Тепловізор інфрачервоний

Тепловізор — пристрій для спостереження за розподілом температури досліджуваної поверхні. Розподіл температури відображається як кольорова картинка, де різним температурам відповідають різні кольори. Вивчення теплових зображень називається термографией.

Всі тіла, температура яких вища за температуру абсолютного нуля випромінюють електромагнітне теплове випромінювання у відповідності з законом Планка. Спектральна щільність потужності випромінювання (функція Планка) має максимум, довжина хвилі якого на шкалі довжин хвиль залежить від температури. Положення максимуму у спектрі випромінювання зрушується з підвищенням температури в бік менших довжин хвиль (закон зміщення Віна). Тіла, нагріті до температури оточуючого нас світу (-50..+50 градусів Цельсія) мають максимум випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні (довжина хвилі 7..14 мкм). Для технічних цілей цікавий також діапазон температур до сотень градусів, випромінює в діапазоні 3..7 мкм. Температури близько тисячі градусів і вище не вимагають тепловізорів для спостереження, їх теплове світіння видно неозброєним оком.

Історично перші тепловізійні датчики для отримання зображень були електронно-вакуумними. Найбільший розвиток отримала різновид на основі видиконов з пироэлектрической мішенню. У цих пристроях електронний промінь сканував поверхню мішені. Струм променя залежав від внутрішнього фотоефекту матеріалу мішені під дією інфрачервоного випромінювання. Такі прилади називалися пирикон або пировидикон. Існували також інші типи скануючих електронно-вакуумних трубок, чутливих до теплового спектру інфрачервоного випромінювання, наприклад термикон і фильтерскан.

На зміну электронновакуумним приладів прийшли твердотілі. Перші твердотільні датчики були одноелементними, тому для отримання двовимірного зображення їх оснащували електромеханічної оптичної розгорткою. Такі тепловізори називаються скануючи. У них система з рухомих дзеркал послідовно проектує на датчик випромінювання від кожної точки спостережуваного простору. Датчик може бути одноелементні, лінійкою чутливих елементів або невеликий матрицею. Для збільшення чутливості та зниження інерційності датчики скануючих тепловізорів охолоджують до кріогенних температур. Кращі охолоджувані датчики здатні реагувати на поодинокі фотони і мають час реакції менше мікросекунди.

Сучасні тепловізори, як правило, будуються на основі спеціальних матричних датчиків температури — болометрів. Вони являють собою матрицю мініатюрних тонкоплівкових терморезисторів. Інфрачервоне випромінювання, зібране і сфокусоване на матриці об'єктивом тепловізора, нагріває елементи матриці у відповідності з розподілом температури спостережуваного об'єкта. Просторове дозвіл комерційно доступних болометричних матриць досягає 1280*720 точок. Комерційні болометри зазвичай роблять неохолоджуваними для зменшення ціни і розмірів обладнання.

Температурне дозвіл сучасних тепловізорів досягає сотих часток градуса Цельсія.

Розрізняють наглядові та вимірювальні тепловізори. Наглядові тепловізори показують тільки градієнти температур об'єкта. Вимірювальні тепловізори дозволяють виміряти значення температури заданої точки об'єкта з точністю до коефіцієнта випромінювання матеріалу об'єкта. Вимірювальні тепловізори вимагають періодичного калібрування, для чого найчастіше забезпечені вбудованим пристроєм для калібрування матриці, зазвичай у вигляді шторки, температура якої точно вимірюється. Шторка періодично насувається на матрицю, даючи можливість калібрувати матрицю по температурі шторки.

Тепловізор дозволяє побічно судити про температурі об'єкта за його електромагнітному випромінюванню у певному діапазоні інфрачервоного спектру. Однак відхилення оптичних властивостей реальних матеріалів від властивостей ідеального абсолютно чорного тіла ускладнює однозначне перетворення випромінювання, що реєструється тепловізором, в точне значення температури реального об'єкта.

Формула Планка описує залежність випускається тілом електромагнітного випромінювання від температури тіла в ідеальному випадку, тобто у разі

т.н. абсолютно чорного тіла. Однак реальні тіла найчастіше відрізняються від абсолютно чорного тіла, володіючи індивідуальними властивостями відбиття (розсіювання), пропускання (поглинання) і випускання електромагнітних хвиль. Властивості відбиття (розсіювання) та пропускання визначають паразитне засвічення об'єкта вимірювання від навколишніх нагрітих предметів, що може призводити до завищення показань безконтактного датчика температури. Властивість поглинання випромінювання визначає підігрів об'єкта випромінюванням навколишніх нагрітих предметів. Відмінність у властивості випромінювання випромінювання реальних матеріалів і абсолютно чорного тіла призводить до заниження показань температури.

Нагрітий куб Леслі. Видно, що чорна і біла грані куба мають високий коефіцієнт випромінювання і тепловізор показує, що грані гарячі. А полірована і матова грані куба виготовлені з матеріалу з низьким коефіцієнтом випромінювання, але з високим коефіцієнтом відбиття, тому в тепловізорі вони виглядають холодними і в них відбивається тепло руки.

Для демонстрації деяких проблем визначення температури з випромінювання було придумано куб Леслі, у якого сторони виконані з різних матеріалів. Зображення куба Леслі праворуч демонструють різницю у випромінювальних та відбивних властивостях різних граней куба за однієї й тієї ж температури куба.

Для чисельної характеристики оптичних властивостей матеріалів, що впливають на рівень випромінювання від них, введено коефіцієнт відбиття (коефіцієнт розсіювання), коефіцієнт пропускання (або коефіцієнт поглинання) і коефіцієнт випромінювання електромагнітних хвиль. Ці коефіцієнти показують відмінності матеріалу від оптично ідеального, зокрема коефіцієнт випромінювання показує наскільки випромінювання матеріалу менше випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Нижче наведена таблиця коефіцієнта випромінювання деяких матеріалів актуальної для тепловізорів частини інфрачервоного діапазону.