Kamera termografik

Kamera termometer (juga dikenali sebagai kamera inframerah atau kamera pengimejan terma ) adalah peranti yang membentuk imej menggunakan radiasi inframerah, sama seperti kamera biasa yang membentuk imej menggunakan cahaya yang kelihatan. Disebalik julat 400-700 nanometer kamera cahaya yang kelihatan, kamera inframerah beroperasi pada panjang gelombang sepanjang 14,000 nm (14 μm). Penggunaannya dipanggil termografi.

Penemuan dan penyelidikan sinaran inframerah

Inframerah telah ditemui pada tahun 1800 oleh Sir William Herschel sebagai satu bentuk radiasi di luar cahaya merah. "Sinar inframerah" ini (infra ialah awalan Latin untuk "di bawah") yang digunakan terutamanya untuk pengukuran haba. Terdapat empat Hukum asas radiasi IR: Hukum sinar terma Kirchhoff, Hukum Stefan-Boltzmann, Hukum Planck , dan Hukum perpindahan Wien. Pembangunan pengesan terutamanya tertumpu kepada penggunaan termometer dan bolometer sehingga Perang Dunia I. Leopoldo Nobili membina termogandingan pertama pada tahun 1829, yang membuka jalan bagi Macedonio Melloni untuk menunjukkan bahawa seseorang yang berada 10 meter jauh dapat dikesan dengan termopil berbilang unsurnya. Bolometer dicipta pada tahun 1878 oleh Langley. Ia mempunyai keupayaan untuk mengesan radiasi dari seekor lembu sejauh 400 meter, dan sensitif terhadap perbezaan suhu seratus ribu dari satu derajat Celsius.
Penggunaan maju pertama teknologi IR di bahagian awam mungkin merupakan alat untuk mengesan kehadiran gunung berapi dan kapal wap dengan menggunakan cermin dan termopil, yang dipatenkan pada tahun 1913. Ini tidak lama lagi diatasi oleh pengesan ais IR yang pertama, yang tidak menggunakan termopil, dipatenkan pada tahun 1914 oleh RD Parker. Ini diikuti oleh cadangan GA Barker untuk menggunakan sistem IR untuk mengesan kebakaran hutan pada tahun 1934.  Teknik ini tidak benar-benar digunakan dalam industri sehingga ia digunakan dalam analisis pemanasan keseragaman dalam jalur keluli panas pada tahun 1935.

Kamera termografik pertama

Pada tahun 1929, seorang ahli fizik Hungary, Kálmán Tihanyi mencipta kamera televisyen elektronik sensitif inframerah (penglihatan malam) untuk pertahanan anti pesawat di Britain. Kamera termografik pertama yang dibangunkan ialah pengimbas talian inframerah. Ini dihasilkan oleh tentera Amerika Syarikat dan Texas Instruments pada tahun 1947 dan mengambil tempoh satu jam untuk menghasilkan satu imej. Walaupun beberapa pendekatan telah diselidiki untuk meningkatkan kelajuan dan ketepatan teknologi, salah satu faktor yang paling penting yang berkaitan dengan pengimbasan imej, yang mana syarikat AGA dapat mengkomersilkan menggunakan fotopengalir yang disejukkan.
Sistem pengimbas garisan inframerah pertama adalah Yellow Duckling ("Itik Kuning") British pada pertengahan 1950-an. Syatem ini menggunakan pengesan dan cermin berputar berterusan, dengan paksi Y mengimbas oleh gerakan pesawat pembawa. Walaupun tidak berjaya dalam penerapan dasar pengesanan kapal selam melalui pengesanan ombak buritan, ia telah digunakan untuk pengawasan daratan dan menjadi asas bagi pengimbas garis IR ketenteraan.
Kerja-kerja ini dibangunkan lagi di Royal Signals dan Radar Establishment di UK apabila mereka menjumpai bahawa mercury cadmium telluride boleh digunakan sebagai pengalir yang memerlukan kurang penyejukan. Honeywell di Amerika Syarikat turut membangunkan pengesan yang boleh menyejuk pada suhu yang lebih rendah, tetapi ia diimbas secara mekanikal. Kaedah ini mempunyai beberapa kelemahan yang boleh diatasi melalui penggunaan sistem imbasan elektronik. Pada tahun 1969, Michael Francis Tompsett di Syarikat Injap Elektrik Inggeris di UK telah mematenkan kamera yang diimbas pyro-elektronik dan mencapai prestasi yang tinggi selepas beberapa kejayaan lain sepanjang tahun 1970-an.  Tompsett turut mencadangkan satu idea bagi penstrukturan haba terma keadaan pepejal, yang akhirnya membawa kepada peranti pengimejan kepingan kristal hibridisasi tunggal.

Penderia pintar

Salah satu bidang pembangunan yang paling penting untuk sistem keselamatan adalah untuk keupayaan untuk menilai secara senyap suatu isyarat, serta memberi amaran mengenai kehadiran ancaman. Di bawah galakan Inisiatif Pertahanan Strategik Amerika Syarikat, "penderi pintar" mula muncul. Ini merupakan penderia yang boleh menyepadukan penginderaan, pengekstrakan isyarat, pemprosesan, dan pemahaman. Terdapat dua jenis Penderia Pintar. Pertama, sama dengan apa yang dipanggil " cip penglihatan " apabila digunakan dalam julat yang boleh dilihat, membenarkan pra-proses menggunakan teknik Penginderaan Pintar berikutan peningkatan pertumbuhan mikrolitar bersepadu. Teknologi lain lebih berorientasikan kepada penggunaan khusus dan memenuhi matlamatnya yang telah diolah melalui reka bentuk dan strukturnya.
Menjelang penghujung tahun 1990an penggunaan inframerah bergerak ke arah penggunaan awam. Terdapat pengurangan kos yang dramatik untuk tatasusunan yang tidak disejukkan, yang bersama-sama dengan peningkatan besar dalam pembangunan membawa kepada penggunaan pasaran dua guna di antara awam dan tentera. Kegunaan ini termasuk kawalan alam sekitar, analisis bangunan / seni, diagnostik fungsi perubatan, dan panduan kereta serta sistem mengelakkan perlanggaran.

Teori operasi

Tenaga inframerah hanyalah satu bahagian dari spektrum elektromagnetik, yang merangkumi radiasi dari sinar gamma, x-sinar, lembayung ungu, kawasan kecil cahaya yang kelihatan, inframerah, gelombang terahertz, gelombang mikro, dan gelombang radio. Kesemua ini berkaitan dan dibezakan dalam panjang gelombang mereka (panjang gelombang). Semua objek memancarkan sejumlah radiasi badan hitam sebagai fungsi suhu mereka.
Secara amnya, semakin tinggi suhu objek, lebih tinggi radiasi inframerah dipancarkan sebagai radiasi badan hitam. Kamera khas boleh mengesan sinaran ini dengan cara yang serupa dengan cara kamera biasa mengesan cahaya yang kelihatan. Ia berfungsi walaupun dalam kegelapan kerana tahap cahaya ambien persekitaran tidak penting. Ini menjadikannya berguna untuk operasi menyelamat di bangunan yang penuh asap dan di bawah tanah.
Perbezaan utama dengan kamera optik adalah adalah kanta fokus tidak boleh dibuat dari kaca, kerana blok kaca menghalang cahaya inframerah gelombang panjang. Bahan khas seperti kristal Germanium atau Sapphire perlu digunakan. Kanta germanium juga agak rapuh, selalunya mempunyai salutan yang keras untuk melindungi daripada hentakan tidak sengaja. Kos kanta khas yang lebih tinggi merupakan salah satu sebab mengapa kamera termografik adalah lebih mahal.

Dalam kegunaan

Imej dari kamera inframerah cenderung kelihatan sebagai monokrom kerana kamera umumnya menggunakan sensor imej yang tidak membezakan panjang gelombang radiasi inframerah yang berlainan. Penderia imej warna memerlukan pembinaan yang kompleks untuk membezakan panjang gelombang, dan warna tidak begitu penting di luar spektrum penglihatan normal kerana panjang gelombang yang berbeza tidak memetakan secara seragam pada sistem penglihatan warna yang digunakan oleh manusia.
Kadang-kadang imej monochromatic ini dipaparkan dalam warna palsu, di mana perubahan warna digunakan hasil perubahan intensiti untuk memaparkan perubahan dalam isyarat. Teknik ini, yang dipanggil pengerasan ketumpatan , adalah berguna kerana walaupun manusia mempunyai jarak dinamik yang jauh lebih besar dalam pengesanan intensiti daripada keseluruhan warna, keupayaan untuk melihat perbezaan intensiti yang baik di kawasan terang adalah agak terhad.
Bagi penggunaan dalam pengukuran suhu, bahagian paling terang (paling panas) pada imej biasanya berwarna putih, suhu serdahana merah dan kuning, dan bahagian paling redup (paling sejuk) hitam. Skala sepatutnya ditunjukkan di sebelah imej warna palsu untuk mengaitkan warna kdengan suhu. Resolusinya jauh lebih rendah berbanding kamera optik, kebanyakannya hanya 160 x 120 atau 320 x 240 piksel, sungguhpun kamera yang lebih mahal mampu mencapai resolusi 1280 x 1024 piksel. Kamera termografik jauh lebih mahal berbanding kamera spektrum yang kelihatannya, sungguhpun kamera termal tambahan rendah untuk telefon pintar terdapat bagi beberapa ratus dollar pada tahun 2014. Model yang lebih tinggi sering dianggap sebagai dwi-kegunaan dan eksportnya terhad, terutamanya jika resolusinya adalah 640 x 480 atau lebih besar, melainkan kadar pembaharui adalah 9 Hz atau kurang. Eksport kamera termografik dikawal oleh Peraturan Lalu Lintas Antarabangsa bagi Persenjataan.
Dalam pengesan yang tidak didinginkan, perbezaan suhu pada piksel penderia adalah kecil; Perbezaan 1 °C pada sasaran hanya menghasilkan perbezaan 0.03 °C pada penderia. Masa tindak balas piksel juga agak perlahan, pada julat puluhan persejuta saat.
Termografi digunakan dalam banyak kegunaan lain. Contohnya, anggota bomba menggunakannya untuk melihat melalui asap, mencari mangsa, dan mengenalpasti tompok panas kebakaran. Dengan pengimejan termal, juruteknik penyelenggaraan kuasa mengesan sambungan dan bahagian pemanasan melampau, petanda kegagalan untuk menghapuskan potensi bahaya. Di mana penebat haba telah rosak, juruteknik pembinaan bangunan dapat melihat kebocoran haba untuk meningkatkan kecekapan pendingin atau pemanasan penghawa dingin.
Kamera pengimejan terma juga dipasang di beberapa kereta mewah untuk membantu pemandu (penglihatan malam Kereta), yang pertama ialah Cadillac DeVille 2000.
Beberapa aktiviti fisiologi, terutamanya tindak balas seperti demam, pada manusia dan haiwan berdarah panas lain juga boleh dipantau dengan pengimejan thermografik. Kamera inframerah yang sejuk boleh ditemui di teleskop penyelidikan astronomi utama, bahkan pada yang bukan teleskop inframerah.

Jenis

Kamera termografi secara umumnya boleh dibahagikan secara umum pada dua jenis: yang mempunyai pengesan imej inframerah yang disejukkan dan yang mempunyai pengesan yang tidak disejukkan.

Pengesan inframerah yang disejukkan

Pengesan yang didinginkan biasanya terkandung dalam bekas tertutup vakum atau Dewar dan didinginkan secara kriogenik. Penyejukan diperlukan untuk operasi bahan semikonduktor yang digunakan. Suhu operasi biasa berkisar dari 4 K kepada bawah suhu bilik, bergantung pada teknologi pengesan. Pengesan sejuk yang paling moden beroperasi dalam lingkungan 60 K hingga 100 K, bergantung pada jenis dan tahap prestasi.
Tanpa pendinginan, sensor ini (yang mengesan dan menukar cahaya dengan cara yang sama seperti kamera digital biasa, tetapi dibuat daripada bahan yang berbeza) akan 'menjadi buta' atau dibanjiri oleh radiasi ia sendiri. Kelemahan kamera inframerah yang disejukan adalah bahawa ia mahal untuk dighasilkan dan dikendali. Penyejukan memerlukan banyak tenaga dan memakan masa.
Kamera mungkin memerlukan beberapa minit untuk menyejuk sebelum ia boleh mula berfungsi. Sistem penyejukan yang paling biasa digunakan ialah mesin cryptooler Stirling berputar. Walaupun alat penyejuk itu agak besar dan mahal, kamera inframerah yang disejukkan memberikan kualiti imej yang lebih baik berbanding dengan yang tidak disejukan.
Selain itu, sensitiviti yang lebih tinggi dari kamera yang disejukkan juga membolehkan penggunaan kanta F-nombor yang lebih tinggi, menghasilkan kanta fokal panjang berprestasi tinggi yang lebih kecil dan lebih murah bagi pengesan yang disejukkan. Alternatif kepada penyejuk enjin Stirling adalah dengan menggunakan gas botol pada tekanan tinggi, nitrogen menjadi pilihan yang utama. Gas bertekanan mengembang melalui lubang berukuran mikro dan melepasi penukar haba mini yang menghasilkan penyejukan regeneratif melalui kesan Joule-Thomson. Bagi sistem sedemikian, pembekalan gas bertekanan adalah kerisauan logistik untuk kegunaan lapangan.
Bahan yang digunakan untuk pengesanan inframerah yang sejuk termasuk fotopengesan berdasarkan pelbagai jurang sempit semikonduktor termasuk antimonida indium (3-5 μm), arsenida indium, raksa kadmium telurida (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm), sulfida plumbum, dan plumbum selenida.
Fotopengesan inframerah boleh dihasilkan dengan struktur semikonduktor jurang band yang luas seperti pada fotopengesan inframerah Quantum well.
Sejumlah teknologi bolometer sejuk superkonduktor dan bukan superkonduktor wujud.
Pada prinsipnya, peranti simpang penerowongan superkonduktor boleh digunakan sebagai peranti inframerah kerana jurangnya sangat sempit. Jujukan kecil telah ditunjukkan. Penggunaannya secara meluas adalah sukar kerana kepekaan tingginya memerlukan perisai yang sempurna dari radiasi latar belakang.
Pengesan superkonduktor menawarkan sensitiviti yang melampau, dengan sesetengahnya boleh mengesan foton individu. Contohnya, kamera Superkonduktor ESA (SCAM) . Walaubagaimanapun, ia tidak digunakan secara meluas di luar penyelidikan saintifik.

Pengesan infra tidak disejukkan

Kamera termal yang tidak disejukkan menggunakan penderia yang beroperasi pada suhu ambien, atau penderia stabil pada suhu hampir ambien dengan menggunakan unsur kawalan suhu kecil. Pengesan yang tidak didinginkan moden kesemuanya menggunakan penderia yang berfungsi dengan perubahan rintangan, voltan atau arus apabila dipanaskan oleh pancaran inframerah. Perubahan ini kemudian diukur dan dibandingkan dengan nilai pada suhu operasi penderia.
Penderia inframerah yang tidak disejukkan boleh distabilkan ke suhu operasi untuk mengurangkan herotan imej, tetapi ia tidak disejukkan kepada suhu rendah dan tidak memerlukan penyejuk kriogenik yang besar dan mahal. Ini menjadikan kamera inframerah lebih kecil dan lebih murah. Walau bagaimanapun, resolusi dan kualiti imejnya cenderung lebih rendah berbanding pengesan yang disejukkan. Ini disebabkan perbezaan dalam proses penghasilan mereka, terhad oleh teknologi sedia ada sekarang. Kamera haba yang tidak disejukkan juga perlu menangani punca habanya sendiri.
Pengesan yang tidak disejukkan kebanyakannya berdasarkan bahan piroelektrik dan feroelektrik atau teknologi mikrobolometer. Bahan ini digunakan untuk membentuk piksel dengan ciri-ciri yang sangat bergantung pada suhu, yang dilindungi secara termal dari alam sekitar dan dibaca secara elektronik.
Pengesan feroelektrik beroperasi hampir dengan suhu peralihan fasa bagi bahan penderia; suhu piksel dibaca sebagai cas pengutuban yang sangat bergantung kepada suhu. NETD yang dicapai melalui pengesan feroelektrik dengan optik f / 1 dan sensor 320x240 ialah 70-80 mK. Pemasangan penderia yang mungkin terdiri daripada barium strontium titanate terikat-kejutan dengan sambungan polyimide termal terlindung.
Microbolometer silikon boleh mencapai NETD hingga 20 mK. Ia terdiri daripada lapisan silikon amorf, atau unsur pengukur filem oksida nipis (V) yang digantung pada jambatan silikon nitride di atas pengimbasan elektronik berasaskan silikon. Rintangan elektrik pada unsur pengesan diukur sekali setiap bingkai.
Penambahbaikan semasa satah fokus konjugat tidak disejukkan (uncooled focal plane arrays-UFPA) tertumpu terutamanya pada kepekaan dan ketumpatan piksel yang lebih tinggi. Pada tahun 2013, DARPA mengumumkan kamera LWIR lima mikron yang menggunakan satah fokus konjugat 1280 x 720 (FPA). Sesetengah bahan yang digunakan untuk jujukan sensor adalah silikon amorf (a-Si), vanadium (V) oksida (VOx), lanthanum barium manganite (LBMO), plumbum zirkonat titanat (PZT), lanthanum ditambah lanthanum zirkonat titanat (PLZT), plantum tantalate plumbum (PST), plumbum lanthanum (PLT), titanat plumbum (PT), zinc niobate (PZN), plontium titanate (PSrT), barium strontium titanate (BST) BT), antimoni sulfoiodida (SbSI), dan polyvinylidene difluoride (PVDF). amorphous silicon (a-Si), vanadium(V) oxide (VOx), lanthanum barium manganite (LBMO), lead zirconate titanate (PZT), lanthanum doped lead zirconate titanate (PLZT), lead scandium tantalate (PST), lead lanthanum titanate (PLT), lead titanate (PT), lead zinc niobate (PZN), lead strontium titanate (PSrT), barium strontium titanate (BST), barium titanate (BT), antimony sulfoiodide (SbSI), and polyvinylidene difluoride (PVDF).