Produkcja soczewek termowizyjnych. Obrazowanie termowizyjne

Czy potrzebujesz dodatkowych obiektywów do kamery termowizyjnej?

Kupując kamerę termowizyjną, każdy zadaje sobie to pytanie i sam na nie odpowiada, kierując się dostępnymi informacjami. Ze swojej strony postaramy się zwiększyć ilość tych samych informacji, aby wybór kupującego był bardziej świadomy.

Dlaczego więc potrzebujesz dodatkowych soczewek/soczewek?
Jakość obrazu zależy od kilku parametrów, ale przede wszystkim od jakości matrycy termowizyjnej, jej czułości i wielkości, a także od parametrów obiektywu.
Przede wszystkim tak jest specyfikacje techniczne matryca termowizyjna i obiektyw oraz określają jakość obrazu. Z reguły nie ma możliwości zmiany matrycy na większą, dlatego pozostają jedynie wymienne lub dodatkowe obiektywy poprawiające jakość obrazu. Dość sceptycznie podchodzę do twierdzeń, że mankamenty matrycy i obiektywu da się zaradzić za pomocą dodatkowej obróbki programowej, a tym samym osiągnąć więcej, niż jest to możliwe w oparciu o sprzęt.

Na przykład:
Matryca 384x288 z obiektywem 20⁰ zapewnia rozdzielczość przestrzenną: 0,91 mrad. Matryca 160x120 z tym samym obiektywem 20⁰ zapewnia rozdzielczość 2,2 mrad.
Innymi słowy, w odległości 100 metrów kamera termowizyjna z matrycą 384x288 jest w stanie rozróżnić obiekt o wymiarach 9,1x9,1 cm, natomiast dla matrycy 160x120 minimalny obiekt musi mieć wymiary co najmniej 22x22 cm!
Możliwość osiągnięcia rozdzielczości 9x9 cm brzmi bardzo optymistycznie, mimo że jakość oryginału, nawet setek zdjęć, nie jest lepsza niż 22x22 cm.
Oczywiście opcja „super rozdzielczość” może nieznacznie poprawić jakość obrazu, szczególnie w przypadku „naturalnego” drżenia dłoni, ale możliwość dokonania cudu poprzez podwojenie rozdzielczości pozostaje co najmniej wątpliwa.

Pozostaje jeden naturalny sposób na poszerzenie efektywnego zasięgu lub obszaru strzelania - dodatkowe soczewki. W przypadku obiektywu standardowego oferowane są dwa opcjonalne obiektywy - szerokokątny i wąskokątny.

Obiektyw szerokokątny z reguły stosuje się, gdy konieczne jest sfotografowanie dużego obszaru ze stosunkowo małej odległości. Nie tak popularny jak obiektyw wąskokątny, ponieważ zawsze można połączyć serię standardowych zdjęć w obraz panoramiczny, zwłaszcza że obiektyw szerokokątny rozszerza obszar fotografowania poprzez redukcję szczegółów, a to pasuje niewielu osobom.

Obiektyw wąskokątny (teleobiektyw). stosowane w przypadkach, gdy ważna jest duża szczegółowość dla stosunkowo małego obiektu znajdującego się w znacznej odległości. Tutaj żadne sztuczki programowe nie rozwiążą problemu - potrzebujesz specjalny obiektyw. W mojej praktyce zdarzały się przypadki, gdy konieczne było sfotografowanie rury TEC5 (wysokość ponad 200m), w tym przypadku taki obiektyw był po prostu niezbędny.

Wybór kamery termowizyjnej często sprowadza się do wyboru rozdzielczości czujnika i ogniskowa obiektyw, aby uzyskać taki lub inny zasięg wykrywania celu. Na przykład w wymagania techniczne wskazać: kamerę termowizyjną o rozdzielczości 640x480 pikseli i obiektywie 100mm.

Rozważmy realną sytuację wyboru kamery termowizyjnej, gdy wszystkie proponowane czujniki mają wymaganą rozdzielczość 640x480 pikseli opartą na technologii krzemu amorficznego (aSi), rozstaw pikseli 17 μm i czułość termiczną (NETD) 50 mK - parametry te są typowe dla współczesnych mikrobolometrów długofalowych. Ponadto wszystkie proponowane obiektywy mają ogniskową 100 mm, ale różnią się aperturą względną F. Parametry obiektywu przedstawiają się następująco:

Biorąc pod uwagę określone parametry apertury i przepuszczalności światła w zakresie podczerwieni (od 8 do 12 μm), można obliczyć, ile procent światła przejdzie przez obiektyw:

Oświetlenie na matrycy z obiektywem F1.6 i przepuszczalność światła 88% = (1/1.6)2 x 0.88 = 34%

Oświetlenie na matrycy z obiektywem F1.4 i przepuszczalność światła 88% = (1/1.4)2 x 0.88 = 49%

Oświetlenie na matrycy z obiektywem F1.2 i przepuszczalność światła 88% = (1/1.2)2 x 0.88 = 61%

W związku z tym można wykazać, że czułość termiczna układu kamery termowizyjnej + obiektyw zmieni się z tabliczki znamionowej 50 mK na

Zatem czułość znamionowa kamery termowizyjnej 50mK silnie zależy od przepuszczalności światła obiektywu i w naszym przykładzie wynosi ona w najlepszym przypadku 82mK (obiektyw 3), a w najgorszym – 147mK (obiektyw 1). Oznacza to, że w rezultacie kamera termowizyjna nie będzie w stanie „zobaczyć różnicy temperatur” wynoszącej 0,05 stopnia, a jedynie 0,08 ~ 0,15 stopnia, co również wydaje się bardzo dobre.

Jak wpłynie to na wynik obserwacji? Jeśli kontrasty temperatur są duże, a obserwowany obiekt znacznie różni się temperaturą od tła, wówczas wszystkie kamery pokażą obiekt równie dobrze. Ale jeśli sytuacja stanie się bardziej skomplikowana, wyniki zaczną się różnić. Komplikację sytuacji obserwacyjnej można rozumieć jako: niski kontrast termiczny pomiędzy celem a tłem, opady atmosferyczne.

Widok zewnętrzny zmontowanego stanowiska testowego. Wszystkie obiektywy o ogniskowej 100 mm, ale z innym F (obiektywy od lewej do prawej): F1.2, F1.4, F1.6. Możesz zobaczyć, jak powłoki antyrefleksyjne/ochronne na soczewkach różnią się kolorem odbicia.

Aby przeprowadzić testy, trzeba było trochę czasu, aby złapać różne warunki pogodowe i przeprowadzić odpowiednie strzelanie.

Widok obszaru obserwacji w widmie widzialnym. Deszcz. Zdjęcia wykonano przy suchej i ciepłej pogodzie. Obiektywy 100 mm, odpowiednio F1.6 – F1.4 – F1.2.

Można zauważyć, że generalnie wszystkie obiektywy zapewniają wystarczającą jakość obrazu do obserwacji. Jednocześnie obiektyw F1.4 nie zapewnia zbyt dużej ostrości w polu bliskim. Najbardziej szczegółowe zdjęcie wykonano przy obiektywie F1.2 - widać to po szczegółach przewodów w tle oraz szczegółach na dachu budynku w tle. W tej sytuacji różnica pomiędzy obiektywami nie jest krytyczna.

Kiedy pada deszcz, obraz się zmienia. Obiektywy 100mm, F1.6 – F1.4 – F1.2:

Kiedy pada deszcz, istnieją dwa negatywne skutki obserwacji w widmie IR. Po pierwsze, deszcz tworzy „przeszkodę” na drodze światła podczerwonego, a po drugie, woda porównuje temperaturę środowisko, zmniejszając w ten sposób kontrast termiczny.

Możesz zauważyć następujące rzeczy:

• przy mniejszym otworze względnym F1,6 kontrast obrazu jest znacznie zmniejszony;
• obiekty o niskim kontraście termicznym są trudne do rozróżnienia - filary włączone tło prawie niewidoczny;
• wizualnie obraz przy przysłonie F1.2 jest dla operatora wyraźniejszy niż przy przysłonie F1.6 lub F1.4.
• obraz jest znacznie gorszy niż przy dobrej pogodzie.

Kolejna perspektywa przy suchej, słonecznej pogodzie. Obiektywy 100 mm, odpowiednio F1.6 – F1.4 – F1.2:

Istnieje niewielka różnica w obrazie, ale ogólnie nie ma to wpływu na percepcję i analizę obrazu termowizyjnego.

Aby w pełni odzwierciedlić różnicę między obiektywami, nie pobrano wystarczającej ilości próbek w różnych warunkach pogodowych.

Jednak możesz to zrobić następujące wnioski:

• Czułość (NETD) kamery termowizyjnej jest zawsze niższa niż czułość mikrobolometru;
• wystarczające kontrasty temperaturowe zapewniają wysoką jakość obrazu nawet przy zmianie względnej przysłony obiektywu z F1.2 na F1.6;
• Jakość obrazu termowizyjnego ulega znacznemu pogorszeniu w złych warunkach pogodowych, ale obiektyw z dużą aperturą nadal zapewnia lepszy obraz w porównaniu z mniejszą aperturą.

Ważną działalnością jest rozwój, projektowanie i produkcja soczewek na podczerwień (IR) do systemów termowizyjnych działających w zakresach 3...5 i 8...12 mikronów, a także do czujników optycznych pracujących w zakresie IR. firmy. Firma projektuje i produkuje soczewki na podczerwień (IR) (w tym soczewki atermiczne), zarówno seryjnie w wersjach standardowych, jak i specyfikacje techniczne klienta, a także wykonuje obliczenia i produkcję innych zespołów optycznych do sprzętu IR, w tym:

• soczewki termowizyjne do niechłodzonych kamer termowizyjnych bazujących na matrycach mikrobolometrycznych w zakresie 8…12 µm. Jest to najpowszechniejszy typ systemu, ze względu na zakres widmowy efektywny przy transmisji obrazu termowizyjnego, optymalną praktyczność odbiorników matrycowych niewymagających chłodzenia i zimnej membrany, a także stosunkowo niską cenę takiego urządzenia;
• soczewki termowizyjne do chłodzonych kamer termowizyjnych pracujących w zakresie 3…5 mikronów. W oparciu o takie systemy tworzone są kamery termowizyjne o zwiększonej kombinacji wymagań dotyczących właściwości i konstrukcji. To najbardziej złożony typ systemy podczerwieni, ale jednocześnie posiadający najlepsze możliwości w zakresie wykrywania i identyfikacji obiektów nadzoru;
• Soczewki IR do czujników jedno- i wieloelementowych pracujących w zakresie średniej i bliskiej podczerwieni, głównie 3...5 µm. Zazwyczaj są to proste układy składające się z prostej optyki IR i czujnika, których głównym zadaniem jest generowanie sygnału, a nie przesyłanie obrazu.

Soczewki podczerwieni znajdują zastosowanie w systemach termowizyjnych różnych klas:

• obronność (przenośne i stacjonarne kamery termowizyjne, celowniki termowizyjne, optyczne stacje lokalizacyjne, urządzenia do wyznaczania celów i celowniki do pojazdów naziemnych);
• technologiczne (urządzenia termokontroli do celów technologiczno-konstrukcyjnych, pirometry);
• dla bezpieczeństwa (kamery termowizyjne do kontroli obwodu, granic, systemów przeciwpożarowych).

W zależności od powierzonych zadań opracowujemy soczewki na podczerwień (IR) wszystkich określonych klas, wśród których wyróżniają się soczewki atermiczne IR. Optyka IR do kamer termowizyjnych średniego i dalekiego zasięgu ma swoją specyfikę, wyrażoną we właściwościach termooptycznych zastosowanych materiałów optycznych, takich jak monokryształy germanu, krzemu, polikrystalicznego selenku i siarczku cynku, monokryształy fluorków metali. W większości przypadków soczewka IR zawiera soczewki wykonane z germanu, który ma wysoki i nieliniowy współczynnik temperaturowy współczynnika załamania światła. Z tego powodu optyka podczerwieni jest podatna na rozogniskowanie pod wpływem zmian temperatury, a jednym z rozwiązań tego problemu jest konstrukcja z kompensacją temperatury, która przesuwa soczewkę lub grupę soczewek względem odbiornika w zależności od temperatury. Niewiele firm oferuje soczewki atermiczne ze względu na wymaganą złożoną konstrukcję, często używane w trudnych warunkach mechanicznych i wstrząsach. Na podstawie Twoich specyfikacji technicznych obliczymy i opracujemy dostosowaną do indywidualnych potrzeb atermiczną soczewkę IR. Optyka do kamer termowizyjnych jest opracowywana i produkowana w różnych wersjach przy użyciu szczególnie twardych materiałów powłoki ochronne, wersja OEM, o lekkiej konstrukcji.

Obiektyw termowizyjny F50

Obiektyw termowizyjny F50 to wymienny obiektyw o największym zasięgu, przeznaczony do montażu w monokularach termowizyjnych Pulsar Helion XP28 i Pulsar Helion XP38. Ogniskowa 50 mm zapewnia techniczne możliwości wygodnych obserwacji na dużych odległościach. Korzystając z tego konkretnego obiektywu, będziemy w stanie rozpoznać cel o wysokości 1,7 metra (jeleń lub osobę) z odległości 1800 metrów, co w warunkach wyjątkowo słabej widoczności jest niezaprzeczalną przewagą nad innymi urządzeniami optycznymi.

Zoom optyczny Kamera termowizyjna Pulsar Helion XP z obiektywem F50 ma powiększenie 2,5x, ale działa płynnie zoom cyfrowy w zakresie 2x-8x można osiągnąć maksymalne powiększenie urządzenia 20x. Pole widzenia na odległość 100 metrów wynosi 21 metrów. Używanie wymiennych obiektywów na jednym urządzenie termowizyjne znacznie rozszerza funkcjonalność urządzenia. Jeśli więc chcesz szybko znaleźć obiekt termiczny na dużym obszarze w niewielkiej odległości, lepiej użyć krótkiego ogniskowania wymienny obiektyw, a podczas poszukiwania celów na znaczną odległość obiektyw F50 odkryje wszystkie swoje uroki.

Uwaga! Po fizycznej wymianie obiektywu, aby kamera termowizyjna działała prawidłowo, należy w menu urządzenia wybrać odpowiednią wartość „50”. Teraz Twój monokular termowizyjny będzie działał poprawnie, a obraz odległych obiektów będzie wysokiej jakości.