в каком году изобрели тепловизор
История создания тепловизора
Первой попыткой создания тепловизора можно назвать эвапорограф, что означает регистрация испарения. В качестве преобразователя использовалась масляная пленка. Разность температур наблюдаемого объекта и окружающей среды фиксировалась и преобразовывалась в разность толщины пленки. При нагревании происходило неравномерное испарение жидкости и таким образом осуществлялось отображение объекта. Основой его создания послужили опыты Д.Гершеля еще в 19 веке, который использовал фильтровальную бумагу пропитанную спиртом и прокопченную со стороны наблюдаемого предмета. В начале 20 века были попытки усовершенствовать прибор и достигались определенные успехи в Америке, Германии и Советском Союзе. Однако все приборы относились к классу не сканирующих устройств и не получили широкого применения из-за низкой разрешающей способности и скорости воспроизведения предмета исследования.
Тепловизоры используются во многих областях промышленности, где требуется контроль над температурными изменениями
После войны во многих странах начались разработки сканирующего устройства, идею которого предложил советский ученый Ф. Е. Темников, и в основе этого метода было развертывающее преобразование. Главное внимание было направлено на систему оптико-механического сканирования, поскольку в то время передающие телевизионные трубки не были достаточно чувствительными к инфракрасному излучению, и основным показателем было время передачи изображения. По этому принципу они классифицировались как низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные. Первые ысокоскоростные тепловизоры появились в 60 годах 20 века, и это момент с которого началось активное развитие данной отрасли.
Опыт предыдущих поколений и быстрое развитие науки и техники послужили стимулом для разработки твердотельных матриц, и было доказано, что с помощью кремния возможно преобразование оптических в электрические сигналы. При помощи сдвиговых регистров отдельные элементы матриц, располагающиеся по периферии, сканировались в двух перпендикулярных направлениях. В 70 годах появились аналоги регистров, которые именуются ПЗС, выполняющие роль хранителей сигналов, которые затем расшифровываются специальными устройствами и транслируются в виде изображений. В настоящее время наиболее широкое применение имеют сверхчувствительные неохлаждаемые болометры. В нашей стране производство по данной технологии было освоено в 2007 году.
Тепловизоры используются во многих областях промышленности, где требуется контроль над температурными изменениями. Создание малогабаритного, но высокоэффективного прибора делает доступным его применение при выполнении различных выездных заданий. Услугу тепловизионной съемки вы можете заказать у специалистов нашей компании.
В каком году изобрели тепловизор
Тепловизоры в период 1900 — 1950 г.г.
С начала XX в. усиливается интерес к применению инфракрасной техники для решения все более возрастающего числа практических проблем. Патентная литература 1900–1920 гг. содержит многочисленные предложения по созданию инфракрасных приборов обнаружения кораблей, самолетов и людей, а также систем связи и автоматического наведения на цель средств поражения.
Одна из самых ранних инфракрасных систем пассивного типа, использующая термостолбик и гальванометр, описана в статье Гофмана. Аппаратура позволяла обнаруживать человека на расстоянии около 200 м, а самолет — на расстоянии 1600 м. В целом попытки использования средств инфракрасной техники в аппаратуре военного назначения успеха не имели.
С 1930 г. начались систематические исследования воздействия теплового излучения на полупроводники. В Германии были разработаны приемники излучения из сульфида свинца и обнаружено увеличение их чувствительности при охлаждении. Были получены самые чувствительные приемники излучения с длинноволновой границей около 4 мкм, сыгравшие важную роль в разработке многочисленных инфракрасных систем, главным образом военного назначения. Выпуск приемников был доведен в Германии до 4000 в месяц.
Наиболее значительной разработкой в тридцатых годах следует считать электронно-оптический преобразователь (ЭОП), первые образцы которого были в 1934 г. На базе ЭОП в 1939–1942 гг. в США была создана аппаратура для вождения танков в ночных условиях, а также прицелы, широко применявшиеся на тихоокеанском театре военных действий.
Британский флот уже в 1941 г. применял на средиземноморском театре военных действий приборы ночного видения на основе электронно-оптических преобразователей изображения. С их помощью катера, возвращавшиеся после атаки, находили по сигнальным огням корабль-базу. ВВС начали использовать аналогичные приборы для опознавания своих самолетов начиная с 1942 г.
В немецкой армии ЭОП применялись в трех видах инфракрасной аппаратуры: приборах для вождения танков в ночных условиях, ночных стрелковых прицелах и системах опознавания самолетов. Аппаратура первого вида позволяла продвигаться в условиях затемнения с обычной дневной скоростью. Освещение создавалось 100…200-ваттными лампами-фарами, закрытыми инфракрасным фильтром. При этом дорога была ясно видна на 90 м, а большие препятствия — на 180 м. Стрелковый прицел имел эффективную дальность действия до 90 м и применялся на советско-германском фронте.
Разработанные в этот период приборы наблюдения с длиннофокусным (250 мм) объективом позволяли различать объекты с температурой 200° С и выше и обнаруживать выхлопы самолетов на расстояниях до 32 км. Приборы обнаружения с диаметром зеркального объектива 600 мм имели дальности действия по танкам 7 км и по кораблям 20 км.
В 1942 г. были разработаны сверхпроводящие болометры на основе тантала, охлаждаемого жидким гелием. В дальнейшем эти болометры были усовершенствованы благодаря использованию в качестве чувствительного элемента нитрида ниобия. Впервые болометры начали использовать в инфракрасной аппаратуре обнаружения кораблей и летательных аппаратов в середине 20-х годов. Но только в 1935 г. была создана пассивная система, позволявшая обнаруживать крупные суда на расстоянии до 20…25 км.
Из английских разработок с болометрами можно отметить обзорную систему с объективом, имевшим диаметр входного зрачка 110 мм. Система была опробована в воздухе в 1937 г. и обеспечивала дальность обнаружения самолетов около 600 м. Возможно, это был первый случай, когда самолет был обнаружен в полете с другого самолета с помощью инфракрасной аппаратуры.
Тепловизоры в период 1950 — 2000 г.г
Тактические недостатки военного использования, так называемых, «активных» (т.е. оснащенных поисковыми лучами) систем теплового изображения дали толчок во время Второй мировой войны развитию интенсивных засекреченных военных программ по исследованию инфракрасного излучения с целью разработки «пассивных» систем (без поисковых лучей) на базе чрезвычайно чувствительного фотонного детектора. В этот период режим секретности военных разработок полностью скрывал состояние технологии инфракрасных изображений. Завеса секретности начала приоткрываться, только начиная с середины 1950-х годов, и с того времени соответствующие устройства тепловидения, наконец, стали становиться доступными для гражданской науки и промышленности.
Часто считают, что прообразом тепловизоров является бортовой тепловизор с оптико-механическим сканированием фирмы Barnes (США). Тепловизор был разработан в 1954 г. и положил начало так называемым «впередсмотрящим» ИК системам (Forward Looking Infrared — FLIR), которые размещались на летательных аппаратах. В этих тепловизорах была предусмотрена только строчная развертка сцены, поскольку кадровая развертка получалась за счет перемещения летательного аппарата относительно поверхности Земли.
В начале 60-х годов известная шведская фирма AGEMA Infrared Systems (тогда AGA) разработала ИК тепловизор для военных применений. Его гражданская модификация — тепловизор Thermovision-650 больше напоминал телескоп из-за использования оптики большого диаметра. Следующая коммерческая модель Thermovision −665 весила 35 кг, требовала охлаждения приемника жидким азотом и также была далека от последующих портативных приборов (интересно отметить, что именно эта модель послужила прототипом известного отечественного прибора ТВ-03, который выпускался без особых изменений вплоть до начала перестройки).
Модель Thermovision-680 1968 г. со сменной оптикой стала первым коммерческим тепловизором, получившим широкое распространение. Введение аккумуляторного питания в следующую модель Thermovision-750 превратило ее в портативный тепловизор, который однако требовал размещать в поле зрения температурный эталон. В 1978 г. была разработана модель Thermovision-780, в которую были введены встроенный эталон температуры и использована запись термоизображений на видеопленку. В 1986 г. фирма отказалась от охлаждения ИК приемника жидким азотом и ввела в модель Thermovision-870 термоэлектрическое охлаждение наряду с процессором Хаски для расчета температуры и калибровки в реальном времени. В 1988 г. на рынке появились тепловизоры Thermavision-400 массой около 7 кг, которые в течение многих лет оставались непревзойденными приборами для полевой ИК съемки.
Наконец, в 1995 г. начат выпуск нового поколения тепловизоров серии Thermovision-500, в котором применены мозаичные детекторы, устанавливаемые в фокальной плоскости (Focal Plane Array — FPA). В ряде приборов этой серии термоэлектрический холодильник, обеспечивающий относительно невысокий уровень охлаждения, заменен компрессором Стирлинга, с помощью которого ИК приемник охлаждается до −200″С. Тепловизоры 500-й (позднее 600-й) серии с массой менее 2 кг фактически ознаменовали появление ИК телевидения в том виде, как в течение многих лет мечтали исследователи.
В середине 90-х годов произошло слияние трех крупнейших производителей ИК аппаратуры: фирм FLIR (США), Inframetrics (США) и AGEMA Infrared Systems (Швеция). В настоящее время фирма FLIR Systems, Inc. (FSI), США, является самым крупным мировым производителем коммерческих тепловизоров. Фирма выпускает тепловизионную аппаратуру широкой номенклатуры, предназначенную для: 1) научных исследований; 2) полевых съемок и инспекций промышленных установок; 3) наблюдения объектов, или ночного видения; 4) мониторинга объектов с борта летательного аппарата.
Следует отметить другие известные мировые фирмы—производители тепловизоров высокого качества: Raytheon (США), Santa Barbara Focal Plane (США), Indigo (США), Mikron (США), NEC (Япония), CEDIP (Франция), AEG Infrarot-Module (Германия). В 2002 г. на мировом рынке заявили о себе китайские производители тепловизоров, использующие западные мозаичные детекторы.
Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере
Тепловизоры: эволюция развития
В этом году каталогу CCTV исполняется 10 лет! От всей души поздравляю коллектив компании Тротек» с выпуском юбилейного каталога и желаю дальнейших профессиональных и творческих успехов! В этой статье речь пойдет о развитии рынка тепловизоров за последние 10 лет. За это время тепловизоры прошагали путь от баснословно дорогих экзотических приборов до массового продукта с адекватной, экономически обоснованной ценой и высокой надежностью
Дмитрий Карнеев
Начальник отдела систем безопасности ОАО «ПЕРГАМ-Инжиниринг»
Под развитием технологии неохлаждаемых тепловизоров подразумевается и развитие целой отрасли тепловизоров для систем видеонаблюдения. Рассматривая его в таком длительном временном промежутке, можно отчетливо увидеть классическую маркетинговую схему жизненного цикла товара (рис. 1).
Жизненный цикл состоит из этапа разработки и выведения на рынок, этапов роста, зрелости и упадка. На мой взгляд, сейчас мы находимся на этапе роста и уже вплотную приближаемся к этапу зрелости.
История развития рынка тепловизоров
Примерно в 1998 г. появились первые тепловизоры на «неохлаждаемой» технологии. Это был прорыв! Были уменьшены массо-габаритные характеристики тепловизоров, время старта, многократно повышена надежность и значительно снижена цена относительно тепловизоров на «охлаждаемой» технологии. Основные размеры детекторов в то время были 160×120 и 320×240 икс. Средняя стоимость прибора колебалась в районе 40 тыс. долл.
В начале 2000-х гг. начался так называемый этап роста тепловизионной отрасли. В настоящее время стоимость тепловизионной камеры упала практически на порядок. За 4000 долл. в розницу можно приобрести полностью готовый к инсталляции тепловизор с дальностью обнаружения человека порядка 300 м.
Каждый этап развития отрасли характеризуется определенным набором присущих ему свойств, а действия фирм на рынке обуславливаются его состоянием и их возможностями. На рис. 2 красными галочками показаны свойства отрасли, которые уже стали прошлым или реальностью.
Десять лет назад в России тепловизорами торговали порядка пяти компаний. Мало кто решался на оснащение периметра тепловизионной техникой, так как бюджеты на оснащение нескольких сотен метров периметра переваливали за добрую сотню тысяч долларов. В середине 2000-х гг. цены на тепловизоры упали почти вдвое. Появились модели тепловизоров, максимально приближенных к обычным видеокамерам по возможностям интеграции в системы видеонаблюдения. Крупные промышленные предприятия, атомные и гидроэлектростанции, аэропорты, морские порты начали активно рассматривать возможности оснащения своих периметров и территорий тепловизионной техникой. Рынок явно начал расти.
Области применения тепловизоров
Первые производители
Посмотрим на динамику маркетингово-производственной составляющей тепловизионного рынка. В начале 2000-х гг. в России занималось коммерческим охранным тепловидением несколько компаний, которые можно было пересчитать по пальцам. Это были компании-дистрибьюторы западных (американских) представителей, и в зачаточном состоянии было представлено несколько китайских брендов. Производство тепловизионных детекторов расположено в США и Франции и изначально было ориентировано на военные нужды. Создавались тепловизионные прицелы и тепловизионные бинокли. Эта была техника военного и двойного назначения. Поставки за пределы США были крайне затруднительны, так как такая техника подпадала под действия экспортного контроля.
Среди первых производителей тепловизоров для систем видеонаблюдения стали США и Израиль. Они выпускали приборы, внешне похожие на видеокамеры, но с тепловизионным детектором внутри. Это были только аналоговые модели с небольшим выбором объективов (2-3). Кстати говоря, на тепловизорах до сих пор не взаимозаменяемые объективы. Это значит, что объектив на тепловизор устанавливается на заводе и в таком собранном виде поставляется заказчику. На это есть ряд объективных технологических причин, которые до сих пор не решены. Поэтому нельзя выбирать отдельно тепловизор и отдельно объектив, собирать из них необходимую камеру и устанавливать ее в гермокожух. Обычные гермокожухи для тепловизоров не подходят, так как тепловизор не видит через стеклянное входное окно гермокожуха. Для решения этой проблемы либо объективы тепловизоров выводят непосредственно наружу гермокожуха, либо вместо стекла устанавливают германий. Таким образом, тепловизоры поставляют в виде готового к установке решения с определенным детектором, определенным объективом и определенным гермокожухом.
Типы тепловизоров
Конечно, в настоящее время не составляет большого труда выпускать гибридные модели, чтобы охватить все возможные рынки. Вопрос в цене: если она сопоставима с аналоговой моделью, то тогда стратегия выпуска гибридных моделей может быть очень эффективной. Этой стратегии придерживаются американские компании Pelco и FLIR. Однако Pelco, помимо цифрового интерфейса, еще имеет на борту тепловизора систему видеоаналитики. Компания Axis Communications выпускает только IP-тепловизоры, не отступая от своей философии выпускать только IP-системы. Samsung предлагает всего две аналоговые модели, отличающиеся друг от друга фокусным расстоянием объектива. Bosch выпускает стационарные гибридные тепловизоры и аналоговые комбинированные.
Почему тепловизоры так дорого стоят
Содержание
Содержание
Умение находить черную кошку в темной комнате в наше время уже не кажется сверхспособностью, особенно если знаешь, что ищут ее с помощью тепловизора. Единственное, что омрачает радость от проведения эксперимента — осознание того, что в руках находится прибор, стоимость которого включает несколько нолей. В материале разберемся, за что отвечают компоненты прибора, какой вклад они вносят в формирование цены.
Визуализация температурной картины
Изобретенный для нужд военных, тепловизор уже давно занял свою нишу в гражданских сферах применения. Обследование зданий и сооружений на предмет потерь тепла, контроль работы электрооборудования и линий электропередач, обнаружение скрытых коммуникаций, вспомогательный инструмент на охоте и т. д. — это далеко не полный перечень функциональных возможностей прибора.
С помощью тепловизоров научились спасать человеческие жизни: уже довольно давно их успешно применяют в работе пожарных. Приборы помогают спасателям более точно определять эпицентр возгорания, мониторить температуру поверхностей, обнаруживать пострадавших, оставшихся внутри помещения или под завалами. Для тепловизора не существует преград в виде сумерек, тумана или задымленности, поскольку прозрачность среды не является определяющим фактором для полноценной работы прибора.
Чтобы понять, как формируется картинка на экране тепловизора, нужно обратиться к теории. Из школьного курса физики известно, что все физические объекты и тела, температура которых выше абсолютного ноля (-273° К), испускают в окружающую среду тепловое излучение, находящееся в инфракрасном (ИК) диапазоне.
Приемник тепловизора способен распознать электромагнитные волны в среднем (от 3 до 5 мкм) и длинном (от 8 до 12 мкм) диапазонах инфракрасного излучения.
Теперь становится понятно, почему прибору абсолютно неважна оптическая прозрачность среды (в видимом глазу диапазоне). Если поблизости есть источник теплового излучения — тепловизор его безошибочно определит. Поэтому в условиях сильного задымления или ранним туманным утром на охоте тепловизор покажет реальную тепловую картину окружения.
Принцип работы
Поскольку на ИК-излучение распространяются те же законы оптики, что и для видимого спектра света, то устройство и принцип работы прибора мало чем отличаются от работы обычной фото- или видеокамеры. Единственное принципиальное отличие — другой материал линз и совершенно иная матрица для регистрации ИК-излучения, но об этом несколько позже.
Температурная картина, попавшая в объектив прибора, фокусируется на термочувствительной матрице посредством специальной линзы или группы линз. Каждый пиксель матрицы — по сути, отдельный термометр, измеряющий интенсивность ИК-излучения в каждой точке исследуемой сцены. Сигнал с матрицы обрабатывается процессором устройства и выводится на дисплей прибора. Там отображаются все сигналы, полученные термочувствительными ячейками матрицы.
Электронная схема прибора (процессор) отвечает за формирование изображения на экране прибора. Обновление результатов измерений для формирования актуальной температурной картины происходит с частотой 9 Гц для тепловизоров начального ценового сегмента и 15 Гц для приборов профессионального применения.
Дальность распознавания и фиксации теплового сигнала находится в диапазоне 100-300 м для тепловизоров бытового применения и порядка 2-3 км для профессиональной серии. Образцы специального и армейского назначения способны фиксировать тепловую картину на расстояниях до 20 км. Для увеличения дальности требуется оптика с изменяемой величиной фокусного расстояния, что в конечном итоге сказывается на стоимости прибора.
Для удобства восприятия суммарной картинки, различные уровни температур окрашиваются разными цветами: от холодных синих до ярко красных, а то и абсолютно белых областей с высоким уровнем теплового излучения.
Но встречаются девайсы и с монохромными дисплеями, картинка на экраны которых выводится в градации серого цвета.
Для сохранения результатов термометрии, тепловизионная камера, в большинстве случаев, оснащается флеш-памятью.
Значимые компоненты тепловизора
Оптическая система
Основная проблема получения термометрического изображения кроется в оптических свойствах обычного стекла. Оно не прозрачно для ИК-излучения! Боросиликатное стекло без труда пропускает видимую часть спектра, но отсекает волны ультрафиолетового и инфракрасного спектра. Выходом из ситуации будет использование материала, прозрачного для ИК-излучения, — германия. Он непрозрачен для волн видимого спектра, но без труда пропускает сквозь себя волны теплового излучения.
Германиевая линза имеет большую плотность в сравнении с боросиликатными линзами и достаточно высокий коэффициент преломления, поэтому на изготовление оптической системы тепловизора расходуется достаточно большое количество дорогостоящего материала. К тому же, следует упомянуть, что германий очень хрупкий и капризный в обработке материал, поэтому для изготовления линз из германия требуется ювелирная точность производства, а также длительная последующая шлифовка и полировка готового изделия.
Как правило, германиевая линза имеет зеленоватый или красноватый оттенок, а главное визуальное отличие — она непрозрачна для глаза человека.
Стоимость германия сопоставима со стоимостью золота, поэтому окончательная цена прибора уже не вызывает сильного удивления. Альтернативное решение — добавление в состав боросиликатного стекла халькогенидов, таких как сера, теллур и селен, наделяющих обычное стекло оптической проницаемостью в инфракрасном диапазоне. Такой подход, конечно, снижает качество линз, но позволяет существенно удешевить производство и сделать тепловизоры более доступными по цене.
Термочувствительная матрица
Второй краеугольный камень — сложность производства термочувствительной матрицы прибора. Физически матрица представляет собой набор термочувствительных ячеек, упорядоченных в строках и столбцах.
Размер матрицы в тепловизорах обозначается количеством пикселей по горизонтали и вертикали. Для бытового применения распространенные размеры — 160х120, 206х156 и 320х240, в профессиональной сфере в ходу приборы с разрешением матрицы — 640х480. Матрицы большего размера выпускаются по специальному заказу. Их изготавливают производители, коих в мире считанные единицы.
Правило: «Чем больше пикселей (разрешение матрицы) — тем качественней картинка», справедливо и для тепловизоров.
Из-за того, что в основе измерительной ячейки (пикселя матрицы) лежит тепловой приемник излучения, именуемый болометром, всю матрицу тепловизора принято называть болометрической.
Для производства полупроводниковых матриц, как правило, используется кремний в сочетании с окислами никеля, марганца или кобальта. Каждая ячейка болометрической матрицы состоит из двух пленочных термисторов (толщиной не более 10 мкм). Тот термистор, который подвергается воздействию излучения, называется активным, а тот, что находится в изолированной от внешнего излучения области, — компенсационным. Пара термисторов ячейки герметична. При попадании теплового излучения на активный термистор, он нагревается и его сопротивление увеличивается. По разности потенциалов на выводах термисторов одной ячейки рассчитывается уровень температуры, действующей на ячейку ИК-излучения. В зависимости от качества компонентов, шаг измерения температуры составляет 0,15-0,1 °С, а погрешность измерений находится в пределах ± 2 °С.
Помимо высокой стоимости материалов и технологий, используемых при производстве матриц тепловизоров, на окончательную цену очень сильно влияет колоссальный объем работ по калибровке ячеек матрицы. Дело в том, что для получения правдоподобной, не зашумленной картинки на экране тепловизора, каждый пиксель матрицы должен «давать» в систему верное, строго тарированное значение, сопоставимое со всеми другими ячейками.
Калибровка болометрической матрицы производится попиксельно.
Для этого у производителей матриц организованы технологические процессы калибровки готовых изделий, а в управляющих программах профессиональных тепловизоров заложены алгоритмы программной калибровки ячеек, призванные улучшить визуализацию термометрической сцены. В конечном итоге все эти работы также включаются в стоимость готового изделия.
Казалось бы, всего два компонента внутренней начинки тепловизора имеют принципиальные отличия, если сравнивать устройство с обычным фотоаппаратом или видеокамерой. Но их суммарная стоимость составляет порядка 80-90 % всей стоимости девайса, что и объясняет общую дороговизну прибора термометрического наблюдения.