Termowizja w praktyce

Współczesna elektronika coraz częściej sięga po zaawansowane metody diagnostyczne, umożliwiające precyzyjną analizę urządzeń bez konieczności ich demontażu. Jednym z takich narzędzi jest termowizja, która dzięki rejestrowaniu promieniowania podczerwonego pozwala zobaczyć, jak ciepło rozchodzi się w układach elektronicznych. Odpowiednia interpretacja obrazów termicznych może ujawnić przegrzewające się komponenty, problemy z chłodzeniem, a nawet wskazać na zwarcia lub uszkodzenia, które mogłyby pozostać niezauważone podczas standardowej diagnostyki. Nie są to oczywiście jedyne zastosowania termowizji. Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń, które wykorzystują termografię, które używane są w wielu dziedzinach życia – w automatyce przemysłowej, budownictwie, medycynie, wojsku… 

Co to jest termowizja

Każde ciało o temperaturze wyższej niż zero bezwzględne emituje jakieś promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie to, określane promieniowaniem ciała doskonale czarnego, opisuje prawo Plancka. Określa ono ilość i rozkład widmowy energii emitowanej przez powierzchnię w funkcji temperatury. W miarę wzrostu temperatury maksimum emisji przesuwa się w kierunku fal krótszych, co wynika z kolei z prawa Wiena. W typowych warunkach otoczenia większość promieniowania cieplnego emitowanego przez obiekty na Ziemi mieści się w zakresie podczerwieni, niewidzialnej dla ludzkiego oka.

Termowizja to technika obrazowania, która wykorzystuje promieniowanie podczerwone do analizy rozkładu temperatur. Kamery termowizyjne są wyposażone w detektory czułe na fale podczerwone, które rejestrują promieniowanie cieplne emitowane przez obiekty i konwertują je na sygnał elektryczny. Następnie sygnał ten jest przekształcany w obraz, w którym różne temperatury są przedstawiane np. za pomocą kolorów lub odcieni szarości. Cieplejsze obszary zwykle są oznaczane barwami od żółci po czerwień (ciepłymi), natomiast chłodniejsze mają barwy od niebieskiej do fioletowej (zimnymi).

Dzięki obrazowaniu w podczerwieni możliwe jest obserwowanie obiektów i ich temperatury bez konieczności ich oświetlania światłem widzialnym. Termowizja znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak wojsko, ratownictwo, przemysł, diagnostyka budowlana czy medycyna. W warunkach bojowych pozwala wykrywać przeciwników nawet w całkowitej ciemności, a w przemyśle umożliwia lokalizowanie przegrzewających się elementów instalacji. Dodatkowo, w medycynie służy do diagnozowania stanów zapalnych i innych problemów zdrowotnych na podstawie anomalii temperaturowych, a w okresie niedawnej pandemii kamery termowizyjne wykorzystywane były do wykrywania w tłumie osób o podwyższonej temperaturze ciała. Każda z tych aplikacji charakteryzuje się trochę innymi wymaganiami, w szczególności co do różnicy temperatur obrazowanego obiektu i otoczenia, co ma kluczowy wpływ na wybraną technikę obrazowania.

Istotne parametry

Istnieje szereg parametrów detektorów termicznych, które pozwalają na ich charakteryzację i porównywanie między sobą. Część z tych parametrów opisuje bezpośrednio warunki pracy detektora (temperatura pracy, która wpływa na chłodzenie, czy też zakres spektralny/zakres temperatur obrazowania), co wskazuje na sposób i miejsce jego implementacji, a część parametrów to wartości, które pozwalają nam określić jakość jego pracy, która przekłada się na jakość uzyskiwanego obrazu. Oczywiście finalnie istotnym parametrem jest również cena, która w wielu przypadkach dyktuje, jaki detektor możemy w naszej aplikacji zastosować, a jaki jest poza naszym zasięgiem.

Rozdzielczość przestrzenna (matryca detektora)

Rozdzielczość matrycy określa liczbę pikseli detektora w poziomie i pionie, np. 640×480 px lub 1280×1024 px. Im większa rozdzielczość, tym więcej szczegółów można zobaczyć na uzyskanym obrazie. Nowoczesne systemy stosują matryce o wysokiej rozdzielczości, co pozwala na precyzyjne obrazowanie nawet drobnych detali. Oczywiście na wielkość obrazowanych detali wpływ ma również zastosowana optyka, tak jak w zwykłej kamerze.

Wielkość piksela detektora

Rozmiar piksela wpływa na zdolność rozdzielczą kamery. Typowe wartości wynoszą od 12 μm do 25 μm dla nowoczesnych detektorów. Mniejsze piksele pozwalają na większą gęstość pikseli i lepszą jakość obrazu przy tej samej wielkości matrycy, jednakże kosztem zmniejszenia czułości. Parametr ten ma podobne znaczenie, jak w przypadku zwykłych kamer.

Zakres spektralny

Zakres spektralny określa, w jakim zakresie długości fal elektromagnetycznych detektor jest czuły. Typowe detektory pracują w zakresie podczerwieni długofalowej (LWIR: 8…14 μm) oraz średniej podczerwieni (MWIR: 3…5 μm). MWIR oferuje wyższą czułość w zakresie wysokich temperatur, natomiast LWIR jest bardziej użyteczne dla obrazowania w temperaturach zbliżonych do temperatury otoczenia/temperatury pokojowej. Parametr ten ma bezpośredni związek z zasadą działania termowizji i widmami emisji.

Zakres temperatury pracy i pomiaru

Zakres temperatury pracy oznacza, w jakich warunkach otoczenia detektor może działać, np. od –40°C do +80°C. Parametr ten ma głównie znaczenie dla aplikacji. Z kolei zakres pomiarowy określa temperatury, jakie można obrazować z pomocą danego sensora. Typowe kamery termowizyjne są w stanie obserwować obiekty o temperaturach od –40°C do +1500°C. Obserwacje skrajnych temperatur są o tyle problematyczne, że dla tych temperatur maksimum widma wychodzi już stanowczo poza zakres podczerwieni. Dla niskich temperatur już wspomniane –40°C odpowiada długości fali równej ok. 12,5 μm, czyli już na skraju zakresu LWIR. Z drugiej strony widma (i zakresu temperatur) dla wysokich temperatur emisja powoli wchodzi w zakres światła widzialnego.

Rodzaj chłodzenia

Detektory dzielą się na chłodzone i niechłodzone. Chłodzone (np. InSb, MCT) oferują wyższą czułość i lepszą jakość obrazu, ale wymagają dosyć skomplikowanego systemu chłodzenia aktywnych elementów – matrycy sensora. Istnieją dwa podstawowe mechanizmy chłodzenia tego rodzaju detektorów – Stirlinga i Peltiera.

Detektory niewymagające chłodzenia (np. mikrobolometryczne) są znacznie tańsze, bardziej energooszczędne i mają dłuższą żywotność, ale są mniej czułe i są wolniejsze od swoich chłodzonych kuzynów.

Chłodzenie kriogeniczne (Stirlinga)

Jednym z najczęściej stosowanych systemów chłodzenia w chłodzonych sensorach termowizyjnych jest chłodzenie kriogeniczne oparte na silniku Stirlinga. Silnik ten działa na zasadzie sprężania i rozprężania gazu roboczego (np. helu), co pozwala osiągnąć bardzo niskie temperatury, często w zakresie 60…100 K (–213…–173°C). Takie chłodzenie jest niezbędne dla detektorów kwantowych, takich jak MCT (rtęć-kadm-tellur) czy InSb (antymonek indu), które wymagają niskiej temperatury, aby zmniejszyć szumy termiczne i zwiększyć czułość. 

Główną zaletą tego systemu jest możliwość uzyskania bardzo wysokiej jakości obrazowania termalnego z czułością NETD poniżej 20 mK i dużą szybkością reakcji. Wadą jest wysoka cena, zwiększony rozmiar, ograniczona żywotność (kilka tysięcy godzin pracy silnika) oraz konieczność stosowania dodatkowej energii do zasilania systemu chłodzenia, co ogranicza mobilność urządzeń. Dodatkowo, chłodzenie elementów do temperatur kriogenicznych oznacza ryzyko kondensacji, które eliminuje się, umieszczając sensor w próżni, za okienkiem optycznym, co zwiększa dalej koszt i rozmiar rozwiązania.

Chłodzenie termoelektryczne (Peltiera)

Alternatywnym rozwiązaniem stosowanym w niektórych detektorach termicznych (np. kwantowych) jest chłodzenie termoelektryczne oparte na efekcie Peltiera. Moduły Peltiera transportują ciepło za pomocą półprzewodnikowych elementów termoelektrycznych, które generują różnicę temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego (efekt Seebecka). Temperatury uzyskiwane przy wykorzystaniu tego typu chłodzeniu są wyższe niż w przypadku układów z cyklem Stirlinga i zwykle mieszczą się w zakresie 150…250 K (–123…–23°C), co jednak w zupełności wystarcza do ograniczenia szumów w mniej wymagających sensorach.

Największą zaletą tego systemu jest brak elementów ruchomych, co zwiększa niezawodność i wydłuża żywotność detektora w porównaniu do chłodzenia Stirlinga. Ponadto moduły Peltiera są bardziej kompaktowe i energooszczędne. Ich wadą jest mniejsza skuteczność chłodzenia oraz ograniczona zdolność do osiągania ultraniskich temperatur, co powoduje, że nie są odpowiednie dla najwyższej klasy sensorów wojskowych i naukowych. 

Czułość termiczna (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference)

NETD określa najmniejszą różnicę temperatury, jaką detektor jest w stanie zarejestrować. Wyrażana jest na ogół w milikelwinach (mK). Typowe wartości to od 30 mK do 80 mK dla nowoczesnych kamer termowizyjnych, ale najlepsze systemy mogą osiągać wartości nawet poniżej 20 mK. Niższa wartość NETD oznacza lepszą zdolność wykrywania drobnych różnic temperatur. Parametr ten podaje się, na ogół, dla temperatury 30°C lub 300 K.

W tym prostym eksperymencie obrazowany jest termiczny odcisk ciepłej dłoni na zimnym materiale. Różnica temperatur wprowadzona dotykiem nie jest wielka, a z czasem zanika, gdyż materiał stygnie, a temperatura rozkłada się równomierniej po całym materiale. W tym przypadku widać, że aby uchwycić detale odcisku, konieczny jest detektor z mniejszym NETD.

Przyjmuje się obecnie, że detektory z NETD poniżej 30 mK to najwyższa klasa sensorów. Parametr ten w zakresie od 30 do 60 mK to nadal wysoka jakość obrazowania. Kamery z NETD w zakresie od 60 do 80 mK uznawane są za nadal bardzo dobre, a obecnym standardem dla sensorów z niższej półki jest 200 mK.

Czas reakcji i częstotliwość odświeżania

Czas reakcji określa, jak szybko detektor może rejestrować zmiany temperatury. Chłodzone detektory kwantowe (np. InSb, MCT) mają bardzo krótki czas reakcji (rzędu mikrosekund), co pozwala na rejestrowanie szybko poruszających się obiektów. Mikrobolometry niechłodzone mają czas reakcji dłuższy, co może powodować rozmycie obrazu przy szybkim ruchu. 

Z czasem reakcji powiązana jest częstotliwosć odświeżania obrazu. Parametr ten określa, ile razy na sekundę aktualizowany jest obraz. Standardowe wartości to od 20 Hz do 60 Hz, ale w zastosowaniach szybkich, np. w wojsku czy nauce, stosuje się kamery o częstotliwości odświeżania dochodzącej nawet do 30 000 Hz.

Dynamika sygnału i szum detektora

Parametr ten określa określa, jak szeroki zakres temperatur może być rejestrowany jednocześnie bez utraty szczegółów obrazu. Istotnym parametrem jest również stosunek sygnału do szumu (SNR), który wpływa na jakość obrazu – im wyższy, tym mniej zakłóceń na obrazie termalnym.