Termokamera (nazývaná aj infračervená kamera alebo kamera na princípe termo zobrazenia) predstavuje zariadenie, ktoré vytvára obraz s použitím infračerveného žiarenia. Princíp fungovania je identický s bežnou kamerou, ktorá obraz formuje pomocou viditeľného spektra svetla. Namiesto bežného viditeľného svetla vlnovej dĺžky 400-700 nanometrov využívajú infra kamery vlnové dĺžky 14 000 nm (14 mikro metrov). Tento jav vo všeobecnosti nazývame termografia.
História – Od predchodcov termokamier až po moderné prístroje
Začiatky a predchodcovia termografie
Infračervené žiarenie bolo objavené v roku 1800 Sirom Williamom Herschelom ako druh žiarenia nachádzajúceho sa za červenou farbou spektra. Tieto „infračervené lúče" (predpona infra z latinčiny znamená „pod") boli pôvodne používané hlavne pre tepelné merania.
Existujú 4 platné fyzikálne zákony aplikovateľné na IR žiarenie: Kirchhoffov zákon tepelného vyžarovania, Stefan-Boltzmannov zákon, Planckov zákon a Wienov zákon popisujúci vzťah medzi najintenzívnejšou vyžarovanou dĺžkou, ktorá je emitovaná čiernym telesom a teplotou. Rozvoj detektorov IR žiarenia sa až do 1. svetovej vojny zameriaval hlavne na vývoj teplomerov a bolometrov.
V roku 1829 Leopoldo Nobili priemyselne vyrobil prvý termoelektrický článok, čím vydláždil cestu pre Macedania Melloniho, ktorý dokázal, že osoba stojaca vo vzdialenosti 10 metrov môže byť odhalená pomocou sady špeciálne usporiadaných termočlánkov schopných merať vyžarujúce teplo. Prvý bolometer bol objavený a skonštruovaný v roku 1878 Langleym. Disponoval schopnosťou identifikovať tepelné žiarenie kravy vo vzdialenosti 400 metrov a jeho citlivosť na zmenu teploty predstavovala jednu sto tisícinu stupňa Celzia.
Prvé pokročilé použitie aplikácie poznatkov ohľadom IR žiarenia v civilnom sektore možno datovať do roku 1913, keď bolo patentované zariadenie na princípe zrkadla a termopily (zariadenia pozostávajúceho z viacerých špecificky usporiadaných termočlánkov) využívané pre odhaľovanie ľadovcov a parníkov. Toto zariadenie bolo veľmi rýchlo prekonané skutočným IR detektorom ľadovcov v roku 1914, ktoré nefungovalo na princípe termopily.
Ďalším súvisiacim vynálezom bol koncept G.A. Barkera, ktorý v roku 1934 navrhol využiť IR žiarenie pri detekcii lesných požiarov. Táto technológia nebola plnohodnotne priemyselne využitá až do roku 1935, keď bola použitá pri analýze tepelnej jednotvárnosti horúcich oceľových pásov.
Prvá termokamera
V roku 1929 maďarský fyzik Kálmán Tihányi vynašiel elektronickú televíznu kameru na princípe infračerveného žiarenia (nočného videnia) použitú pri protilietadlovej obrane Veľkej Británie. Rozmach termovízie a termokamier nastal po objavení infračerveného snímača na báze snímacej meracej sondy spoločnosťou Texas Instruments v roku 1974. Zobrazenie jedného obrázku trvalo približne hodinu. Boli mnohé pokusy vylepšiť rýchlosť a presnosť tejto zobrazovacej technológie, no najväčšou prekážkou pri infra snímaní obrazu, ktorú prekonala firma AGA svojím komerčným riešením, bol chladený fotokonduktor.
Prvým snímacím systémom na báze IR bol britský systém Yellow Duckling z 50-tych rokov. Zariadenie používalo kontinuálne rotujúce zrkadlo a detektor s Y-osou snímajúcou obraz v prípade registrácie pohybu lietadlovej lode. Hoci sa toto riešenie neosvedčilo pre plánovaný účel sledovania ponoriek kvôli jeho slabšej detekcii, bolo použité pre pozemné rádiolokátory a stalo sa základom vojenských aplikácií termovízie.
Základy uvedeného riešenia boli zdokonalené spoločnosťou Royal Signals and Radar Establishment z Veľkej Británie po objavení teluridu kadmia a ortuti, ktorý bol úspešne použitý ako konduktor s oveľa nižšou potrebou chladenia. Do portfólia detektorov v tomto období prispel aj výrobca Honeywell, ktorý vynašiel viacero exemplárov detektorov pracujúcich pri nižších teplotách s mechanickým snímaním. Táto technológia mala viacero nevýhod, ktoré bolo možné eliminovať jedine elektronickým snímacím systémom.
V roku 1969 objaviteľ Michael Francis Tompsett z anglickej spoločnosti Electric Valve Company patentoval vo Veľkej Británii kameru s pyro-elektronickým snímaním, ktoré dosahovalo pomerne vysoký výkon po predchádzajúcich zlyhaniach v 70-tych rokoch. Tompsett taktiež prišiel s nápadom permanentného stabilného poľa s termálnym zobrazením, ktoré v podstate viedlo k objavu súčasnej technológie založenej na zobrazení pomocou rezov hybridných jednokryštálov.
Inteligentné senzory
Jeden z najdôležitejších limitujúcich faktorov bezpečnostných systémov na báze IR bola schopnosť inteligentného vyhodnotenia signálu spolu so schopnosťou varovania v prípade zachytenia potenciálnej hrozby. S podporou bezpečnostných štruktúr Spojených Štátov došlo k rozmachu vývoja „inteligentných senzorov". Ide o senzory, ktoré sú v sebe schopné spojiť snímanie, získanie signálu, spracovanie a vyhodnotenie. Existujú 2 základné typy inteligentných senzorov - prvý typ označovaný ako „zobrazovací čip", ktorý v prípade použitia v zobrazovacích jednotkách pracuje na princípe nárastov v integrovaných mikroobvodoch.
Princíp druhej technológie je založený na báze špecifického použitia a dosiahnuté predzobrazenie je zabezpečené použitím špecifického dizajnu a štruktúry. Koncom 90-tych rokov došlo k rozmachu IR technológie smerom k jej civilnému využitiu. Došlo k dramatickému zníženiu nákladov nechladených zobrazovacích polí, ktoré spolu s rozmachom vo vývoji prispelo k rozdeleniu trhu na základe účelu použitia na civilný a vojenský sektor.
Civilné použitie zahŕňa napr. analýzy v súvislosti so skúmaním životného prostredia, analýzy budov a umeleckých diel, funkčnú diagnostiku v medicíne, IR aplikácie v automobilovom priemysle, systémy predchádzania haváriám a pod.
Princíp fungovania
Obrázok termovízie zobrazujúci rôzne úrovne teploty v teplovzdušnom balóne
Infračervená energia je jednou z častí elektromagnetického spektra, ktoré zahŕňa gama žiarenie, röntgenové žiarenie, ultrafialové žiarenie, tenkú oblasť viditeľného spektra svetla, blízke stredné a ďaleké infračervené žiarenie, mikrovlnné žiarenie a rádiové vlny. Ich spoločnou vlastnosťou je vlnenie a líšia sa dĺžkou vĺn (vlnovou dĺžkou). Všetky objekty vyžarujú určité množstvo žiarenia na princípe žiarenia dokonale čierneho telesa vzhľadom na ich povrchovú teplotu.
Vo všeobecnosti môžeme konštatovať, že čím vyššia je teplota objektu, tým viac IR žiarenia prostredníctvom žiarenia čierneho telesa je týmto objektom generované a emitované. Špeciálna kamera skonštruovaná na tento špecifický účel dokáže túto radiáciu odhaliť a zaznamenať na podobnom princípe ako bežná kamera detekuje viditeľné svetlo. Tento princíp funguje aj v úplnej tme, keďže úroveň vonkajšieho viditeľného osvetlenia nie je v tomto prípade smerodajná. V tejto súvislosti možno spomenúť použitie pri záchranných operáciách v zadymených priestoroch, v podzemí, v metre a pod.
Praktické použitie termokamier
Termovízne zobrazenie lemura
Obrázky z IR termovíznych kamier majú tendenciu zobrazenia v jednej farebnej škále, keďže IR kamery vo všeobecnosti používajú obrazový senzor, ktorý nie je schopný rozlíšiť rozdielne vlnové dĺžky infračerveného žiarenia. Farebné obrazové senzory by v tomto prípade vyžadovali špecifickú konštrukciu na každú rozdielnu vlnovú dĺžku. Farba má v tomto prípade iný zmysel ako v normálnom viditeľnom farebnom spektre, pretože rozdielne vlnové dĺžky IR žiarenia nie sú plne kompatibilné s farebným rozlíšením a farebnou škálou bežne používanou v ľudskej spoločnosti pre viditeľné spektrá.
Niekedy sú monochromatické termovízne obrázky zobrazené vo fiktívnej pseudo farbe, ktorá reflektuje zmeny farby ako zmeny intenzity pre znázornenie signálu a intenzity vyžarovania. Je to veľmi prospešné z hľadiska ľudských schopností vidieť lepšie zmenu intenzity ako jemnú zmenu farby - schopnosť vidieť jemné zmeny intenzity v jasne zobrazených oblastiach je však značne obmedzená. Táto technológia sa nazýva „density slicing" t.j. znázornenie rozdielneho farebného odtieňa prostredníctvom intenzity použitej šedi.
Z hľadiska teplotného zobrazenia - najhorúcejšie časti objektu sú často zobrazené ako najjasnejšie biele, stredný interval teploty je zobrazený v červenej a žltej farbe a najchladnejšie časti sú čierne. Mierka farebnej škály s priradením farieb teplotám by mala byť zobrazená vedľa každého obrázka s použitím invertovaných nepravých farieb.
Rozlíšenie IR kamier je podstatne nižšie ako u optických kamier - najčastejšie 160x120 alebo 320x240 pixelov, hoci drahšie kamery sú schopné dosahovať rozlíšenie 1280x1024 pixelov. Termokamery sú oveľa drahšie ako ich ekvivalenty z viditeľného spektra, ale napr. jednoduchšie termokamery použiteľné ako doplnky pre smartfóny sa stali v roku 2014 dostupnými za niekoľko stoviek USD. Modely vyšších rád sú konštruované ako zariadenia na duálne použitie a ich export z USA do iných krajín je regulovaný. Ide o termokamery s rozlíšením 640x480 alebo vyšším a obnovovacou frekvenciou 9Hz alebo menej. Export termokamier z USA je regulovaný prostredníctvom International Traffic in Arms Regulations, v skratke ITAR.
V prípade použitia nechladených detektorov sú tepelné rozdiely na pixeloch senzora ekvivalentné minúte. Rozdiel 1°C na objekte spôsobí rozdiel len zhruba 0.03°C na strane senzora. Zobrazovacia odpoveď prostredníctvom pixelov IR zobrazenia je tiež značne pomalá - v rozsahu desiatok milisekúnd.
Termografia našla široké uplatnenie v najrôznejších oblastiach ľudskej činnosti. Používajú ju hasiči pri lokalizácii osôb v zadymených priestoroch ako aj na lokalizáciu primárneho ohniska požiaru. Pomocou termovízie dokážu servisní technici odhaliť prehriatia spojov, signalizujúce potenciálne poruchy, a tým zabrániť potenciálnemu vzniku škôd. V prípade poškodenej tepelnej izolácie dokážeme prostredníctvom termovízie odhaliť úniky tepla a následne zlepšiť celkovú tepelnú efektivitu budov či už z hľadiska vykurovania, alebo klimatizácie.
Horúce kopytá zistené cez IR kameru prezrádzajú ochorenie dobytka
Termokamery bývajú taktiež použité v automobiloch luxusnej rady ako pomoc pre vodiča. Prvým známym modelom bol v roku 2000 Cadillac DeVille.
Termokamery možno úspešne použiť pre monitorovanie fyziologických aktivít ako napr. zvýšenej teploty, horúčky a pod. - u ľudí aj u všetkých teplokrvných zvierat prostredníctvom termografických zobrazení. IR kamery so zabudovaným chladením najčastejšie nájdeme ako súčasť významnejších astronomických pozorovacích teleskopov, aj keď nemusí ísť priamo o infra teleskopy.
Typy termovíznych kamier
Termovízna snímka hada obtočeného okolo končatiny spolu s tepelnou osnovou
Termovízne kamery možno jednoducho rozdeliť na 2 veľké skupiny - termokamery s chladeným IR obrazovým detektorom a termokamery s nechladenými detektormi.
Chladené IR detektory
Termovízna snímka jašteričiek
Termálne snímanie s obrazovkou na letiskovom termináli v Grécku. Termovízia pomáha v tomto prípade odhaliť horúčku, jeden z príznakov možnej infekcie.
Chladené IR detektory bývajú najčastejšie uložené vo vákuovo utesnenom púzdre typu Dewar (dvojstenové púzdro na báze termosky s vákuovou výplňou) s kryogenickým chladením. Chladenie je nevyhnutné pre korektné fungovanie použitých polovodičových súčiastok. Najčastejšie prevádzkové teploty sa pohybujú v rozmedzí od 4 Kelvinov (-269,15 °C ) až po teploty pod hranicou izbovej teploty v závislosti od použitej technológie.
Väčšina moderných chladených detektorov pracuje pri prevádzkových teplotách od 60 Kelvinov (-213,15 °C) do 100 Kelvinov (-173,15 °C) v závislosti od typu, úrovne vybavenosti a účelu použitia.
Bez chladenia by tieto senzory (ktoré v podstate detekujú a transformujú svetlo podobne ako bežné digitálne kamery, ale sú konštruované z iných materiálov) boli zaslepené a ovplyvnené ich vlastným vyžarovaním. Nedostatok chladených IR kamier je spôsobený hlavne tým, že sú finančne náročné, čo sa týka výroby, ako aj samotnej prevádzky. Chladenie je značne energeticky aj časovo náročné.
Termokamery s chladenými senzormi potrebujú vždy niekoľko minút na schladenie pred spustením snímania. Najbežnejším používaným chladením býva rotačný chladiaci systém Stirling na báze kryogenických chladičov. Hoci chladiace zariadenie býva pomerne objemné a drahé, IR kamery s chladenými senzormi sú schopné poskytovať neporovnateľne lepšiu kvalitu obrazu ako nechladené kamery.
Vysoká citlivosť IR kamier s chladenými detektormi navyše umožňuje použitie šošoviek s vyšším clonovým číslom (F-number, vyjadrujúce pomer ohniskovej vzdialenosti optickej sústavy k priemeru vstupnej šošovky) - čo v podstate znamená dosahovanie kvalitného zobrazenia pomocou menších a lacnejších šošoviek pri chladených IR detektoroch.
Možnou alternatívou Stirling chladičov je použite vysoko tlakových nádob s plynom, najčastejšie s dusíkom. Stlačený plyn je vytláčaný cez dýzu s mikro prierezom a prechádza cez miniatúrny výmenník tepla, pričom výsledkom tohoto procesu je regeneratívne chladenie prostredníctvom Joule-Thomsonovho efektu. Pre toto technické riešenie je najväčším obmedzujúcim faktorom logistické zabezpečenie dodávky stlačeného plynu v prípade bežného použitia vo vonkajšom prostredí.
Materiály používané pre chladené IR detektory vrátane detektorov svetelného žiarenia sú založené na polovodičoch so špecifickou mriežkovou štruktúrou a tenkou vrstvou ako napr.:
• Antimonid india (3-5 μm)
• Arzenid india
• Telurid kadmia a ortuti (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm)
• Galenit
• Selenid olova
Na svete aktuálne existuje veľký počet technológií pre chladené bolometre založených na kombinácii supravodivých a ne-supravodivých materiálov.
V princípe možno supravodiče použiť ako IR senzory pre ich špecifické fyzikálne vlastnosti a molekulárnu štruktúru. Ich širšie využitie je však limitované nevyhnutnosťou dokonalého tienenia pred možným zdrojmi radiácie v pozadí. Detektory s použitím supravodičov vykazujú extrémne vysokú citlivosť, niektoré sú dokonca schopné identifikovať a registrovať samostatné fotóny. Jedným z príkladov je napr. kamera s použitím supravodičov (SCAM) od ESA. Zariadenia na tomto princípe však nie sú bežne používané a ich rozšírenie je obmedzené na oblasť vedeckého výskumu.
Nechladené IR detektory
Nechladené termo kamery využívajú senzory, ktoré sú schopné pracovať pri bežnej teplote okolia, alebo senzory stabilizované pri bežných teplotách použitím špecifických malých tepelných regulátorov. Moderné nechladené detektory pracujú na princípe zmeny elektrického odporu, napätia alebo prúdu v prípade zahriatia pôsobením IR žiarenia. Tieto zmeny sú identifikované, odmerané a porovnané s hodnotami prevádzkových teplôt inštalovaného senzora.
Nechladené IR senzory môžu byť stabilizované na bežné prevádzkové teploty bez rušivých vplyvov, pričom nie sú chladené na nízke teploty a nie je nutné použiť mohutné a drahé kryogenické chladiče. Výsledkom sú IR kamery, ktoré sú menšie a lacnejšie. Avšak ich rozlíšenie a kvalita obrazu je určite nižšia ako pri IR kamerách s použitím chladených detektorov. Je to spôsobené iným výrobným procesom a obmedzenou dostupnosťou súčasnej technológie
Nechladené detektory sú najčastejšie založené na princípe pyroelektrických materiálov (materiály meniace svoje elektrické vlastnosti pri zahriatí), feroelektrických materiálov (materiály vykazujúce stálu elektro polarizáciu, ktorá sa mení v závislosti od veľkosti aplikovaného elektrického poľa) alebo na princípe mikrobolometra (tepelný senzor na detekciu elektromagnetickej radiácie). Materiály sú použité na vytvorenie tepelne závislých pixelov, ktoré sú tepelne izolované z okolitého prostredia a následne elektronicky prečítané.
Termovízny obrázok parnej lokomotívy
Feroelektrické detektory pracujú pri teplotách blízkych teplotám fázových zmien materiálu použitého v senzore, teplota pixelov je následne dekódovaná ako tepelne závislá polarizácia. Dosahovaná ekvivalentná teplota feroelektrických detektorov pri rozlíšení 320x240 je cca. 70-80 mK. Konštrukcia tohoto typu senzora najčastejšie pozostáva z tepelne izolovaného titanátu bária a stroncia kombinovaného s polyamidom.
Kremíkové mikrobolometre dosahujú ekvivalentnú teplotu okolo 20 mK. Pozostávajú z vrstvy amorfného kremíka alebo tenkého filmu oxidu vanádu osadeného na mostíku nitridu kremíka umiestneného nad elektronikou na báze kremíka.
Elektrický odpor senzitívnych prvkov je pritom odmeriavaný len raz pri každej snímke. Súčasné trendy v záujme zlepšenia nechladenej termovízie sú orientované hlavne na vyššiu citlivosť a kvalitu zobrazenia prostredníctvom hustoty pixelov. V roku 2013 výskumná agentúra národnej bezpečnosti USA predstavila 5 mikrónovú nechladenú termokameru s rozlíšením 1280 x 720.
Niektoré z materiálov použitých pre nechladené IR senzory:
• amorfný kremík (a-Si)
• oxidy vanádu (Vox)
• manganit lantánu a bária(LBMO)
• olovno-zinočnatý tinatičitan (PZT)
• titaničtan lantánu,bária a zinku(PLZT)
• tantalit olova a scandia (PST)
• titaničitan olova a lantánu(PLT)
• titaničitan olova a titánu (PT)
• zinočnatý niobat olova (PZN)
• titaničitan olova a stroncia(PSrT)
• titaničitan stroncia a bária (BST)
• titaničitan bária(BT)
• sulfojodid antimónu (SbSI)
• polyvinyl difluoride (PVDF)
Použitie termokamier
Termokamera na vrtuľníku Eurocopter EC 135 používaného Nemeckou spolkovou políciou
Pôvodné použitie termokamier bolo len pre armádne účely počas Kórejskej vojny. Postupne však termokamery našli uplatnenie v mnohých ďalších oblastiach ľudskej činnosti od medicíny až po archeológiu. Zníženie ceny technológie tiež napomohlo k ich celkovému rozmachu a rozšíreniu. Vylepšené vlastnosti a zdokonalené softvérové rozhranie pomáhajú v súčasnosti zvýšiť všestrannosť využitia IR kamier.
Najčastejšie aplikácie:
• Nočné videnie
• Kontrola a inšpekcia budov a objektov
• Diagnostika chýb a riešenie problémov
• Realizácia energetických auditov izolácií budov + detekcia únikov
• Kontrola striech
• Aplikácie IR pre domáce využitie
• Odhaľovanie hmyzu v stenách a strechách, odhaľovanie plesní pri sanáciách
• Štruktúrna analýza murovaných stien
• Pomoc pri odhaľovaní porušení zákona a protiteroristické účely
• Karanténne monitorovanie turistov v špecifických krajinách
• Odhalenie a zaistenie cieľov pri zásahoch polície a armády, vyhľadávanie a sledovanie stratených osôb pomocou IR
• Monitorovanie aktuálneho stavu a zabezpečenie dohľadu
• Technický dozor
• Zbraňové systémy
• Pátracie a záchranné operácie
• Zásahy hasičov
• Medicinálna termografia - medicinálne testovanie a diagnostika
• Veterinárna termografia
• Procesy sledovania programov
• Kontrola kvality vo výrobných firmách
• Prediktívna údržba - (systém skorého varovania) pre mechanické a elektrické komponenty
Termovízia a poľovníctvo - dohľadávanie zveri
IR zobrazenie stredu galaxie pomocou Hubblovho teleskopu
• Astronómia-vesmírne teleskopy (Spitzerov vesmírny teleskop)
• Nočné videnie používané v automobiloch
• Kontrola akustickej izolácie pre redukciu hluku
• Chemické analýzy
• Nedeštruktívne testovanie
• Výskum a vývoj nových produktov
• Detekcia znečistenia odpadových vôd
• Lokalizácia neoznačených hrobov
• Lokalizácia poškodení od škodcov
• Letecká archeológia
• Skúmanie paranormálnych javov
• Detekcia ohňa
• Meteorológia (termálne snímky zo satelitov sú použité na zhodnotenie teploty/oblačnosti, výšku a koncentráciu vodnej pary v závislosti od vlnovej dĺžky a pod.)
• Systém rozhodovania pri krikete - pre odhalenie slabého kontaktu lopty s pálkou - na pálke ostáva odhaliteľná tepelná stopa po príp. kontakte
Zdroj foto: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_camera