Компоненты теплового изображения

10 июня 2021

Линза объектива

Конструкция линзы объектива и ее параметры существенно влияют на характеристики тепловизора.
Фокусное расстояние объектива напрямую влияет на увеличение устройства - чем больше фокусное расстояние (обозначается F25mm/F38mm/F42mm/F50mm и т.д), тем больше увеличение и дальность обнаружения.
Поле зрения наборот уменьшается при увеличении фокусного расстояния.
Можно сказать, что дальность обнаружения напрямую зависит от фокусного расстояния линзы объектива - чем больше фокусное расстояние, тем больше дальность обнаружения (если термодатчик остается прежним).
Увеличение фокусного расстояния приводит к увеличению увеличения и уменьшению поля зрения.
Поэтому при проектировании оптического устройства необходимо учитывать задачи, которые оно должно выполнять - обнаруживать объект на больших расстояниях
и идентифицировать его благодаря большому увеличению или быстро находить объект благодаря широкому полю зрения.

Наиболее распространенным, но не единственным материалом для изготовления линз объектива тепловизионных приборов является монокристаллический германий, также широко используется халькогенидное стекло.
В определенной степени сапфир, селенид цинка, кремний и полиэтилен также обладают проницаемостью в диапазонах MWIR и LWIR.
Оптический германий обладает высоким коэффициентом пропускания и соответственно низким коэффициентом поглощения в диапазоне 2 - 15 мкм.
Следует отметить, что этот диапазон охватывает два окна прозрачности атмосферы (3-5 и 8-12 мкм).
В этом диапазоне работает большинство детекторов, используемых в гражданских и военных целях.

Германий - достаточно дорогой материал. По этой причине они стремятся создавать оптические системы с минимальным количеством германиевых компонентов.
Иногда для удешевления линз объективов применяются зеркала со сферической или асферической поверхностью.
Для защиты линз от внешних воздействий используются специальные покрытия на основе алмазоподобного углерода (DLC) или подобных материалов.
Классическое оптическое стекло не используется для изготовления линз объективов тепловизоров, так как оно не обладает коэффициентом пропускания в диапазоне волн более 4 мкм.

Относительная апертура линзы объектива рассчитывается путем деления диаметра отверстия линзы (или диаметра входного зрачка) на фокусное расстояние линзы объектива.
Он характеризует количество энергии, которое может пройти через линзу.
Относительное значение диафрагмы влияет на чувствительность, а также на тепловое разрешение тепловизора.

Термодатчик (микроболометр)

Светочувствительный элемент тепловизора представляет собой двумерную матрицу фотоприемников - матрицу фокальной плоскости (FPA), основанную на различных полупроводниковых материалах.
Существует множество технологий изготовления инфракрасных чувствительных элементов, однако в гражданской сфере преобладают болометры (микроболометры).

Микроболометр - это детектор инфракрасного излучения, регистрирующий изменение электропроводности чувствительного элемента при нагревании во время поглощения излучения.
Микроболометры подразделяются на классы в зависимости от того, какой чувствительный материал используется, это может быть оксид ванадия (VOx) или аморфный кремний (α-Si).

Чувствительный материал поглощает инфракрасное излучение, и в результате в соответствии с законом сохранения энергии чувствительная область пикселя (одиночный светочувствительный элемент) нагревается.
Внутренняя электропроводность элемента изменяется, и эти изменения регистрируются.
Результатом является монохромная или цветная визуализация температурного изображения на дисплее прибора.
Стоит отметить, что цветовые палитры на экране полностью зависят от программного обеспечения тепловизора.

Матрица микроболометров (сенсор) ULIS

Производители тепловизионных детекторов (микроболометров) выпускают документы с подробным описанием качества своих сенсоров.
Все производители допускают наличие отдельных пикселей, а также кластеров, которые имеют отклонения входного сигнала в процессе нормальной работы - это так называемые «мертвые» или «горячие» пиксели.
«Горячие / мертвые» пиксели есть в детекторах всех производителей.

Их наличие объясняется различными отклонениями, которые могут возникнуть при изготовлении микроболометров, а также наличием посторонних веществ в материалах, из которых изготавливаются микроболометры.
Когда тепловизор работает, температура пикселей увеличивается, и пиксели, которые не могут выдерживать высокие температуры («горячие»),
начинают вырабатывать сигнал, который сильно отличается от тех пикселей, которые работают правильно.
На экране тепловизора эти пиксели могут выглядеть как белые или черные точки (в случае одиночных пикселей) или пятна различной конфигурации и размера (в случае кластеров) или яркости (очень яркие или очень темные).
Наличие таких пикселей никак не влияет на срок службы и работу детектора и не является причиной будущего ухудшения его параметров, по сути производители тепловизионных детекторов применяют различные алгоритмы обработки сигнала от дефектных пикселей, чтобы минимизировать их влияние на качество изображения и их видимость.
Суть этой обработки заключается в замене сигнала дефектного пикселя на сигнал соседнего (ближайшего) нормально работающего пикселя или на средний сигнал от нескольких соседних пикселей.
В результате такой обработки дефектные пиксели становятся практически незаметными на изображении.

В определенных условиях все еще можно увидеть наличие исправленных дефектных пикселей (особенно кластеров), например, когда граница между горячим и холодным объектом находится в поле зрения,
особенно когда эта граница проходит между кластером дефектных пикселей. и нормальные пиксели.
Если оба этих условия совпадают, кластер становится заметным как пятно с белыми и темными оттенками и напоминающее каплю воды на изображении.
Хуже того, наличие такого эффекта не является признаком неисправности тепловизора.

Электронный блок обработки сигнала с болометрической матрицы

Электронный блок обработки обычно состоит из одной или нескольких печатных плат (в зависимости от конструкции блока) со специализированными микросхемами, отвечающими за обработку сигнала от датчика и передачу его дальше для отображения на окулярную матрицу, где отображается визуализация распределения температуры и формируется итоговое изображение объектов находящихся в поле зрения прибора.
На платах также размещены основные элементы управления устройством и цепями распределения питания.

Микродисплей и окулярный оптический блок

Поскольку в большинстве охотничьих тепловизоров используются микродисплеи, для просмотра изображений необходимо использовать окуляр, который работает как увеличительное стекло и позволяет удобно просматривать увеличенное изображение.

Чаще всего используются жидкокристаллические дисплеи пропускающего типа (где дисплей подсвечивается с обратной стороны) или OLED-дисплеи (при подаче электрического тока его вещество начинает излучать свет).

Использование OLED-дисплеев имеет ряд преимуществ: возможность использования устройства при низких температурах, более высокая яркость и контрастность изображения, более простой и надежный дизайн (отсутствие источника подсветки, как у ЖК-дисплеев).

Помимо ЖК-дисплеев и OLED-дисплеев, также могут использоваться ЖК-дисплеи (жидкие кристаллы на силиконе), которые представляют собой различные ЖК-дисплеи отражающего типа.

________________________________
по материалам компании PULSAR

Вернуться к списку статей