Принципи отримання тепловізійного зображення та класифікація тепловізійних приладів
Тепловізійні прилади призначені для спостереження об'єктів з їхнього власного випромінювання. Принцип дії приладів цього типу заснований на перетворенні інфрачервоного випромінювання (ІЧ) діапазону у видимий діапазон довжин хвиль випромінювання. Спектральний діапазон, в якому працюють тепловізори, визначається інтервалами довжин хвиль в області максимуму енергії випромінювання об'єктів, що спостерігаються у відповідних вікнах прозорості атмосфери. Зазвичай це інтервали довжин хвиль від 35 до 55 мкм або від 8 до 135 мкм. Сучасні тепловізори дозволяють виявляти об'єкти, що мають температурні контрасти до десятих і навіть сотих часток градусів, формують зображення в телевізійному або близькому до телевізійного стандартів і знаходять, у зв'язку з цим широке застосування в промисловості, медицині та військовій справі.
Першим тепловізійним приладом, що з'явився наприкінці 20-х років, був евапорограф, принцип дії якого заснований на візуалізації фазового рельєфу масляної плівки, що утворюється на поверхні мембрани при проекції протилежної сторони цієї мембрани теплового зображення. Евапорогафи мали низьку порогову чутливість, велику інерційність і давали зображення з дуже малим контрастом.
У 40-ті роки намітилися дві тенденції у розвитку тепловізійних приладів. До першої групи приладів відносяться тепловізори, у яких перетворення оптичного сигналу ІЧ-діапазону в електричний сигнал використовується принцип оптико-механічного сканування (ОМС), а до другої групи приладів - тепловізори з електронним скануванням. У тепловізорах першого типу використовуються одноелементні або багатоелементні ІЧ приймачі випромінювання (ПІ) миттєвої дії, а в тепловізорах другого типу як ПІ використовуються ІЧ видікони, пірикони, а зараз вже і матричні приймачі випромінювання, так звані фокальні матриці, що працюють в режимі накопичення зарядів засновані на різних фізичних засадах.
Більшість тепловизионных приладів, що використовуються в даний час, побудовані за першим принципом, але у зв'язку з успіхами в технології виробництва матричних приймачів випромінювання з'явилися прилади без оптико-механічного сканування, які не тільки не поступаються, але навіть перевершують прилади першого типу за споживчими властивостями [ 1,2,3].
На рис.1.1 представлена узагальнена функціональна схема тепловізора з фокальною ІЧ матрицею.
Рис. 1.1 Узагальнена функціональна схема тепловізора з фокальною матрицею: 1 – оптична система; 2 - фокальна матриця з підсилювачами; 3 – мультиплексор; 4 – система охолодження; 5 – коректор неоднорідності характеристик чутливих елементів; 6 - аналого-цифровий перетворювач; 7 – цифровий коректор неоднорідності; 8 - коректор непрацюючих осередків; 9 - формувач зображення; 10 – дисплей; 11 - цифровий вихід.
Фокальні інфрачервоні матриці можуть мати розмірність 128х128, 256х256 і навіть 512х512 елементів при розмірі цих чутливих елементів 30х30 мкм2. Фокальні матриці виготовляються як функціонально закінчені фотоприймальні пристрої (ФПУ), що включають систему охолодження, підсилювачі, мультиплексор, коректор неоднорідності характеристик
чутливих елементів, аналого-цифровий перетворювач, блоки цифрової обробки та формувач вихідних сигналів. Сигнали з виходу такого ФПУ можуть передаватися на відеоконтрольний пристрій (СКУ) телевізійного типу або в цифровому вигляді до блоків цифрової обробки.
На рис.1.2 представлена узагальнена функціональна схема тепловізора із системою (ОМС).
Рис. 1.2 Узагальнена функціональна схема скануючого тепловізора: 1 – оптична система; 2 – блок оптико-механічного сканування; 3 - приймач випромінювання; 4 – система охолодження; 5 – електронний тракт; 6 - відеоконтрольний пристрій; 7 - система синхронізації.
Система ОМС, у випадку, повинна забезпечувати огляд простору предметів - сканування, як у напрямі рядків (по горизонту), і по кадру (у вертикальному напрямі), що ілюструється рис.1.3.
Існує безліч схем скануючих тепловізорів, що відрізняються методами сканування, обробки сигналів та подання вихідного зображення. Ці відмінності, багато в чому, зумовлені топологією ПІ, які у тих чи інших приладах. Зокрема, в тепловізорах із системами ЗМС можуть використовуватися одноелементні, а також багатоелементні ПІ у вигляді лінійок або матриць (див. рис.1.4). Крім цього, як відеоконтрольний пристрій, крім широко застосовуваних ТВ-моніторів, використовуються різноманітні пристрої з лінійками світлодіодів і оптико-механічними системами розгортки.
Рис. 1.3 Функціональна схема тепловізора зі скануванням по рядках та кадру: 1 - об'єктив; 2 та 3 - скануючі дзеркала; 4 - приймач випромінювання; 5 електронний тракт; 6 - відеоконтрольний пристрій.
Рис. 1.4 Методи сканування: а) – сканування одноелементним ПІ; б) – послідовне сканування лінійкою чутливих елементів; в) – паралельне сканування лінійкою чутливих елементів; г) паралельно-послідовне сканування матричним ПІ.
Розрізняють такі методи сканування простору предметів та розгортки при формуванні вихідного зображення: послідовне, паралельне та паралельно-послідовне. При послідовному скануванні або розгортанні здійснюється зміна напряму візирної осі та
перетворення сигналу по черзі вздовж кожного з рядків зображення з наступним переходом на кожний наступний рядок. Таке сканування або розгортка можуть здійснюватися при використанні одноелементних ПІ або ЦД, а також ПІ або ЦД у вигляді лінійок, елементи яких орієнтовані вздовж рядка.
При паралельному скануванні або розгортці майданчика ПІ або ЦД, виконані у вигляді лінійки, перпендикулярно орієнтовані напрямку руху візирної осі. При паралельно-послідовному скануванні або розгортці використовуються ПІ та ЦД у вигляді лінійок або матриць, а огляд поля проводиться послідовно за зонами.
Відповідно до найбільш доцільних поєднань типів сканування, обробки сигналів і розгортки тепловізійні прилади із системами ЗМС будують на основі наступних 4-х основних принципів:
- паралельне сканування, паралельна обробка відеосигналів та паралельна розгортка (рис.1.5);
Рис. 1.5 Тепловізор з паралельним скануванням та паралельною розгорткою зображення: 1 - об'єктив; 2 - дзеркало, що сканує; 3 – лінійка світлодіодів; 4 – лінійка ПІ; 5 - окуляр.
- паралельне сканування, паралельна обробка сигналів з подальшим їх перетворенням (мультиплексуванням) для виведення зображення на ТВ-монітор (рис.1.6);
Рис. 1.6 Тепловізор з паралельним скануванням та паралельною обробкою сигналів з подальшим мультиплексуванням для виведення зображення на ТБ монітор: 1 – об'єктив; 2 - дзеркало, що сканує; 3 – лінійка ПІ; 4 – лінійка світлодіодів; 5 – проекційний об'єктив; 6 - телевізійна трубка, що передає (матриця ПЗС); 7 - ТБ монітор.
- паралельно-послідовне сканування та розгортка з паралельною обробкою сигналів (рис.1.7);
Рис. 1.7 Тепловізор з паралельно-послідовним скануванням, паралельною обробкою сигналів та паралельно-послідовною розгорткою зображення: 1 - об'єктив; 2 - дзеркало, що сканує; 3 – матриця світлодіодів; 4 – матриця ПІ; 5 - окуляр.
- Послідовна обробка сигналів з перетворенням сигналу для виведення на ТБ-монітор (рис.1.8).
Рис. 1.8 Тепловізор із послідовним скануванням лінійкою ПІ та перетворенням сигналів для виведення зображення на ТБ монітор: 1 - об'єктив; 2 та 3 - скануючі дзеркала; 4 – лінійка ПІ; 5 - лінії затримки із суматором; 6 - відеопідсилювач; 7 – ТБ монітор.