Teplotu lze bezkontaktně měřit nejen bodově, ale i plošně pomocí infračervených kvantových detektorů doplněných optikou, vyhodnocovací a zobrazovací elektronikou. Takto postavený systém se nazývá termokamera či termozobrazovač. O tom, jak takové systémy pracují, jakou mají historii, jaké existují typy detektorů a stručný úvod do infračerveného záření najdete v tomto článku...

Úvod do principu infračerveného záření

Záření v infračervené oblasti je emitováno každým objektem, jehož teplota je nad hodnotou absolutní nuly (tj. 0 K = -273 °C). Rozložení záření z pohledu vlnových délek je dáno vyzařováním absolutně černého tělesa podle Planckova zákona, tj. tělesa s maximální emisivitou 1.0. Z těchto křivek je možné najít frekvenci, na které dochází k maximální intenzitě vyzařování v závislosti na aktuální teplotě objektu. Příjem infračerveného záření a určení jeho vlnové délky tak umožňuje bezdotykové měření teploty libovolného místa.

V praxi se však k vzdálenému měření teploty využívá spíše celkové energie vyzářené sledovaným objektem v určitém časovém úseku. Celková emisivita je totiž integrálem plochy pod Planckovou křivkou a je definována Stefan-Boltzmanovým zákonem. Ten říká, že celková vyzářená energie W je rovna součinu emisivity povrchu tělesa ε, Boltzmanovy konstanty σ (5.67 × 10^-8) a čtvrté mocniny teploty tělesa T, tedy W = ε . σ . T⁴.

Při praktickém měření tepelného obrazu tělesa se musí vzít v úvahu dva hlavní faktory:

• Absolutní teplota objektu, která určuje vlnovou délku a na které dochází k maximu vyzařování, ovlivňuje celkové množství záření.
• Emisivita objektu, která definuje množství emitovaného záření.

Infračervená oblast leží za červenou barvou spektra viditelného světla na vlnových délkách v rozmezí 1 až 20 mikrometrů, přičemž oblast 1 mikrometru je obecně využívaná pro aplikace typu infračerveného přenosu dat a dálkového ovládání. Na přenos infračerveného záření mají pak vliv i různé absorpce v atmosféře, což ve výsledku znamená, že pro měření v oblasti běžných teplot se využívá pásem 3 až 5 mikrometrů nebo 8 až 14 mikrometrů.

Co je termovize, termokamera a termální zobrazovač?

Termokamery (termální zobrazovače) jsou systémy pro plošné měření a zobrazení teploty, zobrazení a záznam přítomnosti objektů v prostoru nebo tzv. noční vidění. Tyto aplikace se také souhrnně označují jako termovize. Základním principem funkce infračervených kamer je podobně jako u viditelného světla snímání a zpracování záření dopadajícího přes optiku na infračervený snímač (detektor). Ten ho převádí na elektrický signál, následující obvody jej zesílí a analogově nebo digitálně zpracují do nějaké standardní podoby vhodné pro záznam nebo zobrazení na obrazovce či displeji.

Úvod do infračervených detektorů

Pro potřeby snímání infračerveného záření se využívá dvou typů detektorů, které pro jeho konverzi na elektrický signál vhodný pro elektronické zpracování využívají dva rozdílné přístupy:

• Tepelné detektory (Thermal Detectors) - využívají změny některé vlastnosti materiálu na základě absorpce energie infračerveného záření
  


• Kvantové detektory (Quantum Detectors) - využívají přímé přeměny dopadajícího záření na náboj, resp. el. proud

Nejběžnější typ tepelného detektoru využívá pyroelektrického efektu. Zde detektorem absorbované dopadající infračervené záření mění jeho teplotu a změna teploty se pyroelektrickým efektem mění na změnu množství náboje na elektrodách. Tyto typy detektorů jsou jednoduché a velmi levné a využívají se hlavně pro poplachové hlásiče a zabezpečovací systémy. Mají výhodu také v tom, že nevyžadují chlazení. Na druhou stranu je lze využít jen jako bodové měřiče teploty, i když jako materiál bylo pyroelektrikum také využíváno jako část plošných tepelných zobrazovacích systémů PEV.

Více sofistikovaná teplotní zobrazovací zařízení pak využívají kvantové detektory, což jsou polovodičové systémy, ve kterých dopadající záření přímo excituje nosiče elektrického náboje (elektrony). Jejich počet a tedy i velikost výstupního elektrického signálu je úměrný intenzitě záření. Dnes nejčastěji využívaný polovodičový materiál pro kvantové detektory je tellurid rtuťnokademnatý HgCdTe, často také označovaný jako CMT (Cadmium Mercury Telluride). Jeho výhodou je možnost nastavení maximální citlivosti v rozmezí 3 - 5 mikrometrů nebo 8 - 14 mikrometrů pouze složením sloučeniny. Nevýhodou je jeho "nekompatibilita" s křemíkem a tedy složitější implementace na křemíkový chip. Signálový výstup kvantového detektoru je však malý a v normálním stavu při pokojové teplotě je "zaplavený šumem" generovaným uvnitř součástky. A protože šum polovodiče je závislý na teplotě je možné a nutné jej eliminovat chlazením detektorů na velmi nízké teploty. Pro detekční pásmo 3 - 5 mikrometrů na - 80 °C a na - 193°C pro pásmo 8 až 14 mikrometrů. Chlazení je tedy hlavní nevýhoda kvantových detektorů, ale protože jinak dosahují výborných elektrických vlastností, jsou voleny pro aplikace plošného termálního zobrazení, tedy pro účely termovize.

Typy detektorů pro termozobrazovače (termokamery)

Existuje několik různých principů detektorů, které jsou využívány pro konstrukci termovizních systémů:

• Pyroelektrický vidikon PEV (Pyro-Electric Vidicon) - variace na konvenční vidikonovou kamerovou trubici (elektronku) využívanou v televizních kamerách před více jak 30 lety.
  


• FPA (Focal-Plane-Array) / Staring Array - matice velkého počtu jednotlivých detekčních plošek (pixelů), které si "rozdělí" a najednou snímají infračervené záření celé viditelné plochy.
  


• Skenovací systém (Scanning System) - celá plocha obrazu je snímána (skenována) postupně po řádcích nebo sloupcích pomocí rychle se pohybující úzkosměrové optické soustavy, která postupně přivádí na stále stejný malý detektor záření z různých míst prostoru.

V prvopočátku termovize, tj. snímání infračerveného obrazu, se využívaly pyroelektrické vidikony (PEV), jejichž princip je podobný vidikonům v té době využívaných v klasických televizích kamerách. Princip je založen na pyroelektrickém materiálu umístěného ve formě matrice na přední vnitřní straně vidikonové trubice, který mění svojí kapacitu na základě dopadu infračerveného záření. Matrice je skenována elektronovým paprskem a výsledné impulsy jsou zesíleny a zpracovány. Výhodou PEV je, že pracuje kontinuálně analogově a ne po dávkách jako níže uvedené systémy, tzn. že výsledkem je nepřetržitý signál na výstupu. Protože vidikon detekuje pouze změny dopadajícího záření, musí mu být předřazena mechanicko-optická závora pro přerušování jeho toku. Nevýhodu je značná velikost, malá životnost, velká energetická náročnost a malé rozlišení. Proto se již dlouho nevyužívá.

Starší komerční kamery z dob, kdy ještě nebylo možné vyrábět detektory s velkým počtem snímacích elementů nebo dnes termovizní systémy vyžadující neobvykle velké rozlišení (například ve vojenství), pracují na skenovacím principu. Obvykle se využívá optické skenovací techniky a chlazeného CMT detektoru, který je skenován napříč obrazu v celé řadě formátů. V nejjednodušší formě může být obraz skenován jen na jeden element podél každého řádku, na které je reálný obraz rozdělen (serial scanning). To však v praxi vyžaduje extrémně rychlé skenovací rychlosti, proto se častěji využívá detektor se sérií elementů. Ty mohou být skenovány jako blok podél každého řádku. Pohyb paprsku infračerveného záření může být prováděn pohyblivou skenovací optikou nebo v případě typů termokamer se skenováním řádků pohybem samotného detektoru. Toho se často využívá v letectví, kde elementy detektoru jsou neustále opakovaně skenovány podél stejného řádku (horizontální pohyb), zatímco dopředný pohyb letadla provádí vertikální pohyb detektoru a i tím vychylování. Takové zobrazovače častěji poskytují digitální výstup raději než CCIR video signál. Jinou metodou je použití paralelního skenování elementů (parallel scanning). Ty sice mají jeden element na řádek, ale zároveň skenují několik řádků současně. To sice snižuje skenovací rychlost, ale zase zvyšuje nehomogenitu obrazu.

Nejčastěji se proto v praxi nasazuje sérioparalelní matice elementů. Ta poskytuje akceptovatelnou homogenitu i skenovací rychlost. Protože všechny kombinace mají výhody i nevýhody, využívají se v termozobrazovačích a termokamerách všechny typy dle konkrétních požadavků.

Funkčně jiným a dá se říct speciálním typem skenovacího CMT detektoru je SPRITE (Signal Processing In The Element). Ten, i když také musí být chlazen a také vyžaduje skenovací optiku, je zajímavý tím, že jeden snímací prvek zde nahrazuje několik běžných sériových elementů. Zpracování, které je normálně prováděno externími obvody se u SPRITE provádí na společném substrátu se snímacími prvky. Výhodou je redukovaný počet vývodů, kompaktní konstrukce a zvýšená odolnost proti šumu. Navíc při paralelním použití několika SPRITE elementů v jednom detektoru může být použito k paralelnímu skenování pro zvýšení účinnosti a rychlosti. Multiprvkové SPRITE systémy stále ještě i dnes patří mezi patentované a utajované vojenské technologie.

Stručná historie vývoje termokamer

Termální kamery, pokud nepočítáme první systémy s PEV (někdy označované jako 0. generace), lze podle historického vývoje a podle stupně vývoje infračervený detektorů rozdělit zhruba do následujících třech generací:

• 1. Generace - zahrnuje první termokamery vznikající v 70. a 80. letech, které byly převážně vyvíjeny a určeny pro vojenské účely. Tyto kamery využívaly jednoduché diskrétní detektory tvořené nemultiplexované fotovodivé lineární matice s maximálně 100 elementy (poslední špičkové kamery 1. generace měli až 180) typicky vyráběné z materiálu InSb, PbSe a později i HgCdTe. Výrazný posun v kvalitě v 80.letech pak přineslo vynalezení SPRITE detektorů a nasazení skenovací technologie. Typicky tyto kamery pracovaly v pásmu 8 - 12 mikrometrů s optikou F/2 - F/4 a typickým teplotním rozlišením NETD 0.2 Kelvinů. Některé termokamery 1. generace v armádách stále ještě slouží.
  


• 2. Generace - vyznačují se použitím skenovacího systému ve spojení lineárními nebo 2D FPA (Focal Plane Arrays) detektory s počtem 100 až 1000 elementů nebo případně ještě multiprvkovými SPRITE detektory. Teplotní rozlišení NETD tím kleslo typicky na cca 0.1 K. Tyto kamery se již vyznačovaly přijatelně malými rozměry a hmotností a začaly být prodávány i komerční provedení. To bylo docíleno uměním plné integrace snímacích elementů a základní čtecí logiky na jeden společný chip. Nasazení těchto termokamer ve vojenství začalo již v 2. polovině 80. let a trvalo až do cca poloviny 90. let a i v současnosti stále představují hlavní podíl těchto zařízení ve výzbroji armád. Termokamery využívající vylepšené multilineární FPA jsou někdy označovány jako generace 2+ s vylepšeným teplotním rozlišením až 0.05 K. Jádrem jsou HgCdTe detektory s 288x4 elementy pro pásma 3-5 mikrometrů a 8-10.5 mikrometrů s integrovaným plným signálovým zpracováním (integrace fotoproudu, rychlé čtení, dělení, TDI, výstupní předzesílení apod.).
  


• 3. Generace - obsahuje neskenovací termokamery využívající buď 2D chlazené FPA detektory z materiálu HgCdTe, InSb nebo nejnověji technologii QWIP nebo nechlazené FPA založené na mikrobolometrech nebo feroelektrické technologii. Počet elementů dosahuje 1 a více miliónů. Tyto staring arrays, jak se také označují, již obsahují plné digitální zpracování signálu na společném chipu, rychlé integrované vyčítací obvody ROIC, volbu pixelů, antiblooming každého pixelu, předzesílení, úpravu a filtraci v blocích apod. "Zrušení" skenovací mechaniky velmi zjednodušilo optiku, která teď má za úkol jen zaostřit infračervený obraz na FPA. První kamery 3. generace byly k dispozici již v 90. letech a od počátku 21.století jsou volně na trhu i chlazené kamery s QWIP technologií nebo nechlazené kamery s detektorem s mikrobolometry. Ty sice se vyznačují výrazně horší kvalitou obrazu než chlazené typy, ale zase jsou 2x až 4x levnější.

Ve výsledku lze napsat, že znatelný rozdíl v kvalitě obrazu je mezi 1. a 2. generací, ale již často mizivý nebo žádný mezi 2. a 3. generací. Dobře vytvořená termokamera se skenovacím systémem se kvalitou obrazu vyrovná nebo i předčí kameru s neskenovacím systémem s chlazeným FPA detektorem 320 x 240 pixelů. Hlavně v horizontálním směru. Zde je hlavně rozdíl v ceně, velikosti a hmotnosti, protože skenovací optika i s menším detektorem je výrazně dražší, větší a těžší než jednoduchá pevná optika s multipixelovým detektorem. Významný kvalitativní rozdíl 3. generace se objeví až při použití detektoru 640×512 pixelů a větších. V porovnání s nechlazenými typy detektorů pak kvalitou obrazu 2. generace jasně vítězí. Rozdíl ceny je však i více jak 5ti násobný ve prospěch nechlazených typů, nemluvě o životnosti a nižší energetické náročnosti. Proto doménou mikrobolometrových či nejnověji feroelektrických infračervených detektorů je méně náročnější komerční sféra.

Závěr

Termovize a termokamery jsou zajímavá a užitečná zařízení nejen pro noční vidění, ale i pro plošné bezkontaktní měření a hlídání teploty. V této oblasti přístrojů a senzoriky se využívá plno zajímavých technologií a principů, a proto se ke kvantovým infračerveným detektorům ještě vrátím v některém z dalších článkům na serveru automatizace.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• ROYAL SCHOOL OF ARTILLERY: "Principles of Thermal Imaging Systems", 7 Jun 04
• P. NORTON: "HgCdTe infrared detectors", OPTO-ELECTRONICS REVIEW 10(3), 159–174 (2002)
• Z. BIELECKI:"Maximisation of signal-to-noise ratio in infrared radiation receivers", Opto-Electron. Rev., 10, no. 3, 2002
• INFRAMET: "Review of infrared systems", www.inframet.com
• Články na serveru http://proviso-systems.co.uk