Terminio vaizdo kamerų modulių jautrumo palyginimas

 Terminio vaizdo kamerų modulių jautrumo palyginimas

 Comparing Sensitivity of Thermal Imaging Cameras Modules

 Terminių kamerų integratoriai turi įvertinti ne tik į skiriamąją gebą, bet ir į termiį jautrumą

 Beyond resolution, thermal camera integrators must consider thermal sensitivity

 Terminio vaizdo kamerų modulių jautrumo palyginimas

 Comparing Sensitivity of Thermal Imaging Cameras Modules

 Terminių kamerų integratoriai turi įvertinti ne tik į skiriamąją gebą, bet ir į termiį jautrumą

 Beyond resolution, thermal camera integrators must consider thermal sensitivity

 Termovizoriai daro vaizdus iš šilumos arba kitaip tariant iš infraraudonųjų spindulių (IR) arba šiluminės energijos. Jie fiksuoja IR energiją ir naudoja tą energiją vaizdams kurti per skaitmeninius ar analoginius video išėjimus, kuriuose detalės apibrėžiamos pagal temperatūrų skirtumus. Lyginant su įprastai matoma šviesa, šiluma yra atskira elektromagnetinio spektro dalis. Kamera, kuri gali odyti matomą šviesą, nematys šiluminės energijos ir atvirkščiai.

 Thermal imagers make pictures from heat, also called infrared (IR) or thermal energy. They capture IR energy and use that energy to create images through digital or analog video outputs, with the details defined by differences in temperature. Heat is a separate part of the electromagnetic spectrum versus typical visible light. A camera that can detect visible light won’t see thermal energy, and vice versa.

Infraraudonųjų spindulių kamerų sensoriai yra pagaminti iš atskirų jutiklių elementų. Kadangi IR spektro energijos bangos ilgis yra ilgesnis nei matomos šviesos, kiekvienas IR seoriaus elementas turi būti atitinkamai didesnis nei matomos šviesos sensorių elementai, kad sugertų didesnį bangos ilgį. Dėl to terminė kamera paprastai turi mažesnę skiriamąją gebą (mažiau pikselių) nei tokio pat mechaninio dydžio matomos šviesos jutiklis. 

 Infrared cameras detectors are made of an array of individual detector elements. Because the wavelengths of energy in the IR spectrum are longer than those of visible light, each IR detector element has to be correspondingly larger than elements on visible light detectors in order to absorb the larger wavelength. As a result, a thermal camera usually has lower resolution (fewer pixels) than a visible light sensor of the same mechanical size.

 1 pav. Elektromagnetinis spektras apima infraraudonųjų spindulių bangų diapazoną nuo 0,75 µm artimosios iki beveik 1 mm (1 000 µm) tolimosios srities.

Figure 1:  The electromagnetic spectrum includes the infrared waveband ranges from 0.75 µm in the near-infrared to nearly 1 mm (1,000 µm) in the far infrared 

 Terminės kameros, specialiai kurtos stebėjimui ir karinėms operacijoms, dabar plačiai naudojamos pramonėje tokiose srityse kaip pastatai (pvz., drėgmė, apšiltinimas, stogas ir kt.), gaisrų gesinimas, autonominės transporto priemonės, automatinio avarinio stabdymo (AEB) sistemos, industrinės apžiūros, moksliniai tyrimai ir daugelis kitų sričių. Šios kameros gaminamos įvairių formų – nuo rankinių kamerų iki nepilotuojamų dronų ir iki mokslinių instrumentų, siunčiamų į kosmosą.

 Originally developed for surveillance and military operations, thermal cameras are now widely used for industrial applications such as building inspections (e.g., moisture, insulation, roof, etc.), firefighting, autonomous vehicles, automatic emergency braking (AEB) systems, industrial inspections, scientific research, and much more. These cameras come in a variety of form factors, from handheld cameras to unmanned drones, to scientific instruments sent into outer space.

 Inžinieriai, kuriantys gaminius ar sistemas su integruotomis terminėmis kameromis, turi aiškiai suprasti šiuos pagrindinius parametrus: vaizdo dinaminį diapazoną, matymo lauką, skiriamąją gebą, jautrumą ir spektrinį diapazoną. Skirtingos kameros gali pasižymėti skirtingais privalumais, todėl inžinieriai turi įvertinti skirtingų tipų terminių kamerų modulių parametrų skirtumus ir jų poveikį galutinio produkto kokybei.

 Engineers developing products or systems incorporating thermal cameras need to have a clear understanding of the key design specifications including scene dynamic range, field of view, resolution, sensitivity, and spectral range, to name a few. Different cameras can excel at different things, so engineers need to understand the tradeoffs between different types of thermal camera modules and the impact those differences will have on the final product performance.

 Jautrumas: pagrindinis parametras, turintis įtakos terminio vaizdo aiškumui ir naudingumui

Sensitivity: A key variable that affects thermal imaging clarity and utility 

2 pav. Terminis jautrumas yra pagrindinis parametras mažo kontrasto vaizdams, įskaitant miglotą orą.

Figure 2: Thermal sensitivity is a key performance metric for low-contrast scenes including foggy weather

Vienas svarbiausių parametrų, kurio dažnai nepaisoma vertinant skiriamąją gebą – tai šiluminis jautrumas, parametras, apibrėžiantis mažiausią temperatūrų skirtumą, kurį terminė kamera gali aptikti. Terminės kameros jautrumas turės tiesioginės įtakos vaizdo aiškumui ir ryškumui, kurį kamera gali sukurti. Terminiai prietaisai matuoja jautrumą milikelvinais (mK). Kuo mažesnis skaičius, tuo jautresnis sensorius. Žemiau pateikta lentelė gali būti naudojama paprastai įvertinti šiluminį sensoriaus jautrumą.

One important specification that is often overlooked at the expense of resolution, is the thermal sensitivity, the specification that defines the smallest temperature difference a camera can detect. A thermal camera’s sensitivity will have a direct impact on the image clarity and sharpness that camera can produce. Thermal devices measure sensitivity in milliKelvins (mK). The lower the number, the more sensitive the detector. The table below can be used to generally rate the sensitivity of a thermal detector.

1 lentelė. Šiluminio sensoriaus jautrumo diapazonas ir aprašymas

 Table 1. Thermal sensor sensitivity range and description

 Didesnis jautrumas terminius prietaisus daro efektyvesnius žiūrint į mažesnius temperatūrų skirtumus, o tai ypač svarbu mažo terminio kontrasto vaizdams ir dirbant sudėtingomis aplinkos sąlygomis, pvz., rūke, dūmuose ir dulkėse. Pasirinkus mėgėjiško lygmens, kitaip tariant pigesnę terminę kamerą, turinčią šiluminį jautrumą nuo „priimtino“ iki „patenkinamo“, esant mažo kontrasto peizažui, gaunama prasta vaizdo kokybė, mažesnis matymo diapazonas ir ribotas situacijos įvertinimas lyginant su didesnio jautrumo kameromis. Prietaisai su geresniu šiluminiu jautrumu idealiai tinka plačiam panaudojimui, nuo paieškos ir gelbėjimo iki industrinės apžiūros ir saugumo.

Increased sensitivity makes thermal imagers more effective at seeing smaller temperature differences, which is especially important in scenes with low thermal contrast and when operating in challenging environmental conditions like fog, smoke, and dust. Selecting a more entry-level, essentially lower cost thermal camera, that features “acceptable” to “satisfactory” thermal sensitivity results in an end product that offers low contrast scenes resulting in poorer image quality, reduced detection range, and limited situational awareness compared to cameras with greater sensitivity. Devices with better thermal sensitivity are ideal for a wide variety of uses from search and rescue to industrial inspection to security.

 Aušinamas ar neaušinamas

Cooled or Uncooled? 

 IR vaizdo kameros su aušinamu sensoriumi turi aiškių pranašumų, palyginti su terminio vaizdo kameromis su neaušinamu sensoriumi. Aušinama šiluminio vaizdo kamera turi vaizdo sensorių, kuris yra integruotas su kriogeniniu aušintuvu, kuris sumažina sensoriaus temperatūrą iki kriogeninės temperatūros. Šis sensoriaus temperatūros sumažinimas yra būtinas, kad šiluminis triukšmas būtų mažesnis už vaizdo signalo lygį, ir dėl to gali žymiai pagerėti šiluminis jautrumas.

IR imaging cameras with a cooled detector provide distinct advantages versus thermal imaging cameras with an uncooled detector. A cooled thermal imaging camera has an imaging sensor that is integrated with a cryocooler, which lowers the sensor temperature to cryogenic temperatures. This reduction in sensor temperature is necessary to reduce thermally-induced noise to a level below that of the signal from the scene being imaged and can result in significantly improved thermal sensitivity. 

 Tačiau šie našumo patobulinimai kainuoja. Aušinamos IR kameros paprastai yra didesnės, sunkesnės ir reikalauja daugiau energijos. Priedo, prie aukojamo SWaP (dydis, svoris ir galia), aušinamos kameros yra ženkliai brangesnės ir turi mechaninį nusidėvėjimą, todėl sutrumpėja vidutinis kameros gedimo laikas (MTTF), nes kriogeniniuose aušintuvuose yra judančių dalių, kurių mechaniniai leistini nuokrypiai yra labai maži. ir laikui bėgant kinta. Taip pat su laiku, per sandariklius gali nutekėti helio dujos.

 However, these improvements in performance come at a cost. Cooled IR cameras are generally larger, heavier, and more power hungry. In addition to sacrificing SWaP (size, weight and power), cooled cameras are significantly more expensive and subject to mechanical wear and tear that reduce the mean time to failure (MTTF) of the camera, as cryocoolers have moving parts with extremely tight mechanical tolerances that degrade over time, as well as helium gas that can slowly leak through seals.

Neaušinami termo sensoriai, naujausių papatobulinimų  dėka, pasiekė jautrumą geresnį nei 20 mK – drastiškai pagerėjo jautrumas, palyginti su senosiomis sistemomis, todėl neaušinamos LWIR kameros gali tapti perspektyviu pasirinkimu įvairioms naujoms panaudojimo sritims. Nors tai ir viliojanti, svarbu pažymėti, kad neaušinamos IR terminės kameros negali paprastai pakeisti aušinamų terminių kamerų. Produktų kūrėjai ir sistemų integratoriai turi įvertinti papildomus reikalavimus, susijusius su atvaizdavimo sparta, erdvine raiška, spektriniu filtravimu ir kt. 

 Recent improvements in uncooled thermal sensors have brought sensitivity to better than 20 mK – a drastic improvement in sensitivity versus legacy systems, potentially making uncooled LWIR cameras a viable option for a wide variety of new applications. Although tempting, it is important to note that uncooled IR thermal cameras cannot simply replace cooled thermal cameras. Product developers and system integrators need to consider additional requirements regarding imaging speed, spatial resolution, spectral filtering, and more.

Norėdami gauti daugiau informacijos apie šiluminį jautrumą arba pasikalbėti su ekspertu, apsilankykite www.flir.com/bosonplus. 

 For more information on thermal sensitivity, or to speak with an expert, please see www.flir.com/bosonplus.