Тепловизор

Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получила разновидность на основе видиконов с пироэлектрической мишенью. В этих устройствах электронный луч сканировал поверхность мишени. Ток луча зависел от внутреннего фотоэффекта материала мишени под действием инфракрасного излучения. Такие приборы назывались пирикон или пировидикон[1]. Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.[1]

На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической развёрткой. Такие тепловизоры называются сканирующими[1]. В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.

Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — болометров. Они представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280*720 точек[2]. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.

Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.

Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне[3], оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий[4][5][6], но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло, селенид цинка[7]. В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли[8], также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.

Первые тепловизоры гражданского назначения разрабатывались в СССР для медицинского применения в НПП «Исток» в 1970-х годах. С конца 1970-х началось серийное производство сканирующего тепловизора на охлаждаемом твердотельном датчике ТВ-03[11]. К моменту распада СССР выпускалась широкая гамма тепловизоров гражданского и промышленного назначения[1].

Тепловизоры военного назначения получили развитие с 1970-х годов первоначально в виде авиационных оптико-локационных станций (ОЛС)[12][13]. К концу 1980-х годов первые серийные тепловизионные прицелы «Агава-2» начали устанавливать и на танках[14].

Развал постсоветской промышленности 1990-х годов и разработка на западе эффективных неохлаждаемых болометрических матриц вызвал значительное отставание России в этой области. Тепловизионные датчики и системы для гражданских и военных целей закупались за границей. Тем не менее начали появляться сообщения о преодолении технологического отставания и развертывании производства национальных датчиков[15][16][17].

Поиск мест утечки тепла

Тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в доме.

Тепловизионный прицел для стрелкового оружия. Хорошо видна германиевая линза

Тепловизоры применяются вооружёнными силами в качестве приборов ночного видения для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Пожарный с тепловизором

Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации.

Кожа человека имеет высокий коэффициент излучения (~0,98), близкий к коэффициенту излучения абсолютно черного тела, что делает информативным наблюдение тепловизором за температурой кожи человека.[9] Низкий коэффициент отражения кожи в тепловом ИК диапазоне минимизирует влияние нагретых предметов окружающей среды. Тепловизор позволяет регистрировать как статическое распределение температуры так и динамику температурного распределения кожи. Поверхностное распределение температуры кожи обусловлено состоянием подкожных сосудов, мышц, внутренних органов, жировой прослойки. Физиология терморегуляции может зависеть как от окружающих условий так и от физической или эмоциональной нагрузок, а также действия фармакологических препаратов.

Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии[11]. В современной медицине тепловизор используется для выявления патологий, плохо поддающихся диагностике другими способами, в том числе для обнаружения злокачественных опухолей.

С целью предотвращения эпидемий с 2008 года тепловизоры начали использовать для выделения из толпы лиц с высокой температурой, которой сопровождаются острые респираторные заболевания.[18][19] Пандемия COVID-19, распространившаяся в мире в 2020 году, увеличила спрос на тепловизоры для бесконтактного измерения температуры тела в общественных местах и местах скопления людей. В этом же году Роскомнадзор указал на нюансы использования тепловизоров для измерения температуры работников и посетителей организаций[20]. Следует, однако, учитывать, что тепловизор измеряет температуру открытых кожных покровов и потому его показания могут зависеть не только от температуры тела но и от других факторов, в частности климатических условий.

В традиционной медицинской практике измерения температуры тела человека выполняются контактными термометрами в четырех областях: подмышечной впадине (в норме 36,6..36,8°С), под языком (в норме 36,7..36,8°С), в прямой кишке (в норме 37°С), в наружном слуховом проходе.[9] При необходимости дистанционного измерения температуры эти области являются недоступными, чаще всего доступна лишь область лица.

При контроле температуры сложных процессов, характеризующихся неравномерным нагревом, нестационарностью и неоднородностью коэффициента теплового излучения, тепловизоры эффективнее пирометров, поскольку анализ получаемой термограммы или температурного поля осуществляется мощной зрительной системой человека.

Для улучшения достоверности измерения температуры нагреваемых металлов необходимо правильно выбирать спектральный диапазон регистрации теплового излучения[21]. Коэффициент теплового излучения ε металлов, нагреваемых свыше 400 °C, сильно изменяется за счёт окисления их поверхности атмосферным кислородом[22]. Поэтому для регистрации их теплового излучения нужно выбирать участок спектра, в котором влияние неопределённости ε на получаемые показания температуры минимальное[21].

В тепловизионной технике используют разные участки спектра. При измерении невысоких температур регистрируют тепловое излучение в спектральном участке 8-14 мкм и иногда в области 3-5 мкм[23]. Для измерения температур, превышающих 700 °C, применяют высокотемпературные тепловизоры, использующие матрицы на основе Si[24] или InGaAs, которые чувствительны в ближней инфракрасной области спектра, где коэффициент теплового излучения металлов ε гораздо больше, чем в области 8-14 мкм[21][22]. При необходимости измерения истинной температуры используют тепловизоры, регистрирующие тепловое излучение в трёх участках спектра.

Поиск перегрева электроцепей

• Астрономические инфракрасные телескопы.
• Система ночного вождения для облегчения контроля дорожной обстановки водителем.
• Контроль электроцепей на предмет перегрева проводников и плохого контакта.
• Ветеринарный контроль.