Oprócz rozdzielczości, integratorzy kamer termowizyjnych muszą brać pod uwagę czułość termiczną.
Kamery termowizyjne tworzą obrazy z ciepła, zwanego również podczerwienią (IR) lub energią termiczną. Wychwytują one energię podczerwieni i wykorzystują ją do tworzenia obrazów za pomocą cyfrowych lub analogowych wyjść wideo, przy czym szczegóły są określane przez różnice w temperaturze. Ciepło stanowi odrębną część widma elektromagnetycznego w porównaniu z typowym światłem widzialnym. Kamera, która może wykryć światło widzialne, nie zobaczy energii cieplnej i na odwrót.
Detektory kamer na podczerwień są zbudowane z matrycy poszczególnych elementów detekcyjnych. Ponieważ długość fali energii w widmie podczerwieni jest większa niż w przypadku światła widzialnego, każdy element detektora podczerwieni musi być odpowiednio większy niż elementy detektora światła widzialnego, aby pochłonąć większą długość fali. W rezultacie kamera termowizyjna ma zwykle niższą rozdzielczość (mniejszą liczbę pikseli) niż czujnik światła widzialnego o tej samej wielkości mechanicznej.
Rysunek 1: Widmo elektromagnetyczne obejmuje zakres fal podczerwonych od 0,75 µm w bliskiej podczerwieni do prawie 1 mm (1000 µm) w dalekiej podczerwieni
Kamery termowizyjne, pierwotnie opracowane na potrzeby obserwacji i operacji wojskowych, są obecnie szeroko wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak inspekcje budynków (np. wilgotność, izolacja, dach itp.), gaszenie pożarów, pojazdy autonomiczne, systemy automatycznego hamowania awaryjnego (AEB), inspekcje przemysłowe, badania naukowe i wiele innych. Kamery te występują w różnych formach, od kamer ręcznych, przez bezzałogowe drony, po instrumenty naukowe wysyłane w kosmos.
Inżynierowie opracowujący produkty lub systemy wykorzystujące kamery termowizyjne muszą dobrze zrozumieć kluczowe wymagania projektowe, w tym zakres dynamiczny sceny, pole widzenia, rozdzielczość, czułość i zakres spektralny, aby wymienić tylko kilka. Różne kamery mogą mieć różne zalety, dlatego inżynierowie muszą rozumieć kompromisy pomiędzy różnymi typami modułów kamer termowizyjnych oraz wpływ, jaki te różnice będą miały na końcową wydajność produktu.
Czułość: kluczowa zmienna, która wpływa na wyrazistość i użyteczność obrazu termicznego.
Rysunek 2: Czułość termiczna jest kluczową cechą wydajności w obserwacjach przy niskim kontraście, w tym przy mgle
Jedną z ważnych specyfikacji, która jest często pomijana kosztem rozdzielczości, jest czułość termiczna, czyli specyfikacja określająca najmniejszą różnicę temperatur, jaką może wykryć kamera. Czułość kamery termowizyjnej ma bezpośredni wpływ na czystość i ostrość obrazu, jaki może ona wytworzyć. Urządzenia termiczne mierzą czułość w milli Kelvinach (mK). Im niższa liczba, tym większa czułość detektora. Czułość termiczna, określana również jako równoważna różnica temperatur (NETD), opisuje najmniejszą różnicę temperatur obserwowaną podczas korzystania z urządzenia termicznego. W efekcie, im niższa wartość NETD, tym lepiej czujnik będzie wykrywał małe różnice temperatur. Integratorzy i deweloperzy powinni szukać producentów, którzy mogą zapewnić odpowiednią wartość NETD przy przemysłowym standardzie 30 °C. Poniższa tabela może być wykorzystana do ogólnej oceny czułości detektora termicznego.
Tabela 1. Zakres czułości czujników termicznych i ich opis
Zwiększona czułość sprawia, że kamery termowizyjne są bardziej skuteczne w dostrzeganiu mniejszych różnic temperatur, co jest szczególnie ważne w badaniach o niskim kontraście termicznym oraz podczas pracy w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak mgła, dym i kurz. Wybór podstawowej, zasadniczo tańszej kamery termowizyjnej, która charakteryzuje się „akceptowalną” lub „zadowalającą” czułością termiczną, skutkuje gorszym kontrastem, a w efekcie gorszą jakością obrazu, zmniejszonym zasięgiem wykrywania i ograniczoną świadomością sytuacyjną w porównaniu z kamerami o większej czułości. Urządzenia o lepszej czułości termicznej są idealne do wielu zastosowań, od poszukiwań i ratownictwa, przez inspekcje przemysłowe, po bezpieczeństwo.
Rysunek 3: 20 mK w porównaniu do 50 mK odcisku dłoni w czasie zero i po dwóch minutach
Chłodzone czy niechłodzone?
Kamery termowizyjne z chłodzonym detektorem mają wyraźne zalety w porównaniu z kamerami termowizyjnymi z niechłodzonym detektorem. Chłodzona kamera termowizyjna posiada czujnik obrazu zintegrowany z chłodziarką kriogeniczną, która obniża temperaturę czujnika do temperatury kriogenicznej. To obniżenie temperatury czujnika jest niezbędne do zredukowania termicznego szumu w detektorze do poziomu niższego niż sygnał obrazowanej sceny i może skutkować znaczną poprawą czułości termicznej.
Ta poprawa wydajności wiąże się jednak z kosztami. Chłodzone kamery IR są zazwyczaj większe, cięższe i bardziej energochłonne. Oprócz rezygnacji ze współczynnika SWaP (rozmiar, waga i moc), kamery chłodzone są znacznie droższe i podlegają zużyciu mechanicznemu, które skraca średni czas do awarii (MTTF) kamery, ponieważ chłodziarki mają ruchome części o bardzo wąskich tolerancjach mechanicznych, które z czasem ulegają degradacji, a także hel, który może powoli przeciekać przez uszczelki.
Ostatnie udoskonalenia niechłodzonych czujników termicznych przyniosły czułość lepszą niż 20 mK – drastyczną poprawę czułości w porównaniu do starszych systemów, co potencjalnie czyni niechłodzone kamery LWIR realną opcją dla wielu nowych zastosowań. Chociaż jest to kuszące, należy pamiętać, że niechłodzone kamery termowizyjne LWIR nie mogą po prostu zastąpić chłodzonych kamer termowizyjnych. Twórcy produktów i integratorzy systemów muszą wziąć pod uwagę dodatkowe wymagania dotyczące szybkości obrazowania, rozdzielczości przestrzennej, filtrowania widma i innych.
Rysunek 4-7: Obrazy zarejestrowane za pomocą urządzenia Boson+
(Lewy obraz: Inspekcja elektroniki użytkowej, prawy obraz: Inspekcja domów)
(Lewe zdjęcie: Public Surveillance, prawe zdjęcie: Coastal Surveillance)
Aby uzyskać więcej informacji na temat wrażliwości termicznej lub porozmawiać z ekspertem, odwiedź stronę www.flir.com/bosonfamily.
Źródło artykułu i fotografii: https://www.flir.eu/discover/cores-components/Comparing-Sensitivity-of-Thermal-Imaging-Cameras-Modules/