Οι κάμερες υπερύθρων υψηλής ταχύτητας επιτρέπουν απαιτητικές εφαρμογές θερμικής απεικόνισης

Τελευταίες βελτιώσεις στην καινοτομία αναγνώρισης υπέρυθρων τελλουριούχου καδμίου ψυχρού υδραργύρου (MCT ή HgCdTe) κατέστησαν κατανοητή την πρόοδο υπερύθρων καμερών ανώτερης απόδοσης για χρήση σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών θερμής απεικόνισης που ζητούν. Αυτές οι κάμερες υπερύθρων είναι επί του παρόντος προσβάσιμες με επίγνωση φαντασμάτων στις απόκοσμες ομάδες βραχέων, μεσαίων και μακρών κυμάτων ή από την άλλη σε δύο ομάδες. Επιπλέον, μια ποικιλία στόχων κάμερας είναι προσβάσιμη λόγω μεσαίου μεγέθους και τεράστιου μεγέθους εκθεμάτων εντοπισμού και διαφορετικών μεγεθών pixel. Επιπλέον, η κάμερα περιλαμβάνει τώρα ενσωματωμένη απεικόνιση υψηλής ταχύτητας, κινητό χρόνο ανοίγματος και εκκίνηση περιστάσεων, ενδυναμώνοντας τη σύλληψη φευγαλέων ζεστών περιστάσεων. Οι σύγχρονοι υπολογισμοί χειρισμού είναι προσβάσιμοι σε αυτό το αποτέλεσμα σε εκτεταμένη ισχυρή εμβέλεια για να μείνετε μακριά από τη βύθιση και να ενισχύσετε την επίγνωση. Αυτές οι κάμερες υπερύθρων μπορούν να ρυθμιστούν έτσι ώστε οι προηγμένες τιμές του αποτελέσματος να συγκρίνονται με τις θερμοκρασίες διαμαρτυρίας. Ενσωματώνονται υπολογισμοί προσαρμογής μη συνέπειας που είναι αυτόνομοι ως προς το χρόνο ανοίγματος. Αυτές οι δυνατότητες παρουσίασης και τα χαρακτηριστικά της κάμερας ενδυναμώνουν μια εκτεταμένη ποικιλία εφαρμογών θερμής απεικόνισης που προηγουμένως δεν ήταν πρακτικές.

Στον πυρήνα της κάμερας υπερύθρων μεγάλης ταχύτητας βρίσκεται ένα ψυχρό αναγνωριστικό MCT που μεταφέρει εκπληκτική ανταπόκριση και ευελιξία για γρήγορη ανασκόπηση σε ζεστές περιστάσεις.

1. Υπέρυθρες Ομάδες Ευαισθητοποίησης του Άλλου Κόσμου

Λόγω της προσβασιμότητας μιας ποικιλίας αναγνωριστικών MCT, οι κάμερες ταχείας υπέρυθρης ακτινοβολίας προορίζονται να λειτουργούν σε μερικές συγκεκριμένες ομάδες φάντασμα. Η απόκοσμη ζώνη μπορεί να ελεγχθεί διαφοροποιώντας τη διάταξη αμαλγάματος του HgCdTe και τη θερμοκρασία σημείου ρύθμισης του ανιχνευτή. Το αποτέλεσμα είναι ένας μοναχικός ανιχνευτής υπέρυθρης ζώνης με ασυνήθιστη κβαντική παραγωγικότητα (συνήθως πάνω από 70%) και υψηλή αναλογία πρόσημου προς κραυγή έτοιμο να διακρίνει μικροσκοπικούς βαθμούς υπέρυθρου πρόσημου. Τα αναγνωριστικά MCT μιας ζώνης εμπίπτουν τακτικά σε μία από τις πέντε φαινομενικές ομάδες φάντασμα που εμφανίζονται:

• Κάμερες υπερύθρων βραχέων κυμάτων (SWIR) – αισθητές στα 2,5 micron

• Κάμερες υπερύθρων επεκτατικής ζώνης (BBIR) – 1,5-5 micron

• Κάμερες υπερύθρων μεσαίου κύματος (MWIR) – 3-5 micron

• Κάμερες υπερύθρων μεγάλων κυμάτων (LWIR) – αντίδραση 7-10 micron

• Κάμερες Extremely Lengthy Wave (VLWIR) – αντίδραση 7-12 micron

Παρά τις κάμερες που χρησιμοποιούν «μονοφασματικούς» εντοπιστές υπερύθρων που έχουν μια απόκοσμη αντίδραση σε μία ζώνη, προωθούνται νέα πλαίσια που χρησιμοποιούν αναγνωριστικά υπέρυθρων που έχουν αντίδραση σε δύο ομάδες (γνωστά ως «δύο τόνοι» ή διπλή ζώνη). Τα μοντέλα ενσωματώνουν κάμερες με αντίδραση MWIR/LWIR που καλύπτει τόσο 3-5 micron όσο και 7-11 micron, ή από την άλλη συγκεκριμένες ομάδες SWIR και MWIR, ή ακόμη και δύο υποομάδες MW.

Υπάρχουν διάφοροι λόγοι που εμπνέουν τον προσδιορισμό της μπάντας φάντασμα για μια κάμερα υπερύθρων. Για συγκεκριμένες εφαρμογές, η απόκοσμη λαμπρότητα ή η ανάκλαση των αντικειμένων υπό αντίληψη καθορίζει την καλύτερη απόκοσμη ζώνη. Αυτές οι εφαρμογές ενσωματώνουν φασματοσκοπία, έρευνα άξονα λέιζερ, θέση και διάταξη, εξέταση υπογραφής στόχου, φαινομενολογία, απεικόνιση ψυχρού αντικειμένου και παρατήρηση σε θαλάσσιο κλίμα.

Επιπλέον, μια απαίσια μπάντα θα μπορούσε να επιλεγεί υπό το πρίσμα των ισχυρών ανησυχιών για την απήχηση. Δεν θα μπορούσε να φανταστεί κανείς μια τόσο περιορισμένη, ισχυρή εμβέλεια, με μια κάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας στο φάντασμα MWIR. Η ευρεία και ισχυρή εκτέλεση του πλαισίου LWIR γίνεται εύκολα κατανοητή, αντιπαραβάλλοντας την κίνηση στη ζώνη LWIR με αυτήν στη ζώνη MWIR. Όπως προσδιορίζεται από την κάμψη του Planck, η διάδοση της μετάβασης λόγω στοιχείων σε ευρέως μεταβαλλόμενες θερμοκρασίες είναι πιο μέτρια στη ζώνη LWIR από τη ζώνη MWIR, ενώ παρατηρείται μια σκηνή με παρόμοιο εύρος θερμοκρασίας προϊόντος. Στο τέλος της ημέρας, η κάμερα υπερύθρων LWIR μπορεί να απεικονίσει και να μετρήσει αντικείμενα θερμοκρασίας με υψηλή απόκριση και στόχο και ταυτόχρονα πολύ ζεστά αντικείμενα (για παράδειγμα >2000K). Η απεικόνιση μεγάλου εύρους θερμοκρασιών με πλαίσιο MWIR θα είχε τεράστιες δυσκολίες υπό το πρίσμα του γεγονότος ότι το σημάδι από τα είδη υψηλής θερμοκρασίας θα πρέπει σίγουρα να μειωθεί, επιφέροντας ατυχή ευαισθητοποίηση για την απεικόνιση σε θερμοκρασίες θεμελίωσης.

2. Στόχος εικόνας και οπτικό πεδίο

2.1 Συστάδες εντοπισμού και μεγέθη εικονοστοιχείων

Οι κάμερες ταχείας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι προσβάσιμες με διαφορετικές ικανότητες στόχου λόγω της χρήσης ενδείξεων υπέρυθρων που έχουν διαφορετικά μεγέθη εκθεμάτων και εικονοστοιχείων. Εφαρμογές που δεν χρειάζονται υπέρυθρες κάμερες υψηλού στόχου και υψηλής ταχύτητας ενόψει των εντοπιστών QVGA προσφέρουν εκπληκτική εκτέλεση. Ένα σύμπλεγμα 320×256 εικονοστοιχείων 30 micron είναι γνωστό για την απίστευτα μεγάλη, ισχυρή εμβέλειά τους, λόγω της χρήσης μέτριας τεράστιας εικονοστοιχείου με βαθιά φρεάτια, χαμηλή ταραχή και ασυνήθιστα υψηλή απόκριση.

Τα εκθέματα αναγνώρισης υπέρυθρων είναι προσβάσιμα σε διάφορα μεγέθη, τα πιο ευρέως αναγνωρισμένα είναι τα QVGA, VGA και SXGA όπως εμφανίζονται. Τα εκθέματα VGA και SXGA έχουν ένα πιο πυκνό σύμπλεγμα pixel και έτσι μεταφέρουν υψηλότερο στόχο. Το QVGA είναι πρακτικό και προσφέρει εκπληκτική μοναδική εμβέλεια λόγω των τεράστιων ευαίσθητων pixel.

Πολύ περισσότερο, πρόσφατα, η καινοτομία της πιο μέτριας συμβολής pixel έχει προκύψει για κάμερες υπερύθρων με ποικιλίες αναγνωριστικού ύψους 15 micron, μεταφέροντας πιθανώς τις πιο αξιοσημείωτες ζεστές εικόνες που είναι προσβάσιμες σήμερα. Για εφαρμογές υψηλότερου στόχου, οι κάμερες με μεγαλύτερα εκθέματα με πιο μέτριο βήμα pixel μεταφέρουν εικόνες με υψηλή διαφορά και ανταπόκριση. Ομοίως, με πιο μέτριο βήμα pixel, τα οπτικά μπορούν επίσης να μειώσουν περαιτέρω το κόστος μείωσης.

2.2 Ιδιότητες εστιακού σημείου υπερύθρων

Τα σημεία εστίασης που προορίζονται για υπέρυθρες κάμερες υψηλής ταχύτητας έχουν τις δικές τους εξαιρετικές ιδιότητες. Βασικά, οι πιο σημαντικοί προσδιορισμοί είναι το κεντρικό μήκος (πεδίο προβολής), ο αριθμός F (άνοιγμα) και ο στόχος.

Κεντρικό μήκος: Τα εστιακά σημεία διακρίνονται συνήθως από το κεντρικό τους μήκος (για παράδειγμα 50 mm). Το οπτικό πεδίο σε ένα συνδυασμό κάμερας και εστιακού σημείου βασίζεται στο κεντρικό μήκος του εστιακού σημείου καθώς και στο γενικό εύρος της περιοχής εικόνας του εντοπιστή. Καθώς αυξάνεται το κεντρικό μήκος (ή μειώνεται το μέγεθος του εντοπιστή), το οπτικό πεδίο για αυτό το εστιακό σημείο θα μειωθεί (περιορίζεται).

Ένας χρήσιμος υπολογιστής αριθμών οπτικού πεδίου που βασίζεται στον ιστό για μια σειρά από κάμερες υπερύθρων υψηλής ταχύτητας είναι προσβάσιμος στον Ιστό.

Παρά τα κανονικά κεντρικά μήκη, τα εστιακά σημεία υπέρυθρης κοντινής λήψης είναι επιπλέον προσβάσιμα που παράγουν υψηλή ενίσχυση (1X, 2X, 4X) απεικόνισης μικρών αντικειμένων.

Τα κοντινά εστιακά σημεία υπερύθρων δίνουν μια ενισχυμένη προοπτική για τη θερμή εκροή μικρών αντικειμένων όπως ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Αριθμός F: Καθόλου όπως οι κάμερες φαινομένου φωτός υψηλής ταχύτητας, τα αντικειμενικά εστιακά σημεία για κάμερες υπερύθρων που χρησιμοποιούν αναγνωριστικά ψυχρού υπέρυθρου θα πρέπει να προορίζονται για να είναι βιώσιμα με το εσωτερικό οπτικό σχέδιο του dewar (το κατάλυμα ιού στο οποίο βρίσκεται ο εντοπιστής υπέρυθρων FPA βρέθηκε) με το σκεπτικό ότι το dewar έχει προγραμματιστεί με ένα στοπ (ή άνοιγμα) του ιού στο εσωτερικό που εμποδίζει την παρασιτική ακτινοβολία να προσκρούσει στον εντοπιστή. Υπό το φως της διακοπής του ιού, η ακτινοβολία από την κάμερα και το εστιακό σημείο παρακωλύεται, υπέρυθρη ακτινοβολία που θα μπορούσε να ξεπεράσει κατά πολύ αυτή που προέρχεται από τα αντικείμενα υπό αντίληψη. Στη συνέχεια, η υπέρυθρη ενέργεια που συλλαμβάνεται από τον εντοπιστή οφείλεται ουσιαστικά στην ακτινοβολία του αντικειμένου. Το εμβαδόν και το μέγεθος του μαθητή άδειας των εστιακών σημείων υπερύθρων (και ο αριθμός f) θα πρέπει να προορίζονται να ταιριάζουν με την περιοχή και τη μέτρηση της ψυχρής στάσης dewar. (Στην πραγματικότητα, ο αριθμός f του εστιακού σημείου μπορεί να είναι συνεχώς χαμηλότερος από τον αριθμό f στοπ του βιώσιμου ιού, για όσο καιρό προορίζεται για τη στάση του ιού στη νόμιμη θέση).

Τα σημεία εστίασης για κάμερες με ψύξη εντοπισμού υπερύθρων θα πρέπει να σχεδιάζονται εξαιρετικά, όχι μόνο για τον συγκεκριμένο στόχο και την περιοχή του FPA, αλλά επιπλέον για την υποχρέωση για την περιοχή και το πλάτος ενός ιού που εμποδίζει την παρασιτική ακτινοβολία να ανακατεύει τα πράγματα στην πόλη.

Στόχος: Η ικανότητα μετακίνησης προσαρμογής (MTF) ενός εστιακού σημείου είναι το εμπορικό σήμα που καθορίζει την ικανότητα του εστιακού σημείου να προσδιορίζει τις λεπτότητες του αντικειμένου. Η εικόνα που παρέχεται από ένα οπτικό πλαίσιο θα είναι αρκετά υποβαθμισμένη λόγω των διακυμάνσεων του εστιακού σημείου και της περίθλασης. Το MTF απεικονίζει πώς η διαφορά της εικόνας κυμαίνεται με τη χωρική επανάληψη του περιεχομένου της εικόνας. Πραγματικά στη μορφή, τα μεγαλύτερα αντικείμενα έχουν κάπως υψηλή διαφοροποίηση σε σύγκριση με πιο μέτρια αντικείμενα. Συνήθως, οι χαμηλές χωρικές συχνότητες έχουν MTF κοντά στο 1 (ή 100 τοις εκατό). Καθώς αυξάνεται η χωρική επανάληψη, το MTF στο τέλος πέφτει στο τίποτα, ένας οριστικός περιορισμός στόχου για ένα δεδομένο οπτικό πλαίσιο.

3. Στοιχεία κάμερας υπερύθρων υψηλής ταχύτητας: μεταβλητός χρόνος ανοίγματος, ρυθμός περιγράμματος, εκκίνηση, ραδιομετρία

Οι υπέρυθρες κάμερες υψηλής ταχύτητας είναι ιδανικές για την απεικόνιση γρήγορων ζεστών αντικειμένων καθώς και για ζεστές περιστάσεις που συμβαίνουν σε εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα, υπερβολικά σύντομο για τις τυπικές κάμερες υπερύθρων 30 Hz για την καταγραφή ακριβών πληροφοριών. Διάσημες εφαρμογές ενσωματώνουν την απεικόνιση της οργάνωσης των αερόσακων, τη διερεύνηση των άκρων κοπής του στροβίλου, τη δυναμική εξέταση πέδησης, τη θερμή εξέταση πυροβολισμών και τη διερεύνηση των επιπτώσεων θέρμανσης των εκρηκτικών. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, οι κάμερες ταχείας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι ισχυρές συσκευές για την αναπαραγωγή της ζωτικής σημασίας περιπτώσεων που είναι γενικά ανεπαίσθητες. Είναι άμεσο αποτέλεσμα της μεγάλης απόκρισης του ψυχρού αναγνωριστικού MCT της κάμερας υπερύθρων ότι υπάρχει η πιθανότητα να πιάσετε ζεστές περιστάσεις υψηλής ταχύτητας.

Το αναγνωριστικό υπερύθρων MCT εκτελείται σε λειτουργία «απεικόνισης», όπου κάθε ένα από τα εικονοστοιχεία συντονίζει ταυτόχρονα τη θερμή ακτινοβολία από τα αντικείμενα υπό αντίληψη. Ένα περίβλημα εικονοστοιχείων μπορεί να αποκαλυφθεί για εξαιρετικά σύντομη έκταση από <1 μικροδευτερόλεπτο έως έως και 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ανόμοια με τις γρήγορες εμφανείς κάμερες, οι κάμερες ταχείας υπέρυθρης ακτινοβολίας δεν χρειάζονται τη χρήση στροβοσκόπιων για να δουν περιστάσεις, επομένως υπάρχει επιτακτικός λόγος που χρειάζεται να συγχρονίσετε τη φωτεινότητα με την ενσωμάτωση pixel. Η θερμή εκπομπή από αντικείμενα υπό αντίληψη είναι συνήθως επαρκής για να τραβήξετε πλήρως τονισμένες εικόνες του αντικειμένου που κινείται.

Λαμβάνοντας υπόψη τα πλεονεκτήματα της ελίτ παρουσίασης του ανιχνευτή MCT, καθώς και τη βελτίωση του προηγμένου χειρισμού εικόνων, είναι εφικτό για τις σημερινές κάμερες υπερύθρων να εκτελούν έναν σημαντικό αριθμό δυνατοτήτων που είναι σημαντικές για την ενίσχυση της αντίληψης και της δοκιμής υψηλής ταχύτητας περιστάσεις.