По сравнению с датчиками на основе кремния они существенно дороже и обычно обеспечивают более низкое разрешение – часто всего несколько сотен пикселей по горизонтали и вертикали, т.е. значительно ниже одного мегапикселя в целом.

Из-за меньшей энергии запрещенной зоны InGaAs оптимальная производительность с точки зрения темнового тока и шума достигается только при низких температурах; поэтому такие сенсорные чипы часто оснащаются термоэлектрическим охладителем (Пельтье). К сожалению, это существенно увеличивает потребление электроэнергии, и корпус часто нуждается в оптимизации с точки зрения отвода тепла. Для этих целей чачто используют охлаждающие ребера.

Необходимая для визуализации оптика существенно не отличается от оптики для видимых камер, поскольку нетрудно найти оптические стекла с высоким коэффициентом пропускания в этой области длин волн. По сути, требуются только адаптированные антибликовые покрытия и ахроматические линзы.

Камеры ближнего инфракрасного диапазона часто используются для целей инспекции. Например, они используются для контроля полупроводниковых пластин, солнечных элементов и различных других промышленных продуктов, а также для сельскохозяйственных товаров, таких как пшеница и фрукты. Другим примером являются профилировщики луча лазера.

Камеры ближнего инфракрасного диапазона также могут обеспечивать ночное видение в сочетании с некоторой инфракрасной подсветкой. Для целей наблюдения может быть выгодно работать только с невидимым освещением, хотя его можно относительно легко обнаружить. Пока приемлемо значительное время экспозиции, такие камеры могут работать при довольно низких уровнях инфракрасной освещенности.

Для тепловизионной съемки при комнатной температуре или ниже нее ближний инфракрасный диапазон спектра не подходит; для этого требуются камеры среднего инфракрасного диапазона, которые могут регистрировать фотоны меньшей энергии.

Средне и длинноволновые инфракрасные камеры

В основном для тепловизионных изображений (термографии) используются камеры среднего инфракрасного диапазона, которые могут реагировать на значительно более длинные оптические волны. Иногда значительно превышающие 10 мкм, что имеет отношение к тепловому излучению. Возможно получать температурные карты зданий, чтобы идентифицировать места с чрезмерными теплопотерями. Это должно работать даже при низких температурах, где тепловыделение довольно мало. 

Существует целый ряд других применений, например, связанных с медицинской диагностикой, неразрушающим контролем, обнаружением пожаров, спутниковым мониторингом профиля погоды, мониторингом загрязнения воздуха и составлением карт вырубки лесов, помимо военных применений, таких как пассивное инфракрасное наблюдение и ракеты с тепловым наведением.

Особый интерес представляют спектральные области с атмосферными окнами примерно 3-5 мкм (средневолновое инфракрасное окно, MWIR) и от 8 до 12 мкм (длинноволновое окно, LWIR). Здесь пропускание в атмосфере относительно высокое, в то время как в других областях длин волн наблюдается сильное поглощение инфракрасного излучения.

Для таких длинных волн требуется специальная инфракрасная оптика. К сожалению, это существенно увеличивает стоимость длинноволновых инфракрасных камер. Качество изображения такой оптики также обычно невелико, но это может и не иметь значения, поскольку разрешение требуемых датчиков изображения в любом случае довольно умеренное.

Инфракрасные фотоприемники с охлаждением

Полупроводниковые фотоприемники для таких длинных волн, соответствующих очень низким энергиям фотонов, должны обладать очень малой энергией запрещенной зоны. Подходящими материалами являются, например, теллурид ртути кадмия (HgCdTe, MCT), пригоден даже при значительном превышении 10 мкм, а также антимонид индия (InSb, до ≈5,5 мкм). 

Аналогично, существуют матрицы в фокальной плоскости, основанные на инфракрасных фотоприемниках с квантовыми ямами (QWIPs). Малая энергия запрещенной зоны также делает их очень чувствительными к тепловому возбуждению внутри самого датчика. Поэтому такие инфракрасные детекторы часто нуждаются в сильном охлаждении во время работы. Часто до 100 кельвинов или даже существенно ниже.

Охлаждение может выполнено с помощью охладителя Стирлинга, который по сути представляет собой двигатель, приводимый в действие электродвигателем. После включения устройства может пройти несколько минут, пока не будет достигнута требуемая рабочая температура. Охлаждаемый детектор должен быть хорошо изолирован от окружающей среды, в том числе для предотвращения образования льда, и часто помещается в герметичный корпус. Конечно, установка значительно более громоздкая и дорогая по сравнению с камерой, имеющей только охладитель Пельтье.

Технология с инфракрасной оптикой, специальным длинноволновым датчиком изображения и охлаждающим устройством делает инфракрасные камеры с охлаждением довольно дорогими. 

Но их производительность намного лучше, чем у неохлаждаемых детекторов, как описано в следующем разделе. Значительный вес, потребление электроэнергии и время подготовки, конечно, являются практическими недостатками.

Устройство инфракрасных камер

Тепловые детекторы

Многие длинноволновые инфракрасные камеры не содержат полупроводниковый детектор, основанный на внутреннем фотоэффекте, а скорее своего рода тепловой детектор, который реагирует на повышение температуры, вызванное поглощением входящего инфракрасного света. Такие тепловые детекторы могут быть основаны на различных технологиях.

Массивы болометров

Часто используются массивы очень маленьких болометров (микроболометров), с помощью которых некоторое количество пикселей (например 160 × 120, 320 × 240, 640 × 480 или 1024 × 768) могут быть реализованы на чипе датчика. В качестве чувствительного элемента каждый пиксель содержит тонкую поглощающую инфракрасное излучение пластину, изготовленную, например, из аморфного кремния (aSi) или оксида ванадия, которая подвешена над чипом (с небольшим воздушным зазором между пластиной и чипом) с двумя электродами. 

Затем можно измерить зависящее от температуры электрическое сопротивление пластины, которое уменьшается с повышением температуры. Обратите внимание, что без входящего инфракрасного излучения температура пластины снизится до температуры подложки, в то время как внешнее излучение повысит температуру. 

Таким образом, показания должны быть скорректированы в соответствии с температурой подложки, если она не поддерживается постоянной. Металлическое зеркало под пластиной может использоваться для обратного отражения непоглощенного инфракрасного света и в то же время для уменьшения теплового излучения от подложки.

Пироэлектрические материалы

Существуют пироэлектрические материалы, такие как танталат лития, генерирующие небольшое электрическое напряжение в ответ на температурный градиент. Этот температурный градиент возникает в результате нагрева падающим излучением; генерируемое тепло отводится к некоторой подложке, и температурный градиент пропорционален интенсивности падающего излучения. Такие детекторы подключены к переменному току, то есть их можно использовать только для мониторинга изменений, но не постоянных температур.

Такие детекторы все еще могут до некоторой степени охлаждаться, чтобы улучшить их шумовые характеристики, но в принципе такое охлаждение не требуется. Часто они термостабилизированы, то есть рабочая температура поддерживается постоянной, обычно с помощью небольшого охладителя Пельтье, но не при особенно низкой температуре.

Применение инфракрасных камер

Промышленность

Инфракрасные камеры используются в различных отраслях промышленности для решения различных задач, таких как:

• Контроль качества продукции: ИК-камеры могут использоваться для контроля качества готовой продукции, например, для проверки отсутствия дефектов на поверхности изделий или для определения уровня влажности материалов.
• Мониторинг производственных процессов: могут быть использованы для мониторинга производственных процессов, например, для контроля температуры и давления в процессе производства.
• Обнаружение утечек: инфракрасные камеры используются для обнаружения утечек газа и жидкостей в промышленных системах, что позволяет предотвратить возможные аварии и снизить затраты на ремонт.
• Контроль состояния оборудования: позволяют контролировать состояние оборудования, например, температуру и давление в двигателях, что помогает предотвратить возможные поломки и аварии.
• Мониторинг окружающей среды: ИК-камеры могут быть использованы для мониторинга состояния окружающей среды, например, для определения уровня загрязнения воздуха или воды.

В целом, инфракрасные камеры являются мощным инструментом для решения различных задач в промышленности, позволяя повысить эффективность производства и улучшить качество продукции.

Медицина

Инфракрасные камеры используются в медицине для различных целей, включая:

• Диагностика заболеваний. ИК-камеры могут использоваться для обнаружения различных заболеваний, таких как рак, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и другие. Они могут обнаруживать изменения в температуре тела, которые могут указывать на наличие определенных заболеваний.
• Мониторинг здоровья. Могут использоваться для мониторинга здоровья пациентов. Они могут измерять температуру тела, частоту сердечных сокращений и другие параметры, которые могут помочь врачам оценить состояние пациента.
• Лечение. Инфракрасные камеры также могут быть использованы для лечения различных заболеваний. Например, инфракрасная терапия может использоваться для лечения боли, воспаления и других заболеваний.
• Профилактика. Используются для профилактики заболеваний. Они могут использоваться для измерения температуры тела и обнаружения изменений, которые могут указывать на возможные проблемы со здоровьем.
• Обучение. Инфракрасные камеры также могут использоваться в образовательных целях для обучения студентов и врачей. Они могут помочь студентам лучше понимать, как работают инфракрасные камеры и как они могут быть использованы в медицине.

Транспорт

Использование инфракрасных (ИК) камер на транспорте может быть полезным для различных целей, включая безопасность, контроль за движением и мониторинг состояния транспортных средств.

• Безопасность: ИК-камеры могут использоваться для обнаружения препятствий на пути движения транспорта, таких как люди или животные. Они также могут быть использованы для обнаружения нарушений правил дорожного движения, таких как превышение скорости или неправильный поворот.
• Контроль за движением: Помощь операторам транспорта контролировать движение на дорогах и в аэропортах. Они могут использоваться для наблюдения за потоком транспорта и определения времени ожидания на светофорах или в очередях.
• Мониторинг состояния транспортных средств: ИК-камеры могут быть установлены на транспортных средствах для мониторинга их состояния и предотвращения возможных аварий. Они могут обнаруживать неисправности в двигателях, тормозах, рулевом управлении и других системах, что может помочь предотвратить аварии и уменьшить расходы на ремонт.

В целом, использование ИК-камер на транспорте может повысить безопасность и эффективность движения, а также улучшить контроль за состоянием транспортных средств.

Спорт

Инфракрасные камеры могут использоваться в различных видах спорта, включая футбол, баскетбол, хоккей, настольный теннис, волейбол, гандбол и многие другие. Они могут быть использованы для

• для контроля за соблюдением правил игры
• определения нарушений
• определения скорости, расстояния и других параметров игроков
• траектория движения мяча,
• положение тела,  и т.д.

В футболе ИК-камеры используются для определения времени, затраченного на удар по мячу, что позволяет судить о качестве игры и эффективности действий игроков. В баскетболе инфракрасные камеры могут использоваться для определения траектории полета мяча и определения места его приземления.

Наука

Инфракрасные камеры используются в различных областях науки, включая астрономию, физику, медицину, биологию и многие другие. Вот несколько примеров их использования:

• Астрономия: используются для наблюдения за объектами в инфракрасном диапазоне, который не виден человеческому глазу. Это позволяет ученым изучать объекты, которые находятся в темноте или которые трудно наблюдать из-за их удаленности от Земли.
• Физика: ИК-камеры могут использоваться для измерения температуры объектов, а также для изучения свойств материалов. Они также могут быть использованы для исследования свойств жидкостей и газов.
• Медицина: широко используются в медицине для диагностики различных заболеваний. Например, они могут использоваться для обнаружения опухолей, воспалительных процессов и других заболеваний.
• Биология: ИК-камеры также находят применение в биологии для изучения живых организмов. Они могут использоваться для изучения поведения животных, а также для исследования процессов, происходящих в растениях и микроорганизмах.
• Геология: инфракрасные камеры применяются в геологии для изучения геологических структур, таких как вулканы, землетрясения, и другие геологические процессы.

В целом, инфракрасные камеры играют важную роль в науке, позволяя ученым получать новые знания о мире вокруг нас.

Охранные системы

Охранные системы используют инфракрасные камеры для обнаружения проникновения, движения и других нарушений безопасности на территории. Позволяют видеть в темноте, что делает их особенно полезными в ночное время или при слабом освещении.

ИК-камеры могут использоваться для обнаружения движения, распознавания лиц, определения температуры и других параметров окружающей среды. Они также могут быть интегрированы с другими системами безопасности, такими как системы видеонаблюдения и контроля доступа, для обеспечения более полного контроля за охраняемой территорией.

Однако, следует учитывать, что ИК-камеры не всегда могут точно определять движение и распознавать лица. Кроме того, они могут быть подвержены ложным срабатываниям из-за отражения света от объектов или изменения температуры окружающей среды.

Поэтому ИК-камеры должны быть установлены и настроены правильно, чтобы обеспечить максимальную эффективность и точность работы системы безопасности.