Kamery termowizyjne, nazywane zamiennie termograficznymi, są stosowane od lat w wielu dziedzinach nauki i techniki, w tym w diagnostyce maszyn i urządzeń. Obecność kamer termowizyjnych w komórkach czy tabletach już nikogo nie dziwi. Możliwość szybkiej rejestracji obrazów w podczerwieni, tzw. Slow Motion, również nie jest problemem. Jednak czy wszyscy rozumiemy, jak działa kamera termowizyjna i jak to się dzieje, że możliwy jest pomiar temperatury zdalnie?

U podstaw funkcjonowania współczesnych kamer termowizyjnych leży odkrycie dokonane przez sir Williama Herschela (1738-1822) ok. 1800 roku, który prowadził eksperymenty mające na celu znalezienie materiału filtrującego promieniowanie słoneczne dla potrzeb budowanych przez siebie teleskopów astronomicznych. Eksperymenty Herschela polegały na rozszczepieniu światła słonecznego za pomocą pryzmatu na poszczególne składowe promieniowania (tzw. kolory tęczy) i pomiarze temperatury każdej składowej (rys. 1). Pomiary temperatury odbywały się za pomocą termometrów rtęciowych z pomalowanymi na czarno zbiorniczkami rtęci. Pokrycie zbiorniczków rtęci czarną farbą podniosło emisyjność powierzchni, zwiększając absorbcję promieniowania. W wyniku eksperymentów Herschel zauważył, że temperatura dla poszczególnych barw światła jest różna, a najwyższa – dla koloru czerwonego. Jednak najciekawsze było to, że termometr umieszczony poza granicą barwy czerwonej wskazywał jeszcze wyższą temperaturę niż termometr dla barwy czerwonej. Nowy rodzaj promieniowania został nazwany przez Herschela „niewidzialnym promieniowaniem termometrycznym”, a nowe promieniowanie – „ciemnym ciepłem” lub „promieniami niewidzialnymi”. Było to oczywiście promieniowanie znane nam jako podczerwone, jednak warto wiedzieć, że słowo podczerwień zaczęło pojawiać się dopiero 75 lat po publikacji doświadczenia Herschela i paradoksalnie autorem tego określenia nie był sam Herschel, a osoba bliżej nieznana.

Aktualnie wiadomo, że zakres promieniowania podczerwonego zaczyna się dla fal o długościach 780 nm i umownie dzieli się na cztery pasma obejmujące:

  • bliską podczerwień 0,78-3 µm,
  • pośrednią podczerwień 3-6 µm,
  • daleką podczerwień 6-15 µm,
  • bardzo daleką podczerwień > 15 µm.

Wracając do eksperymentu Herschela, łatwo można wskazać bezpośredni związek między jego stanowiskiem badawczym a konstrukcją współczesnej kamery termograficznej. Jeśli spojrzymy bardzo ogólnie na budowę kamery termograficznej (rys. 2), to stwierdzimy, że każde tego typu urządzenie wyposażone jest w: układ optyczny, układ detekcji, układ przetwarzania sygnałów, układ pamięci, układ interfejsów we/wy, w tym układ wizualizacji obrazów.

Budowa kamery termograficznej

Współcześnie konstruowane kamery termograficzne mogą wykrywać promieniowanie podczerwone zarówno w zakresie bliskiej, pośredniej, jak i dalekiej podczerwieni. Wykorzystanie różnych pasm podczerwieni wynika z przepuszczalności atmosfery i potrzeb badawczych. Z punktu widzenia służb utrzymania ruchu najczęściej wykorzystywane są kamery pracujące w zakresie dalekiej podczerwieni, a dokładniej 7-14 µm.

Jak już wspomniano, każda kamera termowizyjna to system powiązanych ze sobą układów: optycznego, detekcyjnego, przetwarzającego i formującego obrazy termiczne. Każdy z tych układów jest bardzo ważny, dlatego warto się przyjrzeć dokładniej każdemu z osobna.

Układ optyczny

Układ optyczny współczesnej kamery termograficznej, podobnie jak w aparacie fotograficznym lub kamerze wideo, stanowi obiektyw składający się z co najmniej jednej soczewki pozwalającej odwzorować wycinek obserwowanej rzeczywistości (sceny) na powierzchni detektora kamery. Warto wiedzieć, że w niektórych kamerach termograficznych do zastosowań specjalnych stosowane są obiektywy zwierciadlane. Bez względu na rodzaj i zastosowanie układu optycznego jego budowa i istota działanie wynikają z praw fizyki (optyki). Główną cechą odróżniającą obiektywy kamer termowizyjnych od obiektywów klasycznych aparatów fotograficznych i kamer wideo jest materiał, z jakiego wykonywane są soczewki. Materiał soczewek, obiektywów kamer termowizyjnych musi dobrze przepuszczać promieniowanie podczerwone w paśmie działania kamery. Szkło, z którego wykonywane są soczewki obiektywów kamer wideo i aparatów fotograficznych, tłumi promieniowanie podczerwone o długości fali większej niż ok. 1,1-1,7 µm. Z tego powodu soczewki obiektywów powszechnie stosowanych kamer termograficznych są głównie wykonywane z germanu (rys. 3).

German przepuszcza promieniowanie podczerwone w zakresie 2-23 µm, natomiast całkowicie tłumi promieniowanie widzialne, dlatego cechą charakterystyczną soczewek obiektywów kamer termograficznych jest brak przeźroczystości.

W zależności od konstrukcji kamery termograficznej układ optyczny może być wymienny lub na stałe zintegrowany z kamerą.

Główną cechą układu optycznego jest jego ogniskowa f. Ogniskowa decyduje o zdolnościach obserwacyjnych kamery. Od wartości ogniskowej zależą kąt widzenia (1) lub pole widzenia (FOV) (2),
czyli kluczowe parametry opisujące własności obserwacyjne kamery termograficznej (rys. 4). Oba parametry zwykle podawane są w stopniach i rozpatruje się je dla kierunku poziomego i pionowego:

gdzie:
i = {h,v} – indeks kąta widzenia w kierunku poziomym i pionowym,
k = {h,v} – oznaczenie wymiaru detektora odpowiednio poziomego i pionowego [mm],
K = {H,V} – oznaczenie odpowiednio poziomego i pionowego rozmiaru pola widzenia kamery [mm],
f – ogniskowa obiektywu [mm],
l – odległość obiektu do płaszczyzny obiektywu, przy której obserwowany obiekt jest ostry [mm];

gdzie:
D – rozmiar pełnego obrazu,
d – rozmiar obiektu na obrazie.

Dobór odpowiedniej ogniskowej obiektywu jest szczególnie ważny, jeśli zależy nam na odwzorowaniu szczegółów obiektu przy obserwacji z dużej odległości, np. obserwacja przegrzewów połączeń elektrycznych na linii wysokiego napięcia. W takim przypadku wybieramy obiektywy o dużej wartości ogniskowej f >= 35 mm zapewniającej mały kąt widzenia. Odwrotnie jest w przypadku obiektywów z krótkimi ogniskowymi f < 35 mm. Za ich pomocą możemy zapewnić duży kąt widzenia przy małej odległości od obiektu, co jest szczególnie ważne w ciasnych pomieszczeniach, np. rozdzielniach elektrycznych.

Układ detekcji

Układ detekcji promieniowania podczerwonego kamery termograficznej można traktować jak „serce” kamery. To własności układu detekcji są głównym czynnikiem wpływającym na klasyfikację kamer termograficznych. Podział kamer np. na: chłodzone i niechłodzone, krótko- i długofalowe, szybkie i wolne, wysokorozdzielcze i niskorozdzielcze, drogie i tanie, wynika z rodzaju zastosowanego układu detekcji. Głównym zadaniem układu detekcji jest zamiana wielkości fizycznej, jaką jest natężenie promieniowania podczerwonego na proporcjonalny do niego sygnał elektryczny, który następnie może być przetwarzany, analizowany i oceniany przez układy elektroniczne kamery. Elementarnym układem przetwarzającym promieniowanie podczerwone na wielkość elektryczną jest detektor promieniowania podczerwonego. Praktycznie większość współcześnie stosowanych kamer bazuje na matrycach detektorów (rys. 5a), co pozwala uprościć proces formowania obrazu termograficznego. Liczba detektorów matrycy determinuje rozdzielczość obrazu termograficznego, a zatem i odwzorowanie szczegółów na obrazie. Współczesna technologia umożliwia wytwarzanie matryc posiadających np. 1024 x 768 detektorów o wymiarach 17 x 17 µm (rys. 5b).

Do budowy matryc detektorów wykorzystuje się głównie detektory termiczne i detektory fotonowe. Detektory fotonowe optymalnie pracują w niskich temperaturach (ok. 77K), stąd wykorzystujące je kamery nazywa się kamerami chłodzonymi. Najbardziej rozpowszechnione są jednak kamery z detektorami termicznymi niewymagającymi chłodzenia.

Najczęściej stosowanym rodzajem detektora termicznego jest detektor mikrobolometryczny, w skrócie nazywany bolometrem. Podstawowym elementem bolometru jest płytka o grubości 0,5 μm podtrzymywana na dwóch podporach zapewniających odpowiednio wysoką rezystancję termiczną pomiędzy płytką i podłożem. Na płytce znajdują się warstwa materiału aktywnego (najczęściej tlenku wanadu), połączona elektrycznie z monolitycznym układem elektrycznym (układem odczytu) umieszczonym poniżej płytki, oraz warstwa materiału absorbującego promieniowanie podczerwone. Przez warstwę materiału aktywnego płynie prąd elektryczny. Padające na płytkę i absorbowane przez nią promieniowanie podczerwone powoduje wzrost temperatury materiału aktywnego, co z kolei wywołuje zmianę jego rezystancji. Zmiana rezystancji przy stałym prądzie powoduje zmiany napięcia, odczytywane przez układy elektroniczne (rys. 6). Dzięki temu możliwy jest pomiar zmian natężenia promieniowania podczerwonego padającego na detektor.

Układ przetwarzania i wizualizacji

Sygnały elektryczne z układów odczytu każdego detektora to wartości analogowe wymagające dalszego przetwarzania, co jest realizowane w ogólnie pojętym układzie przetwarzania sygnałów. Na układ przetwarzania składają się: przetwornik analogowo-cyfrowy, procesor wraz z układami pamięci i – w zależności od konstrukcji kamery – układy interfejsów wejściowo-wyjściowych oraz układ wizualizacji obrazów termograficznych.

Przetwornik analogowo-cyfrowy realizuje operacje dyskretyzacji czasowej (próbkowania) i kwantyzacji, co pozwala na zamianę analogowych sygnałów pochodzących z układów odczytu detektora na sygnały cyfrowe. Na sygnałach cyfrowych z użyciem procesora i odpowiednich procedur realizowany jest cały szereg operacji mających na celu uformowanie obrazu termograficznego. Jedną z fundamentalnych operacji, bez której niemożliwe byłoby wyświetlenie prawidłowego obrazu termograficznego, jest korekta niejednorodności sygnałów z detektorów matrycy, tzw. NUC (ang. nonuniformity correction). Detektory stosowane w matrycach kamer termowizyjnych wraz z układami odczytu, pomimo tego, że mają takie same cechy geometryczne i materiałowe, mogą nieznacznie różnić się sposobem przetwarzania promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny (rys. 7). Niejednorodności w sposobie przetwarzania detektorów skutkują tym, że w obrazie termograficznym wystąpią mocne zakłócenia. Aby dopasować charakterystyki przetwarzania każdego z detektorów do siebie, w kamerach stosowana jest przesłona o jednorodnej i wysokoemisyjnej powierzchni (czarna), która co jakiś czas przesłania matrycę detektorów. W chwili gdy przesłona znajduje się przed matrycą, każdy z detektorów „widzi” tę samą jednorodną powierzchnię. Dzięki procedurze korekcji niejednorodności zaimplementowanej w oprogramowaniu procesora kamery możliwe jest zmodyfikowanie pochylenia i poziomu charakterystyki przetwarzania każdego z detektorów tak, aby się pokrywały (rys. 7). Ze względu na niestabilności cieplne pracy matrycy detektorów operacja korekcji niejednorodności sygnałów z detektorów musi być cykliczne powtarzana, stąd uważni użytkownicy kamer na pewno słyszą w kamerze charakterystyczne odgłosy zamykania i otwierania przesłony. W chwili gdy wykonywana jest korekta niejednorodności, nie jest możliwe wykonanie zdjęcia termograficznego, co stanowi pewną wadę kamery. Aby pozbyć się tej wady, w wielu laboratoriach pracuje się nad innymi rozwiązaniami korekty niejednorodności.

Podsumowanie

Obraz termograficzny uformowany po korekcie niejednorodności będzie obrazem jakościowym odzwierciedlającym różnice w natężeniu promieniowania podczerwonego docierającego z obserwowanej sceny do obiektywu kamery. Tak działają kamery obserwacyjne, tzw. termowizory stosowane przez wojsko, policję lub straż graniczną. Tego typu kamery jednak nie pozwalają na pomiar wartości temperatur, ponieważ wartości sygnału z każdego z detektorów nie zostały przeliczone na temperatury. Aby to było możliwe, konieczne są kalibracja kamery i wyliczenie wartości temperatur na podstawie złożonego modelu matematycznego. Zagadnienie to będzie przedmiotem kolejnego artykułu.

Piśmiennictwo
  1. Madura H.: Pomiary termowizyjne w praktyce. Wyd. PAK, Warszawa 2004.
  2. Minkina W.: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004.
  3. Rogalski A.: Infrared Photon Detectors. SPIE Press, 1995.
  4. Więcek B., De May G.: Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK, 2011.
  5. Więcek B., Pacholski K., Olbrycht R., Strąkowski R., Kałuża M., Borecki M., Wittchen W.: Termografia i spektrometria w podczerwieni. Zastosowania przemysłowe. Wydawnictwo WNT, Warszawa 2017.

Rys. 1. Litografia przedstawiająca Herschela podczas eksperymentu (a) oraz istota jego eksperymentu (b) [1, 2]

Rys. 2. Ogólna struktura blokowa kamery termograficznej

Rys. 3. Przykład obiektywu kamery termograficznej z soczewkami germanowymi (źródło: www.fluke.com)
Rys. 4. Zależności geometryczne między ogniskową układu optycznego, odległością od obiektu, polem widzenia i rozmiarem detektora [2]

Rys. 5. Konstrukcja matrycy detektorów i przykład rzeczywistej matrycy [3]

Rys. 6. Budowa detektora bolometrycznego [3]

Rys. 7. Istota korekty niejednorodności charakterystyk przetwarzania detektorów matrycy kamery termograficznej [2, 4]
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij