Тепловизоры: увидеть скрытую природу вещей
Тепловизоры – это оптико-электронные приборы, предназначенные для наблюдения, бесконтактного измерения температуры и формирования изображения объектов, находящихся в поле зрения прибора, на основе разности их температур относительно окружающей среды. Проще говоря, они позволяют видеть предметы в области наблюдения, температура которых отличается от температуры окружающей среды, выделяя их определённым цветом. Сфер применения тепловизоров множество: медицина, строительство, охота, ремонт, спасение и поиск людей, ветеринария, машиностроение, металлургия. В этой статье мы рассмотрим историю появления тепловизионных приборов, их принцип работы и используемые материалы.
История возникновения тепловизоров
Идеи о возможности каким-то образом видеть тепловое излучение витали в воздухе ещё в Древней Греции. Например, между строк это можно заметить в «Природе вещей» Лукреция, где он рассуждал о моделях теплового движения частиц, скрытых от взора.
В 1790 г. М. Пикте опубликовал описание своего опыта по фокусировке тепла и холода. До работ Гершеля в 1758 г. М.В. Ломоносов изобрел телескоп для ночного видения (tubo nyctoptico), а в 1762 г. создал зеркала с высокой отражающей способностью. В 1829 г. Л. Нобили создал первую термопару, работа которой была основана на термоэлектрическом эффекте, открытом Т. Зеебеком в 1821 г. Несколькими годами позже М. Меллони удалось с помощью термостолбика зарегистрировать тепловое излучение человека на расстоянии до 3 метров. Новый этап тепловидения можно считать с изобретением в 1857 г. А. Сванбергом нового приемника ИК излучения, получившим название «болометр». Усовершенствование этого прибора позволило Л. Ленгли в 1880 г. регистрировать тепловое излучение животных на расстоянии до 400 м. Болотметры используются в тепловизорах и по сей день.
Приведём интересные данные исторических исследований из учебного пособия «Основы инфракрасной техники» университета ИТМО от Михеева Сергея Васильевича:
Хронология развития ИК техники и тепловидения
| 1758 | М.В. Ломоносов изобрел телескоп для ночного видения |
| 1762 | М.В. Ломоносов создал зеркала с высокой отражающей способностью |
| 1800 | У. Гершель открыл ИК излучение, названное им «тепловыми лучами» |
| 1821 | Л. Нобили изобрел термопару |
| 1840 | Д. Гершель получил видимое изображение ИК излучения, проектируя 12 солнечный спектр на поверхность тонкой бумаги, покрытой углеродной сажей и смоченной спиртом |
| Конец Х1Х-го века | Исследования П.Н. Лебедева и А.Г. Столетова в области внешнего фотоэффекта |
| 1900 | М. Планк открыл основной закон теплового излучения |
| 1905 | Изготовлена фотопленка, чувствительная к излучению с длиной волны до 800 нм |
| 1927 | В СССР - исследования С.И. Покровского, Б.П. Козырева, В.А. Гурова по ИК обнаружению военных кораблей |
| 1929 | М. Черни создал «эвапорограф» в качестве первого ИК термографа |
| 1932 | Первое свидетельство наличия СО2 в атмосфере Венеры получено У. Адамсом и Т. Данхэмом путем ИК фотографирования отраженного солнечного излучения |
| 1934 | Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) на длины волн до 1,5 мкм разработан Д. Холстом с сотрудниками |
| 1942 | Первое военное применение ИК визуализирующей системы продемонстрировано в Форте Бельвуар, США |
| 1946 | Первый военный ИК строчный сканер со временем кадра 1 ч разработан в США |
| 1954 | ИК сканер со временем кадра 45 мин, США |
| 1958 | Первый ИК прицел для военных применений, США |
| 1950-1960 | Первый коммерческий эвапорограф, США |
| 1960-е | ИК сканеры создают изображения за 5 мин, становление российского тепловидения в исследованиях М.М. Мирошникова, П.В. Тимофеева, В.И. Архангельского, М.А. Собакина |
| 1961 | П. Линдберг и X. Холмберг разработали сканирующую систему с использованием вращающихся призм |
| 1964 | Фирма Texas Instruments разработала первую «впередсмотрящую» ИК систему (FLIR) |
| 1965 | На рынке появился первый коммерческий ИК тепловизор AGA-650 (фирма AGA, Швеция) |
| 1967 | Фирмой AGA получена первая электронная цветная термограмма |
| 1972 | Разработан измерительный двухканальный ИК тепловизор Dynarad 210, США |
| 1973 | Портативный ИК тепловизор AGA 750 с питанием от аккумуляторов, Швеция |
| 1974 | Малогабаритный («ручного» применения) ИК тепловизор Hushes Probeye, США |
| 1977 | ИК тепловизор Inframetrics 510 с телевизионным выходом, США |
| 1978 | Двухканальный аналоговый ИК тепловизор AGA 780 для научных исследований, работающий в реальном времени, Швеция |
| 1970-1980 | В СССР разработаны тепловизоры «Факел», «Рубин», ТВ-03, «Радуга», ИФ-10ТВ, АТП, «Лазеровизор» |
| 1980 | Длинноволновый пироэлектрический видикон ISI VideoTherm |
| 1984 | Портативный ИК тепловизор Inframetrics 600 с питанием от аккумуляторов и измерением температуры в реальном времени, США |
| 1987 | Одноблочный ИК тепловизор AGEMA 470 со встроенной цифровой записью термограмм, Швеция |
| 1987 | Первый тепловизор Mitsubishi IR-5120 на матричном ИК FPA-детекторе с холодильником Стирлинга, Япония |
| 1990 | В СССР разработаны охлаждаемые линейки фотоприемников, предназначенные для использования в тепловизорах военного применения |
| 1993 | Малогабаритная FPA ИК камера InfraCAM фирмы Inframetrics на стандартных аккумуляторах с холодильником Стирлинга, США |
| 1995 | Полнофункциональный тепловизор камкордерного исполнения ThermaCAM фирмы Inframetrics со встроенными измерительными функциями и цифровой записью, США |
| 1997 | Первая низкостоимостная ИК камера типа snap-shot (ИК фотоаппарат) на базе линейного сканера (Infrared Solutions IR Snapshot) |
| 1997 | Тепловизор AGEMA 570 на базе неохлаждаемого болометрического матричного детектора, Швеция |
| 1999 | Первый коммерческий тепловизор SC 3000 фирмы FLIR Systems на базе QWIP детектора, США |
| 2000 | Тепловизор с записью ИК и видеоизображений, звука и текста ThermaCAM РМ 695 фирмы FLIR Systems, затем модель ThermaCAM Р65 той же фирмы |
| 2003- 2009 | На рынке появились низкостоимостные измерительные тепловизоры на базе неохлаждаемых FPA,- приемников излучения с форматом изображения 80 х 80 и 160 х 120 (фирмы FLIR Systems, NEC, Raytek, Irisys и др.), а также тепловизионные модули. Одновременно частота записи термограмм повысилась в специальных моделях до нескольких сотен (в специальных случаях - тысяч) герц |
| 2011 | Тепловизор SC 8000 фирмы FLIR Systems для научных исследований с форматом изображения 1240x1024 |
Хронология же начала эпохи повсеместного использования тепловизоров вкратце имела такую историю развития:
- В 1950-х годах тепловизионные приборы начали использоваться в промышленности для обнаружения утечек газов и неисправностей в электрооборудовании.
- В 1960-х годах тепловизионные приборы начали применяться в медицине для обнаружения опухолей и других заболеваний, которые проявляются изменением температуры тканей.
- В 1970-х годах тепловизионные приборы стали доступны для широкой публики и начали применяться в охоте и сельском хозяйстве.
- В 1980-х годах тепловизионные приборы стали намного компактнее и мобильнее благодаря использованию полупроводниковых материалов.
Принцип работы тепловизионных устройств
В основу работы тепловизоров положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности с температурой выше абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию) в видимое изображение на экране прибора.
Тела, нагретые до температур окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия), имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 8..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 невооружённым глазом.
Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — упомянутых ранее болометров, представляющих собой матрицу из миниатюрных термисторов, которые реагируют на изменения в температуре. Когда объекты в поле зрения прибора испускают тепловое излучение, каждый термистор в матрице заряжается пропорционально температуре объекта. Заряд каждого термистора затем преобразуется в цифровой сигнал, который обрабатывается процессором прибора и формирует соответствующее полученным данным изображение.
Используемые материалы
Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий (Germanium, Ge, атомный номер 32). Это ключевой материал, используемый в тепловизорах, является полупроводниковым неметаллом, серебристо-белым хрупким веществом, обладает свойством изменять свое сопротивление при изменении температуры. Это свойство позволяет германию использоваться в матрицах термальных детекторов.
Другими материалами, используемыми в тепловизионных приборах, являются кварцевое стекло, кремний, галлий-арсенид, индий-антимонид и другие полупроводники.
Германий был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером. Винклер дал германию название по имени планеты Меркурий, которая на немецком языке называется «Германия».
Германий вследствие незначительного содержания в земной коре и геохимического родства с некоторыми широко распространёнными элементами обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, внедряясь в кристаллические решётки других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Германий, как правило, выращивают в лабораторных условиях, например, по методу Чохральского. Ян Чохральский – польский исследователь-металлург и учёный. Суть метода, открытого в 1916 году, заключается в вытягивании монокристаллов вверх от свободной поверхности расплава, находящегося в тигле, с запуском кристаллизации путем приведения затравочного кристалла заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.
Кроме метода Чохральского германий получают методом вертикальной направленной кристаллизации (ВНК), а также методом горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК).
После того как в 1947 году физики Уолтер Браттейн (Wallter Brattain) и Джон Бардин (John Bardin) собрали первый точечный транзистор на поликристаллическом германии, огромные потенциальные возможности твердотельной микроэлектроники стали очевидны. Технология получения кристаллов германия для изготовления транзисторов начала развиваться быстрыми темпами. Патентовались различные варианты установок для выращивания кристаллов германия по методу Чохральского. В 1956 году первые монокристаллы германия были выращены в СССР. Кроме этого, производство германия в промышленных масштабах в СССР началось в 1959 году, когда на Медногорском медно-серном комбинате (ММСК) был введён в действие цех переработки пыли. В настоящее время германий выращивается, в том числе, и на Заводе оптических изделий в Санкт-Петербурге. Выращенный германий является практически абсолютно химически чистым веществом.
Ранее мы обозначали интересующую нас область спектра (8...14 мкм). Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра германий сверхвысокой чистоты имеет ключевое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики, используемой в тепловизионных приборах.
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. К 90-м годам выпускалась широкая гамма тепловизоров гражданского и промышленного назначения.
Виды тепловизионных приборов
Какие тепловизоры бывают? Как мы говорили ранее, областей применения тепловизоров множество. В каждой области применения существуют требования для форм-фактора используемого прибора: очевидно, что тепловизоры, применяемые в медицине, будут иметь иной форм-фактор и характеристики, чем тепловизоры, использующиеся для поиска мест утечки тепла в ремонте и строительстве и тепловизоры для охоты, несмотря на то, что принцип их работы, используемые материалы и аппаратно-программный комплекс могут быть схожи.
Тепловизоры в медицине
Как правило, это программно-аппаратный комплекс, состоящий из непосредственно тепловизора, штатива, персонального компьютера и программных средств управления и ввода-вывода информации.
Тепловизоры в строительстве и ремонте
Удобные изделия с рукоятью и дисплеем, содержащие специализированный функционал, элемент питания и работающие автономно. Для экспертных бюро тепловизионные приборы сертифицируются дополнительно и проходят регулярные поверочные испытания.
Тепловизоры для поиска пропавших
Зачастую тепловизионные приборы являются даже более эффективными в ночное время суток, чем специализированные системы ночного видения. Это эффективное средство для поиска людей в лесах и полях. Разумеется, тепловизор эффективен и в дневное время.
Тепловизоры в металлургии и машиностроении
Широкий набор устройств от ручных автономных изделий до программно-аппаратных и стационарных пунктов тепловизионного контроля.
Тепловизоры в ветеринарии
Замерить температуру у животных бывает существенно проще и эффективнее с помощью бесконтактных методов, как и контролировать состояние животных в процессе лечения.
Тепловизоры для охоты
Вместо классических оптических прицелов всё чаще охотники устанавливают тепловизионные. С разной оптической кратностью, с разным диаметром объективна и функционалом. Подробно об этом виде использования мы рассказывали в отдельной статье Тепловизор для охоты >>>
Кроме полнофункциональных тепловизионных прицелов существуют также и предобъективные насадки, которые могут быть установлены в качестве дополнения к классическому оптическому прицелу, превращая его в полноценный тепловизор.
Универсальные приборы широкого спектра применения
Тепловизионные монокуляры и бинокуляры придутся по душе даже тем, кто ими никогда не пользовался ранее и не имел для них непосредственных задач: эти изделия очень интересны любому как для простого наблюдения, так и для получения дополнительной информации об объектах наблюдения. Что же говорить про специализированное использование: разведка местности на охоте, обеспечение безопасности объекта, бытовое выявление утечек тепла, упомянутое ранее и весь спектр возможностей, которые даёт тепловизор, становится доступным благодаря этим универсальным устройствам.
Мобильные тепловизоры
Зачастую пользователям доступны отдельные приборы, подключаемые к смартфонам с помощью технологии OTG. После установки специального приложения обычный смартфон на Android или IOS превращается в тепловизор. Также существуют смартфоны со встроенным тепловизором.
Широкий ассортимент тепловизоров Guide представлен в нашем каталоге. Монокуляры компактны и легки в переноске. Бинокуляры имеют 2 дисплея и позволяют удобно наблюдать одновременно двумя глазами, как в классический бинокль. Они оснащены встроенной памятью и возможностью записывать фото и видео, модуль WiFi позволяет подключать тепловизор к мобильному гаджету и транслировать видео на экран смартфона, сменные аккумуляторы и современный разъём для подключения внешнего источника питания обеспечивают автономность, премиальные материалы и герметичность будут долго радовать пользователя при любых условиях эксплуатации. Различные варианты контрастной подсветки позволят подобрать необходимую по своему вкусу и задачам.
- Тепловизионные монокуляры Guide >>>
- Тепловизионные бинокуляры Guide >>>
- Тепловизионные прицелы Guide >>>
- Тепловизионные предобъективные насадки Guide >>>
Уникальным и редким на момент написания данного материала является изделие от компании iRay Zoom ZH50 V2: это один из немногих монокуляров с оптическим зумом, реализованным за счёт возможности изменения диаметра объектива.
Итак, мы рассмотрели историю развития тепловизоров с эпохи более 2000 лет назад до сегодняшнего момента, описали общие принципы их работы и основные используемые материалы. Сегодняшние тепловизоры – высокотехнологичные продуманные устройства, которые позволяют увидеть то, о чём раньше можно было лишь догадываться. Широкая линейка позволит подобрать тепловизор для охоты и других индивидуальных задач.