Из чего сделаны объективы для тепловизоров и ИК-камер?
Объективы ИК-камер изготавливаются из таких веществ, как германий, или других материалов с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном спектре. Но почему необходимо использовать эти специализированные компоненты вместо обычного компонента, такого как стекло?
Инфракрасные камеры и тепловизоры работают не так, как обычные камеры видимого света. Обычные камеры работают примерно так же, как и человеческий глаз, улавливая излучение в видимом световом спектре и превращая его в изображение. Инфракрасные камеры и тепловизоры, наоборот, получают изображение не из видимого света, а из тепла, так называемого инфракрасного или теплового излучения.
Инфракрасное излучение ведет себя совсем иначе, чем видимый свет. Поэтому объективы инфракрасных камер и тепловизоров должны быть изготовлены из других материалов, чем обычные камеры. Свойства данного материала в видимом диапазоне могут не иметь ничего общего с его свойствами в инфракрасном диапазоне — например, стекло прозрачно для излучения в видимом диапазоне, но в инфракрасном диапазоне оно совершенно непрозрачно:
Бывает и наоборот. Германий, полуметаллический элемент, похожий на кремний, совершенно непрозрачен в видимом спектре:
но прозрачен на 100% в инфракрасном диапазоне:
Именно по этой причине объективы камер FLIR изготавливаются из германия или других прозрачных в инфракрасном диапазоне материалов.
Источник
Из чего сделаны линзы в тепловизоре
Тепловизоры давно прочно вошли в нашу жизнь и продолжают захватывать все новые сферы. Естественно, у пользователя, не обременённого специализированным образованием в области оптики возникает вопрос из чего же сделаны эти хитроумные приборы? В чем секрет этих детищ технологического прогресса?
Сегодня мы немного приподнимем завесу тайны и постараемся на бытовом языке рассказать, чем секрет. Но говорить мы будем не о тепловизорах в целом, а о его ключевых деталях, а именно о линзах, которые позволяют нам видеть инфракрасное излучение.
Германиевые линзы. Наиболее распространенным материалом для изготовления линз тепловизора является редкоземельный элемент германий (Ge). Германий достаточно распространенный химический элемент, но вся хитрость в том, что он «размыт» в других породах и не встречается в чистом виде. Обычно его концентрация составляет сотые доли процента. Содержание германия в цинковых, свинцово-цинковых и медно-цинковых рудах выше и это позволяет получать его в промышленных масштабах. Так и делают в большинстве стран Европы и США. В России и Китае германий получают путем сжигания углей. Выделяют летучие окиси германия, оседающие на золе после сжигания топлива.
Германий по своим технологическим свойствам наиболее подходящий материал для изготовления оптики применяемой в производстве линз тепловизоров. Диапазон пропускаемого им инфракрасного излучения составляет 1,8-23 мкм. Этот диапазон позволяет обнаруживать объекты за счет их собственного излучения.
Так же германий активно используется в производстве оборудования для волоконно-оптической промышленности. В связи с интенсивным ростом сетей 4G и 5G потребность в этом материале растет год от года, а, следовательно, и цена на этот минерал и его производные продолжает бить рекорды на биржах.
На дороговизну Германия так же влияет и то, что основные запасы руд богатых германием расположены на территории Китая. Китай понимая стратегическую важность этого сырья запретил его вывоз из страны в чистом виде. Это означает, что германий из поднебесной можно вывозить только в составе изделий.
Раз уж металл германий дорожает год от года, то мировая научная общественность не могла не задаться целью найти альтернативные решения для удешевления производства тепловизоров и прочей ИК оптики. Этой альтернативой стал селенид цинка.
Селенид цинка – это твердое светло-желтое вещество, применяемое в производстве оптики. Разработан этот материал был еще в 80 е года 20 века, когда между СССР и США велась активная конкурентная борьба в сфере разработки и внедрения лазеров. Собственно, в сфере лазерной техники и трудился этот материал до недавнего времени, где его активно использовали в лазерных резаках.
О материале снова вспомнили, когда цена на редкоземельный германий применяемый в тепловизорах подскочила с 400 до 1500 долларов за килограмм. По своим оптическим свойствам селенид цинка (ZnSe) схож с германием, а производство его менее затратно.
Сегодня этот материал активно используется для выпуска компонентов тепловизионной техники. Так же селенид цинка и по сей день применяют в изготовлении лазеров повышенной мощности. Поликристаллический селенид цинка активно используется в приборах ночного видения и тепловизионных системах. Ввиду активного распространения тепловизионной техники как в инженерной, так и в медицинской сфере, селенид цинка будет и далее востребован при производстве приборов, работающих с ИК излучением.
Еще одной альтернативой германиевым линзам стали халькогенидные стекла. Это материал, разработанный на основе халькогенов – соединений из сульфидов, селенидов и теллуридов (особо чистых мышьяка и серы). Чаще других разновидностей этого материала применяются соединения мышьяка. Халькогенидные стекла это относительно новый материал в электронной и оптической промышленности. Халькогенидные стекла передают инфракрасное излучение в диапазоне 2 — 10 мкм.
Главным преимуществом нового материала является его технологичность. Если германиевые и селенидные стекла необходимо обрабатывать механически или по-простому точить, то халькогенидные стекла можно изготавливать простым прессованием. Это делает их значительно дешевле упомянутых выше аналогов. Не так давно халькогениды широко применялись при производстве DVD-дисков. Еще одним важным преимуществом стекла является повторяемость качества изделий от партии к партии. Добиться таких результатов при «выращивании» германиевых кристаллов и кристаллов селенида цинка крайне сложно.
Халькогениды пока проигрывают по некоторым показателям своим старшим собратьям, но с развитием технического прогресса и технологий у них есть все шансы потеснить германий и селенид в производстве тепловизоров.
Источник
Компоненты теплового изображения
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.
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
Источник
