Jak działa termowizor?
Większość z nas wie jak korzystać z termowizora. Wielu też wie jak działa i dlaczego widać tak dobrze. Po co więc pisać o tym jak działa termowizor czy jego poszczególne elementy? Bo dla jednych będzie to „oczywista oczywistość, dla innych wiedza podstawowa ale jeszcze dla innych, zupełna nowość. I właśnie dla Tych ostatnich, kilka słów o tym jak to działa.
Jak to działa?
Termowizor umożliwia rejestrowanie ciepła niewidocznego dla ludzkiego oka i generowanie obrazów na podstawie emisji podczerwieni emitowanej przez obiekty. Aby było to możliwe, konieczne jest współdziałanie elementów z których zbudowany jest termowizor. Układ odpowiedzialny za przetwarzanie obrazu składa sie z obiektywu, matrycy termowizyjnej, układu elektronicznego przekazującego obraz na wyświetlacz, wyświetlacza i układu zasilania. To oczywiście bardzo duże uproszczenie. Obudowa termowizora może mieścić w sobie również układ chłodzenia, systemy sterujące, systemy nagrywania obrazu, czy łączności zewnętrznej. W przypadku matryc termowizyjnych o wysokiej rozdzielczości i czułości, konieczne jest zastosowanie układu chłodzenia, aby zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu się matrycy i tym samym poprawić jakość obrazu. Systemy sterujące to te elementy kamery termowizyjnej, które umożliwiają kontrolę nad parametrami kamery, takimi jak tryb pracy, balans bieli czy zmiana zakresu temperatur. W zależności od zastosowania, kamery termowizyjne mogą mieć różną dodatkowe elementy, takie jak detektory ruchu, systemy nagrywania obrazu, czy funkcje analizy obrazu.
Wróćmy jednak do podstawowych podzespołów.
Obiektyw – to element kamery, który odpowiada za zbieranie promieniowania podczerwonego z obserwowanego obiektu i skupienie go na matrycy termowizyjnej. Matryca termowizyjna – to najważniejszy element kamery termowizyjnej, który rejestruje promieniowanie podczerwone emitowane przez obserwowany obiekt. Matryca ta składa się z setek tysięcy pikseli termicznych, które każdy rejestrują temperaturę odpowiadającą obszarowi obserwowanego obiektu. Elektronika przetwarzająca obraz – to element, który przetwarza sygnał z matrycy termowizyjnej na obraz termiczny, który może być wyświetlany na ekranie wyświetlacza. Cały ten proces wizualizacji promieniowania podczerwonego, niewidocznego dla ludzkiego oka, nazywa się obrazowaniem termicznym. Wszystkie wymienione elementy składające się na budowę układu optoelektronicznego termowizora są bardzo istotne, ale tym razem skupmy sie na matrycy termowizyjnej.
Jak jest zbudowana matryca termowizyjna?
Tak jak pisaliśmy wcześniej matryca, to najważniejszy element kamery termowizyjnej, który rejestruje promieniowanie podczerwone emitowane przez obserwowany obiekt. Matryca termowizyjna składa się z setek lub tysięcy pikseli detekcyjnych, zwanych także elementami detekcyjnymi lub detektorami. Każdy piksel detekcyjny jest w stanie zmierzyć temperaturę obiektu, na który jest skierowany i przekazać tę informację do układu przetwarzania sygnału. Matryce termowizyjne są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak arsenek galu (GaAs) lub krzem (Si), które posiadają właściwości termiczne umożliwiające detekcję promieniowania podczerwonego. Wykorzystuje się w nich zazwyczaj złącza p-n, które generują prąd elektryczny w odpowiedzi na absorpcję promieniowania podczerwonego. Każdy piksel matrycy składa się z takiego złącza p-n, które działa jak detektor, oraz elektroniki, która umożliwia odczyt i przetwarzanie sygnału.
Istnieją dwa główne typy matryc termowizyjnych: matryce skanujące i matryce macierzowe. W matrycach skanujących każdy piksel detekcyjny jest skanowany za pomocą ruchomego lustra lub układu soczewek, co umożliwia uzyskanie obrazu termicznego. W matrycach macierzowych każdy piksel detekcyjny jest połączony z własnym układem wzmocnienia i przetwarzania sygnału, co umożliwia szybkie i dokładne uzyskanie obrazu termicznego.
Detektor podczerwieni czyli matryca jest zwykle połączony z układem wzmocnienia sygnału, który wzmacnia sygnał elektryczny, jaki powstaje w detektorze, w celu uzyskania lepszej jakości obrazu. Po wzmocnieniu sygnał jest przekazywany do układu przetwarzania sygnału, który dokonuje konwersji sygnału analogowego na cyfrowy oraz przetwarza go w celu wygenerowania obrazu termicznego.
Matryce termowizyjne mogą mieć różną rozdzielczość i rozmiar, w zależności od zastosowania. Najnowocześniejsze matryce osiągają rozdzielczość nawet powyżej 4K (4096 x 2160 pikseli), co pozwala na uzyskanie bardzo szczegółowych obrazów termicznych.
Co to jest piksel?
Piksel w matrycy termowizyjnej to najmniejszy element obrazu termicznego, który jest w stanie zmierzyć temperaturę danego obszaru obiektu. Każdy piksel składa się z detektora podczerwieni oraz układu elektronicznego, który przetwarza sygnał z detektora i generuje informację o temperaturze.
W matrycy termowizyjnej piksele są ułożone podobnie jak w matrycy kamer cyfrowych. Liczba pikseli w matrycy określa rozdzielczość obrazu termicznego – im więcej pikseli, tym wyższa rozdzielczość i dokładniejsze odwzorowanie obrazu.
W praktyce każdy piksel w matrycy termowizyjnej mierzy temperaturę obszaru o określonym rozmiarze na obrazie. Rozmiar tego obszaru nazywa się rozmiarem piksela i jest podawany w mikrometrach (µm). Im mniejszy rozmiar piksela, tym bardziej szczegółowy jest obraz termiczny, ale wymaga to zwykle zastosowania bardziej zaawansowanej technologii i większych kosztów produkcji matrycy.
Wielkość piksela w matrycy termowizora
Rozmiar piksela w matrycy termowizyjnej zależy od wielkości matrycy oraz od technologii produkcji. Matryce termowizyjne stosowane obecnie w termowizorach posiadają piksele o rozmiarze od 12 µm i 17µm.
Im mniejszy rozmiar piksela, tym większa jest rozdzielczość matrycy termowizyjnej i tym dokładniej jest odwzorowany obraz termiczny. Jednocześnie, mniejszy rozmiar piksela może wymagać bardziej zaawansowanej technologii produkcji, co zwiększa koszty produkcji matrycy.
Wielkość czy odległość piksela?
W matrycy termowizyjnej, rozmiar piksela jest zwykle określany jako odległość między sąsiednimi pikselami w matrycy, mierzona w mikrometrach (µm). Często stosuje się również pojęcie rozmiaru piksela, co odnosi się do powierzchni zajmowanej przez jeden piksel.
Zwykle większość producentów matryc termowizyjnych podaje rozmiar piksela w postaci odległości między pikselami w mikrometrach (µm), na przykład 12 µm, 17 µm.
W przypadku matryc termowizyjnych, wielkość piksela i jego odległość między sąsiednimi pikselami są ze sobą powiązane, ponieważ mniejszy rozmiar piksela oznacza zwykle mniejszą odległość między pikselami w matrycy. Jednakże, w praktyce zwykle używa się określenia rozmiar piksela, a nie odległość między pikselami, ponieważ odnosi się to bezpośrednio do tego, jak duży obszar jest mierzony przez jeden piksel.
Jednak nie tylko rozdzielczość matrycy ma wpływ na jakość sygnału generowanego przez termowizor. Istotnym parametrem jest w tym przypadku również jej czułość termiczna.
Dlaczego czułość termiczna jest istotna?
Czułość kamery termowizyjnej jest bardzo istotna, ponieważ determinuje ona minimalną różnicę temperatur, którą urządzenie jest w stanie wykryć i przedstawić jako obraz. Im niższa wartość czułości, tym urządzenie jest w stanie wykrywać mniejsze różnice temperatur, co pozwala na dokładniejsze obrazowanie i detekcję ciepłych lub zimnych obszarów.
Czułość termowizora jest zazwyczaj określana w milikelwinach (mK), co oznacza minimalną zmianę temperatury, jaką urządzenie jest w stanie wykryć. Na przykład, termowizor o czułości 50 mK jest w stanie wykryć zmianę temperatury wynoszącą 0,05°C.
Jaki parametr określa czułość termowizora?
Czułość termowizora jest określana przez jego NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), czyli szumowy ekwiwalent różnicy temperatury. NETD to parametr, który określa minimalną różnicę temperatur, jaką urządzenie jest w stanie wykryć i przedstawić jako obraz w stosunku do szumów termicznych, które wpływają na jakość obrazu. Im niższy wartość NETD, tym urządzenie jest w stanie wykrywać mniejsze różnice temperatur i zapewnia lepszą jakość obrazu. NETD jest wyrażany w stopniach Celsiusza (°C) lub milikelwinach (mK), przy czym wartość 1 mK odpowiada różnicy temperatury 0,001°C. W praktyce, termowizor powinien mieć wartość NETD poniżej 100 mK, a najlepsze urządzenia osiągają wartości NETD poniżej 25 mK.
Wartość współczynnika NETD jest jednym z kluczowych parametrów, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze kamery termowizyjnej do określonych zastosowań, aby uzyskać odpowiednią jakość obrazu w danym zakresie temperatury i poziomie szumów.
Warto jednak zauważyć, że czułość termowizora to tylko jeden z wielu czynników wpływających na jakość obrazu, takich jak rozdzielczość, szybkość odświeżania, zakres temperatur, dokładność kalibracji i wiele innych.
Dlatego warto brać pod uwagę również inne parametry, aby wybrać termowizor, który najlepiej spełni Wasze potrzeby.
