Тепловізор інфрачервоний
Тепловізор — пристрій для спостереження за розподілом температури досліджуваної поверхні. Розподіл температури відображається як кольорова картинка, де різним температурам відповідають різні кольори. Вивчення теплових зображень називається термографией.
Всі тіла, температура яких вища за температуру абсолютного нуля випромінюють електромагнітне теплове випромінювання у відповідності з законом Планка. Спектральна щільність потужності випромінювання (функція Планка) має максимум, довжина хвилі якого на шкалі довжин хвиль залежить від температури. Положення максимуму у спектрі випромінювання зрушується з підвищенням температури в бік менших довжин хвиль (закон зміщення Віна). Тіла, нагріті до температури оточуючого нас світу (-50..+50 градусів Цельсія) мають максимум випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні (довжина хвилі 7..14 мкм). Для технічних цілей цікавий також діапазон температур до сотень градусів, випромінює в діапазоні 3..7 мкм. Температури близько тисячі градусів і вище не вимагають тепловізорів для спостереження, їх теплове світіння видно неозброєним оком.
Історично перші тепловізійні датчики для отримання зображень були електронно-вакуумними. Найбільший розвиток отримала різновид на основі видиконов з пироэлектрической мішенню. У цих пристроях електронний промінь сканував поверхню мішені. Струм променя залежав від внутрішнього фотоефекту матеріалу мішені під дією інфрачервоного випромінювання. Такі прилади називалися пирикон або пировидикон. Існували також інші типи скануючих електронно-вакуумних трубок, чутливих до теплового спектру інфрачервоного випромінювання, наприклад термикон і фильтерскан.
На зміну электронновакуумным приладів прийшли твердотілі. Перші твердотільні датчики були одноэлементными, тому для отримання двовимірного зображення їх оснащували електромеханічної оптичної розгорткою. Такі тепловізори називаються скануючи. У них система з рухомих дзеркал послідовно проектує на датчик випромінювання від кожної точки спостережуваного простору. Датчик може бути одноелементні, лінійкою чутливих елементів або невеликий матрицею. Для збільшення чутливості та зниження інерційності датчики скануючих тепловізорів охолоджують до кріогенних температур. Кращі охолоджувані датчики здатні реагувати на поодинокі фотони і мають час реакції менше мікросекунди.
Сучасні тепловізори, як правило, будуються на основі спеціальних матричних датчиків температури — болометрів. Вони являють собою матрицю мініатюрних тонкоплівкових терморезисторів. Інфрачервоне випромінювання, зібране і сфокусоване на матриці об'єктивом тепловізора, нагріває елементи матриці у відповідності з розподілом температури спостережуваного об'єкта. Просторове дозвіл комерційно доступних болометричних матриць досягає 1280*720 точок. Комерційні болометры зазвичай роблять неохлаждаемыми для зменшення ціни і розмірів обладнання.
Температурне дозвіл сучасних тепловізорів досягає сотих часток градуса Цельсія.
Розрізняють наглядові та вимірювальні тепловізори. Наглядові тепловізори показують тільки градієнти температур об'єкта. Вимірювальні тепловізори дозволяють виміряти значення температури заданої точки об'єкта з точністю до коефіцієнта випромінювання матеріалу об'єкта. Вимірювальні тепловізори вимагають періодичного калібрування, для чого найчастіше забезпечені вбудованим пристроєм для калібрування матриці, зазвичай у вигляді шторки, температура якої точно вимірюється. Шторка періодично насувається на матрицю, даючи можливість калібрувати матрицю по температурі шторки.
Тепловізор дозволяє побічно судити про температурі об'єкта за його електромагнітному випромінюванню у певному діапазоні інфрачервоного спектру. Однак відхилення оптичних властивостей реальних матеріалів від властивостей ідеального абсолютно чорного тіла ускладнює однозначне перетворення випромінювання, що реєструється тепловізором, в точне значення температури реального об'єкта.
Формула Планка описує залежність випускається тілом електромагнітного випромінювання від температури тіла в ідеальному випадку, тобто у разі т. н. абсолютно черного тела. Однако реальные тела чаще всего отличаются от абсолютно черного тела, обладая индивидуальными свойствами отражения (рассеяния), пропускания (поглощения) и испускания электромагнитных волн. Свойства отражения (рассеяния) и пропускания определяют паразитную засветку объекта измерения от окружающих нагретых предметов, что может приводить к завышению показаний бесконтактного датчика температуры. Свойство поглощения излучения определяет подогрев объекта излучением окружающих нагретых предметов. Различие в свойстве испускания излучения реальных материалов и абсолютно черного тела приводит к занижению показаний температуры.
Нагретый куб Лесли. Видно что черная и белая грани куба имеют высокий коэффициент излучения и тепловизор показывает что грани горячие. А полированная и матовая грани куба сделаны из материала с низким коэффициентом излучения но с высоким коэффициентом отражения, потому в тепловизоре они выглядят холодными и в них отражается тепло руки.
Для демонстрации некоторых проблем определения температуры по излучению был придуман куб Лесли, у которого стороны выполнены из разных материалов. Изображения куба Лесли справа демонстрируют разницу в излучательных и отражательных свойствах разных граней куба при одной и той же температуре куба.
Для численной характеристики оптических свойств материалов, влияющих на уровень излучения от них, введены коэффициент отражения (коэффициент рассеяния), коэффициент пропускания (или коэффициент поглощения) и коэффициент излучения электромагнитных волн. Эти коэффициенты показывают отличия материала от оптически идеального, в частности, коэффициент излучения показывает насколько излучение материала меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Ниже приведена таблица коэффициента излучения некоторых материалов в актуальной для тепловизоров части инфракрасного диапазона.
