Оглавление
MWIR диапазон
MWIR (Midwavelength infrared) — средневолновый диапазон охватывает излучение с длинами волн от 3 мкм до 5 мкм. Данный диапазон используется в тепловизорах. Оптимальной детектируемой температурой для данного диапазона является несколько сотен градусов, но регистрация объектов возможна от 0°C. MWIR идеально подходит для наблюдения на большом расстоянии. MWIR обеспечивает детальное изображение днем и ночью даже в сложных условиях, таких как влажность, туман, дымка, дождь или дым.
Наиболее подходящими применениями для инфракрасных камер MWIR диапазона являются:
- баллистика
- химическая идентификация
- обнаружение, идентификация и распознавание техники по тепловому излучению самого объекта или следу от него
- анализ горения (в т.ч. инфракрасная спектроскопия)
- 3Д печать и др.
Съемка процесса 3D печати металлом в MWIR диапазоне на DMLS принтере.
Важные параметры и характеристики
Основа устройств – инфракрасные светодиоды. Они различаются по назначению, форм-фактору, мощности излучения. Диапазон волн, которые они излучают, очень велик – 0,75–2000 мкм, поэтому вместо действительных технических характеристик для описания элементов применяют только те, что касаются непосредственно их свойств:
- мощность в единицу времени – или количество тока, подаваемое через элемент;
- площадь излучения – дополнительная характеристика;
- интенсивность светового потока – измеряется в пределах телесного или пространственного угла в Вт/ср;
- диапазон излучаемых волн;
- номинальный прямой ток и максимальный импульсный;
- величина падения напряжения;
- величина обратного напряжения.
Эксперимент
На фото 1 приведен счетверенный стоп-кадр, полученный телекамерой цветного изображения (color), камерой «день/ночь» без ИК-чувствительности (dn), камерой с постоянной ИК-чувствительностью (dn ir) и камерой с подвижным управляемым ИК-фильтром (dn cut). Освещение в измерительной камере производится лампами накаливания. Отчетливо заметны искажения цвета в камере с постоянной ИК-чувствительностью. Примечательно, что особенно подвержены изменению цвета синтетические материалы.
На фото 2 приведен стоп-кадр, полученный аналогичными камерами при минимальной освещенности. Все три камеры «день/ночь» перешли в черно-белый режим. Однако видно, что контрастность и яркость изображений цветной камеры и камеры «день/ночь» без ИК-чувствительности практически идентичны и явно уступают камерам с расширенным в область ИК спектральным диапазоном чувствительности.
Естественно, только камеры «день/ночь» с ИК-чувствительностью могут работать с ИК-подсветкой. Однако реальная чувствительность в области ИК, а уже тем более на конкретной длине волны ИК-осветителя, остается для потребителя «тайной за семью печатями». Отчасти и поэтому тоже такой популярностью пользуются телекамеры цветного изображения «день/ночь» со встроенной ИК-подсветкой. В таком случае производитель сообщает (если, конечно, это правда), на какой дальности можно вести наблюдение.
Если же вы применяете отдельный ИК-осветитель с телекамерой цветного изображения «день/ночь», вам не избежать «проб», а может быть «и ошибок». Причем, как правило, несколько мифические данные о ночной чувствительности в люксах здесь не помогут, поскольку ИК-излучение в люксах не нормируется. Для иллюстрации этой ситуации на фото 3 приведен стоп-кадр упомянутых выше камер при предельно малой освещенности от ламп накаливания.
Очевидно, что камера с постоянной ИК-чувствительностью имеет существенно меньшую интегральную чувствительность в сравнении с камерой ICR (cut). С другой стороны, при освещении ИК-осветителем с длиной 930 нм изображения этих камер практически идентичны, что представлено на фото 4. К сожалению, нам никогда не известны даже относительные спектральные характеристики чувствительности камер «день/ночь». И в данном случае информация производителей сенсоров нам помочь не в состоянии, поскольку весьма редко распространяется на ИК-диапазон в сравнении с черно-белыми сенсорами.
На рис. 1 (см. стр. 72) приведена спектральная характеристика чувствительности одной из самых популярных сейчас CCD-матриц – SONY Super HAD II, которая, как мы видим, нормируется только в видимом диапазоне.
Естественно, ее можно интерполировать в область ИК, учитывая ход аналогичных характеристик черно-белых сенсоров. Но мы же не знаем, какие фильтры использует производитель. Ведь даже камеры с ICR имеют порой серьезную чувствительность в области ИК. Очевидно этот «тренд» обусловлен стремлением вытянуть большую чувствительность в цветном (дневном) режиме.
Недостатки и преимущества
Как и любое технологическое устройство, ИК-прожектор имеет свои плюсы и минусы в применении. Вот что необходимо знать о преимуществах данного устройства:
- незначительное энергопотребление;
- высокая износостойкость;
- безопасность;
- оптимальный уровень дальности действия.
Инфракрасное освещение также имеет и свои недостатки. Затрагивая этот вопрос, стоит сказать о том, что данный тип освещения несовместим с цветными камерами видеонаблюдения. Также работа уличной камеры непосредственно зависит от погодных условий и зачастую требует регулярной чистки стекла от различных загрязнений, вызванных внешними факторами окружающей среды.
Стоит также подчеркнуть, что в темноте камера может быть заметна из-за того, что светодиоды имеют красный оттенок в ночное время суток. Производители инфракрасных прожекторов не раз указывали на то, что в процессе работы камер прожекторы могут нагреваться, данный показатель является вполне нормальным. Перед использованием владельцу рекомендуется настроить яркость и установить необходимый контраст.
Почему я могу видеть сквозь (синтетические) материалы?
Мы сами попробовали: с фотохромной камерой OnePlus 8 Pro можно видеть насквозь, превращая ее в квази «рентгеновские очки для бедных» (хотя рентгеновское излучение, конечно, влияет на совершенно разные частотные диапазоны). Что является причиной этого?
На самом деле это очень просто: если компания производит что-то, что не должно быть прозрачным, она ориентирована на видимый свет. Независимо от того, является ли определенный материал прозрачным для инфракрасного света, это чисто случайное свойство из-за этого приоритета. И поэтому совсем не странно, что некоторые (тонкие) материалы и избранные пластмассы пропускают инфракрасный свет. И именно через них режим фотохромирования OnePlus 8 Pro позволяет видеть сквозь них.
Многие материалы, особенно пластмассы, пропускают инфракрасный свет.
Шумиха вокруг «обнаженной камеры в смартфоне» оказалась не по карману самой OnePlus. Производитель уже анонсировал обновление программного обеспечения, которое должно как минимум отключать инфракрасную камеру, когда вы находитесь в помещении. Наши мысли по этому поводу? Мы весьма сомневаемся, поскольку обновление еще не появилось в наших телефонах OnePlus 8 Pro.
Что именно представляет из себя инфракрасная съемка?
Если говорить кратко, при таком подходе камера запечатлевает только инфракрасный свет, который расположен в невидимой для человеческого глаза части электромагнитного спектра. Последний включает в себя диапазоны частот электромагнитного излучения от коротковолновых гамма-лучей до радиоволн, длина которых измеряется сотнями метров.
Человеческий глаз способен воспринимать свет (электромагнитное излучение), имеющий длину волны в диапазоне от 350 нанометров (фиолетовый) до 760 нанометров (красный). Всё, что мы видим находится в пределах этого крошечного спектра. Это означает, что вокруг нас существует целый невидимый мир!
Хорошая новость в том, что цифровые камеры способны воспринимать излучение в более широком диапазоне по сравнению с человеческим глазом. Они одинаково хорошо видят как ультрафиолетовый свет ( < 380 нм), так и инфракрасный ( > 760 нм).
Обычно прямо перед сенсором камеры располагается стеклянный фильтр, блокирующий УФ и ИК свет, оставляя только видимый глазу диапазон, который нам зачастую и нужен.
В данной конкретной ситуации нас интересует ближняя инфракрасная область спектра. В нее входят волны длиной 760-1200 нм или около того. Все эти технические детали могут показаться ненужными, но они имеют непосредственное влияние на типы фотографий, которые будут у вас получаться в конечном итоге. Больше об этом позже.
Примечание: Инфракрасная съемка в рамках этой статьи – не то же самое, что термография. Инфракрасная термография работает с волнами длиной 3000-15000 нм.
В использовании
Термографическое изображение хвостатого лемура
Изображения с инфракрасных камер имеют тенденцию быть монохромными, потому что в камерах обычно используется датчик изображения , который не различает разные длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами нормального видимого спектра, потому что разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.
Иногда эти монохромные изображения отображаются в псевдоцвете , где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый , полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон в обнаружении интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть мелкие различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена.
Для использования при измерении температуры самые яркие (самые теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры — в красный и желтый, а самые тусклые (самые холодные) части — в черный. Рядом с изображением в искусственных цветах должна быть показана шкала, чтобы соотнести цвета с температурой. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, чаще всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже, чем их аналоги в видимом спектре, хотя в 2014 году стали доступны низкоэффективные дополнительные тепловизионные камеры для смартфонов за сотни долларов. Модели более высокого уровня часто считаются двойными и ограниченными на экспорт, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или больше, кроме случаев, когда частота обновления составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер регулируется Правилами международной торговли оружием .
В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 ° C в месте съемки вызывает разницу всего 0,03 ° C на датчике. Время отклика пикселя также довольно низкое, порядка десятков миллисекунд.
Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловизора специалисты по обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, являющиеся явным признаком их неисправности, для устранения потенциальных опасностей. Когда термоизоляция выходит из строя , инженеры-строители могут заметить утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или нагрева и кондиционирования воздуха.
Горячие копыта указывают на больную корову
Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых роскошных автомобилях для помощи водителю ( автомобильное ночное видение ), первой из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска .
Некоторые физиологические действия, особенно реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных также можно контролировать с помощью термографических изображений. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти в основных телескопах для астрономических исследований , даже в тех, которые не являются инфракрасными телескопами .
Другие сферы применения
Кроме фонариков и прожекторов, инфракрасный свет используют для видеокамер при недостаточной освещённости помещений; кассы, офиса, банка, склада, кладовой
Как дежурное освещение при видеонаблюдении, где не нужно привлекать внимание к объекту. Когда свет не должен мешать людям в кинотеатрах, театрах, ночных клубах, на автостоянках и дорогах (не ослепляет водителей)
Инфракрасный свет широко применяется в таких областях:
- медицина (улучшает обмен веществ, выводит избыточные жиры, добавляет двигательную энергию и др.);
- животноводство;
- тепловизоры;
- военная техника (система наведения, локация);
- электронная промышленность (дистанционное управление, оптическая связь);
- обогрев помещений;
- пищевая промышленность (сушка овощей, фруктов);
- астрономия;
- метеорология (измерение температуры объектов);
- научные исследования.
Инфракрасная камера: как она работает?
Начнем с некоторой технической подготовки: как на самом деле работает инфракрасная камера в OnePlus 8 Pro? Обычный 2-мегапиксельный сенсор изображения самой дешевой конструкции берет на себя создание инфракрасных фотографий. А если копнуть глубже?
Foveon & co. в расчет можно не брать, а отдельные пиксели каждого сенсора изображения всегда измеряют не что иное, как яркость, – и, таким образом, обеспечивают получение черно-белых фотографий. Чтобы сделать изображения более красочными, производители предоставляют сенсорам так называемый фильтр Байера, когда цветной фильтр располагается поверх каждого пикселя и поочередно преобразует пиксели в сенсоры для красного, зеленого или синего света. На основе информации о цвете других окружающих цветных пикселей процессор изображения в мобильном телефоне затем приступит к работе, интерполируя значение RGB для отдельных пикселей.
В зависимости от фильтра Байера над пикселями помещаются фильтры синего, красного, желтого или зеленого цветов.
С инфракрасным сенсором вы вполне можете обойтись без указанного выше фильтра. Вместо матрицы цветных фильтров нет ничего, кроме фильтра для видимого света, расположенного прямо над сенсором, который, в свою очередь, пропускает только низкочастотный инфракрасный свет. И вуаля! Вы получаете монохромный инфракрасный сенсор. Это связано с тем, что пиксели на фотосенсорах по умолчанию реагируют на инфракрасный свет. Вот как вы можете делать инфракрасные фотографии с помощью любого смартфона, благодаря конкретному научному факту, о котором вы можете прочитать далее в статье.
В чем отличия?
Работают приборы в разных диапазонах. Тепловизор работает в среднем и дальнем ИК-диапазоне (3–15 мкм), тогда как камера в ближнем (0,78–3 мкм). В первом случае уровень освещенности значения не имеет. Во втором изображение более четкое в темное время суток. Однако, современные приборы этим недостатком уже не страдают. ИК-камера уступает тепловизору еще по одному параметру. Если идет снег, или работы производятся во время дождя, качество картинки снижается. Для тепловизора осадки значения не имеют. Ознакомиться с доступными тепловизорами гкресурс можно на их сайте gkresurs.ru, доставка есть по Москве и всей России.
Основная характеристика
ИК-прожектор представляет собой специальное устройство, которое работает исключительно в инфракрасном спектре благодаря наличию 1 и более ламп. Данное преимущество делает все темные объекты видимыми для камеры наружного видеонаблюдения. Подсветка является очень важным составляющим, так как видеокамеры наружного наблюдения могут нормально фиксировать изображения только при наличии эффективной работы световых лучей, которые отбиваются от различных предметов, тем самым делая картинку более четкой. Без необходимого освещения предметы на картинке будут размытыми и серыми.
ИК-подсветка состоит из следующих частей:
- Панель, которая имеет в своей структуре светоизлучающие диоды. Данный элемент необходим для обеспечения нормальной работы устройства даже при минимальном освещении или его отсутствии.
- Светофильтр. Специальный фильтр необходим, чтобы демаскировать устройство. Функция светофильтра заключается в полном поглощении видимой составляющей инфракрасного излучения.
- Герметичный корпус. Обычно камеры наружного наблюдения устанавливают вне помещения, вся электронная схема требует защиты от неблагоприятной погоды. Для этого устройство помещают в герметический корпус.
- Драйвер питания. Данное приспособление необходимо для того, чтобы камеру можно было подключить к сети 220 В, так как сам светоизлучающий диод питается малым количеством энергии.
LWIR диапазон
LWIR (Long-wavelength infrared) и VLWIR (Very Long wavelength infrared)
LWIR и VLWIR находятся в спектральном диапазоне от 8 мкм до 15 мкм, сенсоры с чувствительностью в LWIR и VLWIR детектируют излучение исходящее от тел с температурой близкой к нулю градусов Цельсия, а наиболее чувствительные камеры способны регистрировать излучение от объектов с температурой до -40С.
Инфракрасные камеры LWIR спектрального диапазона применяются в:
- экспериментальной механике
- неразрушающем контроле
- минеральной идентификации и др.
В LWIR диапазоне можно наблюдать излучения от нагретых окружающих вещей. В данном диапазоне работают охлаждаемые тепловизоры.
С помощью LWIR камер можно зафиксировать даже небольшой нагрев материалов, например при забивании гвоздя:
Одно из новейших применений LWIR — определение повышенной температуры у человека (лихорадки). В качестве альтернативы классическим термометрам LWIR камера проверяет людей на повышенную температуру бесконтактно и с безопасного расстояния. Инфракрасные камеры не требуют физического контакта, снижают риск ошибок медперсонала и обеспечивают почти мгновенное считывание. Такая камера недостаточно точна, по сравнению с ртутным градусником, тем не менее, она может быстро идентифицировать людей с повышенной температурой кожи.
Для такого применения в поле зрения камеры должен размещаться излучатель черного тела, откалиброванный при известной температуре, он обеспечивает эталон температуры для большей точности. У смарт-камер IRS Calilux от AT присутствует Smart Blackbody — эта новая разработка является дополнением к инфракрасным камерам и позволяет повысить точность измерения температуры до границ +/- 0,3 градуса.
Резюме: Камеры для ИК диапазона — это не только ночное видение, очень много задач невозможно решить в видимом спектре и они решаются в разных ИК диапазонах и разными камерами.
На какое расстояние освещает ИК-подсветка
Потребителю проще подобрать модель, ориентируясь на указанный в характеристиках радиус действия аппарата. Различают 3 группы:
- Прожектор короткого действия – радиус ограничен 10 м. Устройства монтируют в видеоглазках, в домофонах, на лестничных площадках, в квартирах, в системах дежурной подсветки.
- Прибор средней дальности – на 20–60 м. Применяется для освещения территории возле дома, залов кинотеатра.
- Дальнего действия – радиус достигает 350 м. Прожекторы устанавливают на стадионах, охраняемых складах, площадях, территории коттеджных поселков закрытого типа.
Чем больше радиус действия прибора, тем меньше угол обзора.
ИК ПОДСВЕТКА ДЛЯ КАМЕР ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
Какой бы высокой светочувствительностью не обладала видеокамера, но для организации видеонаблюдения в условиях недостаточной освещенности без дополнительной инфракрасной подсветки не обойтись. Причины, по которым используется ИК диапазон могут быть разными. Видеонаблюдение в инфракрасной области спектра может применяться:
- в случаях, когда использовать искусственное освещение экономически нецелесообразно;
- при необходимости обеспечить скрытность видеонаблюдения;
- на объектах, где недопустимо применение источников видимого света.
Последний момент несколько специфичен, но при организации наблюдения, например, в кинотеатрах во время сеанса он должен быть учтен.
Нужно заметить, что эффективность ИК подсветки зависит, помимо прочего, от чувствительности камеры видеонаблюдения в инфракрасном диапазоне. Дело в том, что в большинстве случаев мы хотим за счет одной видеокамеры осуществлять наблюдение как днем, так и ночью. Причем в светлое время суток требуется получение качественного цветного изображения.
Эти две задачи противоречивы по своей сути. Наличие режима «день-ночь» у цветных камер видеонаблюдения полноценно это противоречие не устраняет. Лучшие результаты дает применение механического ИК фильтра.
На странице про камеры ночного видеонаблюдения есть дополнительная информация в контексте данной статьи.
Конструктивно инфракрасная подсветка реализуется двумя способами:
- встроенная в камеру видеонаблюдения;
- выполненная отдельным блоком (ИК прожектор).
Последний вариант рассматривается ниже, а вот если вы остановили свой выбор на камере со встроенной подсветкой, имейте в виду, что большая дальность подсветки требует соответствующей мощности светодиодов. А большая мощность требует хорошего теплоотвода, иначе видеокамера тривиально перегреется (особенно это касается IP устройств).
Вы видели видеокамеры широкого применения с внешними радиаторами? Поэтому когда я вижу камеру с заявленной дальностью ИК подсветки более 20 метров меня терзают смутные сомненья в ее эффективности.
Как работает ИК-тепловизор?
Принцип съемки такой же. Есть объектив, и чем дальше он расположен от объекта, тем шире охват. При этом качество картинки снижается за счет допустимого разрешения
Главный плюс — не важно, насколько освещено пространство между тепловизором и объектом. Поэтому считается, что расстояние и наличие света (дневного, искусственного) на процесс измерения температуры не влияет
Камера работает иначе, ведь принцип ее действия — обработка отраженного сигнала. Прибор считывает волны, исходящие от объектов различной температуры. Программное обеспечение перерабатывает полученные данные, и выводит на монитор картинку, где каждому цвету соответствует температурный показатель. Устройство работает в температурном диапазоне от -50 до +500 градусов по шкале Цельсия. Это значит, что атмосферные явления в виде осадков никак не препятствуют, и не искажают результаты замеров.
Захватывающие фотомотивы для инфракрасных фотографий
Почему тысячи фотографов рискуют гарантией и сроком службы своих зеркальных фотокамер, чтобы превратить их в полнофункциональную инфракрасную камеру? Ответ очень прост: мир выглядит совершенно иначе, если смотреть на него через инфракрасные лучи. Фотографии приобретают сказочный вид, который невозможно воспроизвести даже с помощью программных фильтров.
Например, растения в конечном итоге будут выглядеть очень яркими и почти белыми при солнечном свете на инфракрасных фотографиях. Это связано с тем, что здесь играет роль хлорофилл, растительный пигмент, который отражает свет в ближнем инфракрасном диапазоне, а также в длинах зеленых волн. Больше отражений может означать только одно: большую степень яркости. И от этого растения выглядят белыми.
Инфракрасные камеры видят мир другими глазами.
С другой стороны, небо выглядит очень темным или даже черным даже днем, что отлично контрастирует с любой растительностью. Причина этого в том, что чистое небо просто не отражает и не излучает инфракрасный свет. С другой стороны, облака очень сильно отражают инфракрасный свет и, таким образом, создают отличный контраст с черным небом. Это делает солнечные дни с видимыми исходными облаками особенно подходящими для инфракрасной фотографии.
Для каких целей применяют?
Перед запуском электрооборудования, и в процессе его эксплуатации, необходимо произвести ревизию. Это необходимо в сфере энергоснабжения. В строительстве и машиностроении измерения производят, чтобы выявить уровень теплопотерь. Также с помощью тепловизора можно определить места утечек газа, нефтепродуктов, других жидкостей и реактивов, транспортируемых по трубам, или хранящихся в емкостях. Многие технологические производственные процессы требуют периодического контроля. А научные исследования и вовсе сложно представить без измерений температур бесконтактным способом.
Вывод
За последние месяцы мы опубликовали несколько статей о ноу-хау, касающихся фотографий со смартфонов, и нам было интересно читать о ненужных функциях и маркетинговой тарабарщине. Как вы считаете, попадает ли для вас режим фотохрома в категорию «уловок»? Или можете ли себе представить, что пользуетесь этой фишкой на регулярной основе? Для нас инфракрасная фотография и OnePlus 8 Pro в любом случае являются небольшим «напоминанием» об удивительном мире, в котором мы живем, и который мы можем воспринимать лишь как малую его часть. Те, кто хотел бы более артистично подходить к работе с камерой, могут попробовать именно этот вариант.
