Известно, что человеческий глаз может регистрировать электромагнитное излучение лишь в узком диапазоне длин волн, относящихся к видимому свету. Спектр же излучаемых различными объектами фотонов гораздо шире. Много полезных и интересных деталей можно увидеть, если «посмотреть» на живые и неживые объекты в инфракрасном свете.

Такие инфракрасные изображения можно получить с помощью специальных приборов – тепловизоров, которые помогают не только наглядно представить процессы изменения температуры различных тел и измерить ее с высокой точностью, но даже диагностировать заболевания на ранних этапах их возникновения.

Как известно, каждый объект с температурой, отличной от абсолютного нуля, испускает собственное тепловое излучение, характеризующееся непрерывным спектром электромагнитных волн. Поэтому с помощью тепловизионной техники можно получать изображение объектов даже в условиях полной темноты. Еще одно преимущество тепловизоров – возможность наблюдать объекты сквозь дым, пыль, туман и даже тонкий слой полиэтилена (все эти среды прозрачны для инфракрасного излучения с длинами волн свыше 3 мкм).

Тепловизор – это прибор, который получает тепловое изображение в инфракрасной области спектра без непосредственного контакта с оборудованием. Он позволяет увидеть как распределено тепло и холод, откуда и куда они движутся. Тепловизор позволяет увидеть перегревы и промерзания, сквозняки и прочие проблемы.

Тепловизоры применяют в строительстве (для поиска дефектов утепления) и энергетике (для поиска аварийного оборудования), в промышленности, в военных и охранных целях, в научной и исследовательской деятельности. Это возможность увидеть своими глазами то, что видеть человек не может в силу ограниченности возможностей своего зрения. И это знание всегда приносит реальную помощь. Тепловизоры помогают людям не меньше чем микроскопы, телескопы, приборы УЗИ и рентгенодиагностики.

Инфракрасное излучение фокусируется с помощью оптики тепловизора на приемнике излучения, который выдает сигнал, обычно в виде изменения напряжения или электрического сопротивления. Полученный сигнал регистрируется электроникой тепловизионной системы. Сигнал, который дает тепловизор, превращается в электронное изображение (термограмму), которое отображается на экране дисплея.

Термограмма – это изображение объекта, обработанное электроникой для отображения на дисплее таким образом, что различные градации цвета соответствуют распределению инфракрасного излучения по поверхности объекта. Таким образом, термографист может просто увидеть термограмму, которая соответствует тепловому излучению, приходящему с поверхности объекта.

Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Спектральная плотность мощности излучения (функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина).

Тела, нагретые до температур окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия) имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 7..14 мкм). Для технических целей интересен также диапазон температур до сотен градусов, излучающий в диапазоне 3..7 мкм. Температуры около тысячи градусов и выше не требуют тепловизоров для наблюдения, их тепловое свечение видно невооружённым глазом.

Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получила разновидность на основе видиконов с пироэлектрической мишенью. В этих устройствах электронный луч сканировал поверхность мишени. Ток луча зависел от внутреннего фотоэффекта материала мишени под действием инфракрасного излучения. Такие приборы назывались пирикон или пировидикон. Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.

На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической развёрткой.

Такие тепловизоры называются сканирующими. В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.

Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры – болометров. Они представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280*720 точек. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.

Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.

Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий, но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло, селенид цинка. В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли, также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.

Первые тепловизоры созданы в 30-х годах XX века. Современные тепловизионные системы начали своё развитие в 60-е годы XX столетия. Первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получили пириконы (пировидиконы). Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.

Затем появились тепловизоры на твердотельных сенсорах с оптико-механическим сканированием поля зрения, формируемого объективом и одноэлементным приёмником излучения. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всём мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования.

Первые тепловизоры гражданского назначения разрабатывались в СССР для медицинского применения в НПП «Исток» в 1970-х годах. С конца 1970-х началось серийное производство сканирующего тепловизора на охлаждаемом твердотельном датчике ТВ-03. К моменту распада СССР выпускалась широкая гамма тепловизоров гражданского и промышленного назначения.

Тепловизоры военного назначения получили развитие с 1970-х годов первоначально в виде авиационных оптико-локационных станций (ОЛС). К концу 1980-х годов первые серийные тепловизионные прицелы «Агава-2» начали устанавливать и на танках.

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Тепловизоры применяются вооружёнными силами в качестве приборов ночного видения для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации.

Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии.

В современной медицине тепловизор используется для выявления патологий, плохо поддающихся диагностике другими способами, в том числе для обнаружения злокачественных опухолей. С 2008-2009 годов тепловизоры начали также активно использовать для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.

При контроле температуры сложных процессов, характеризующихся неравномерным нагревом, нестационарностью и неоднородностью коэффициента теплового излучения, тепловизоры эффективнее пирометров, поскольку анализ получаемой термограммы или температурного поля осуществляется мощной зрительной системой человека.

Для улучшения достоверности измерения температуры нагреваемых металлов необходимо правильно выбирать спектральный диапазон регистрации теплового излучения. Коэффициент теплового излучения ε металлов, нагреваемых свыше 400 °C, сильно изменяется за счёт окисления их поверхности атмосферным кислородом. Поэтому для регистрации их теплового излучения нужно выбирать участок спектра, в котором влияние неопределённости ε на получаемые показания температуры минимальное.

В тепловизионной технике используют разные участки спектра. При измерении невысоких температур регистрируют тепловое излучение в спектральном участке 8-14 мкм и иногда в области 3-5 мкм. Для измерения температур, превышающих 700 °C, применяют высокотемпературные тепловизоры, использующие матрицы на основе Si или InGaAs, которые чувствительны в ближней инфракрасной области спектра, где коэффициент теплового излучения металлов ε гораздо больше, чем в области 8-14 мкм. При необходимости измерения истинной температуры используют тепловизоры, регистрирующие тепловое излучение в трёх участках спектра.

В 2014 году компания FLIR выпустила кожух для смартфонов Apple, в который вмонтирован тепловизор. В том же году компания Seek Thermal выпустила отдельную тепловизионную камеру для iOS и Android устройств. В феврале 2016 года анонсирован первый смартфон Caterpillar S60 со встроенным тепловизором, разработанным компанией FLIR.

Еще из школьного курса физики все мы знаем, что электромагнитное излучение не ограничивается видимым спектром – существуют еще рентгеновская, ультрафиолетовая и инфракрасная области и радиодиапазон. Также хорошо известно, что каждый объект с температурой, отличной от абсолютного нуля, за счет внутренней энергии испуска¬ет так называемое тепловое излучение с непрерывным распределением по спектру длин волн. Примером естественного теплового излучения может служить свечение раскаленного куска железа. При нормальной температуре этот кусок тоже излучает, однако спектр излучения не затрагивает видимую область.

В физике для расчета теплового излучения принята модель абсолютно черного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана–Больцмана, который первоначально был выведен экспериментально. Его современный вид основан на представлении, что тепловое излучение генерируется в процессе простого гармонического колебания атомных осцилляторов.

Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что:
• излучают, т. е. светятся все тела; это означает, что при помощи тепловизора можно наблюдать объекты в условиях полной темноты, так как тепловизор воспринимает собственное электромагнитное излучение объектов;
• чем выше температура тела, тем ярче оно светится; отсюда следует про¬стой алгоритм интерпретации теплового излучения на экране тепловизора: чем выше температура наблюдаемого объекта, тем ярче данный объект;
• при температурах от –30 до +100 °С спектр излучения тел попадает на диапазон 6–16 мкм, поэтому этот диапазон оптимален для наблюдения таких объектов, как люди, животные и деревья, здания, автомобили и т.д. В то же время для тепловизионных головок самонаведения, нацеленных на нагретые двигатели самолетов, оптимален диапазон 3–5 мкм.

Еще одним преимуществом тепловизоров, помимо способности видеть в полной темноте, является возможность наблюдать объекты сквозь дым, пыль и туман – все эти среды прозрачны для инфракрасного излучения с длинами волн более 3 мкм. Дело в том, что размер частиц пыли, дыма и мелких капель воды в тумане меньше длин волн электромагнитного излучения, поэтому волны попросту огибают находящиеся в воздухе частицы. Можно наблюдать объекты и сквозь небольшой слой полиэтилена.

И напротив, не все вещества, прозрачные в видимом диапазоне, являются такими же для инфракрасного излучения, например, слой воды толщиной в несколько сантиметров или обычное оконное стекло. Поэтому для изготовления тепловизионных объективов применяются особые материалы, такие как германий.

Следует иметь в виду, что закон Стефана-Больцмана справедлив только для абсолютно черных тел. Излу¬чение реальных тел подчиняется закону излучения Кирх¬гофа: отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы. А так как реальные тела имеют поглощательную способность меньше единицы, то они, соответственно, имеют и меньшую излучательную способность.

Следовательно, интенсивность излучения для тел с разной шероховатостью поверхности при одной и той же температуре будет разной. Благодаря этому возможно различать объекты, имеющие одинаковую температуру, например, рельеф местности и деревья.

Нередки случаи, когда интенсивность излучения более нагретого тела оказывается меньшей по сравнению с интенсивностью менее нагретого тела. Примером может служить полированный металлический чайник, из которого горячая вода наливается в стакан.

Таким образом, для определения температуры поверхности тела по его тепловому изображению необходимо знать коэффициент поглощения тела, т. е. просто «знать, на что смотришь». Зависимость коэффициента поглощения того или иного тела от температуры определяется заранее экспериментально либо вычисляется теоретически и в дальнейшем хранится в памяти тепловизора.

Медицинские тепловизоры оптимизированы для измерения температуры человеческого тела. Соответственно, они непригодны для определения реальной температуры, к примеру, бетонной стены. В приборах, предназначенных для энергоаудита, для относительно точного измерения температуры предусмотрен выбор типа наблюдаемой поверхности – металлическая или пластиковая труба, бетонная или деревянная стена и т.д.

Существует еще ряд подобных приборов для научных исследований, для контроля и автоматизации технологических процессов, для поиска утечек газа и т.п. Все такие устройства относятся к классу измерительных тепловизоров.

Следующий класс – тепловизионные приборы наблюдения, предназначенные для наблюдения за местностью. К ним относятся тепловизоры, используемые в поисковых и спасательных операциях, в охране, а также автомобильные и прицелы. В поле зрения этих приборов могут попадать одновременно самые разные объекты с различными коэффициентами поглощения и температурами поверхности, поэтому они не оптимизированы для измерения температур, а просто отображают на экране «все, что видят».

На экранах измерительных тепловизоров традиционно используется цветовое представление тепловой картины. Объекты с меньшей интенсивностью излучения обычно окрашиваются в холодные цвета, с большей интенсивностью излучения – в теплые. Зеленый цвет и промежуточные оттенки обычно используются для отображения объектов со средней интенсивностью излучения. Такая цветовая интерпретация позволяет наглядно показать температуру объектов. В приборах наблюдения обычно приводится монохромное изображение наблюдаемой сцены, на котором лучше видны детали, поскольку современные мониторы лучше всего передают оттенки именно серого цвета.

Основным элементом каждого тепловизора является тепловизионный фотоприемник – устройство, преобразующее поток излучения в электрические сигналы изображения.

В настоящее время наибольшее распространение получили фотоприемники в диапазонах 8–14 и 3–5 мкм. Из-за непрозрачности атмосферы в области длин волн 5–8 мкм и выше 14 мкм детекторы для этих диапазонов применяются только на космических аппаратах. Одновременно оба диапазона также не используются – это связанно с трудностью изготовления соответствующих объективов.

По принципу действия фотоприемники делятся на два типа – фотонные и тепловые. Фотонные приемники обеспечивают получение изображения за счет фотоэффекта, преобразования падающего потока фотонов в электрический сигнал при взаимодействии фотонов с электронной подсистемой материала приемника. Принцип их действия аналогичен фотоприемникам видимого диапазона с некоторыми отличиями, одно из которых заключается в необходимости охлаждения.

Дело в том, что при комнатной температуре собственные внутренние шумы фотоприемника при детектировании фотонов с низкой энергией значительно превышают полезный сигнал, т.е. фотоприемник в этом случае изменяет собственное тепловое излучение. Уровень шума зависит от температуры, поэтому фотоприемник необходимо охлаждать до температуры, при которой внутренние шумы уменьшаются до приемлемого уровня. Для понижения температуры могут применяться различные методы: охлаж¬дение жидким азотом или сжиженным гелием, термоэлектрическое охлаждение на эффекте Пельтье и т.д.

Принцип действия не требующих охлаждения тепловых фотоприемников основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры за счет поглощения приходящего излучения. Наибольшее распространение среди тепловых фотоприемников получили болометры, использующие изменение сопротивления тонкой металлической, полупроводниковой или сверхпроводящей пленки при нагреве.

При проектировании тепловизионных систем ранее традиционно использовались фотонные фотоприемники, поскольку до недавнего времени технологии не позволяли серийно производить неохлаждаемые детекторы с достаточной чувствительностью. Однако за последние годы ситуация резко изменилась, и сейчас большая часть тепловизоров разрабатывается на неохлаждаемых детекторах, которые имеют меньшее энергопотребление, меньшие габариты и массу, относительную простоту кон¬струкции.

Тепловизоры на неохлаждаемых фотоприемниках имеют больший ресурс и обладают большей надежностью, при этом имеют на порядки меньшую стоимость по сравнению с приборами на фотонных детекторах. К недостаткам относятся меньшая чувствительность и быстродействие. Поэтому там, где требуется большая чувствительность и высокая скорость измерений, до сих пор используются фотонные фотоприемники.

Развитие тепловизионной техники, как и электроники в целом, не стоит на месте. Постоянно происходит совершенствование тепловизионных детекторов, что приводит к улучшению их технических характеристик на фоне удешевления. Дорого¬стоящие германиевые объективы постепенно заменяются недорогими полимерными.

Все это приводит к расширению сфер применения тепловизоров: если в прошлом веке они были доступны только научным лабораториям и военным, то теперь практически любой желающий может купить прибор для анализа тепло¬вых потерь в зданиях, охранную тепловизионную камеру или прибор наблюдения.

Вероятно, в ближайшее десятилетие тепловизионными приборами наблюдения будут массово оснащаться грузовые автомобили и автобусы, как это произошло с устройствами спутниковой навигации. А наличие тепловизионного детектора станет обычной опцией для планшета или мобильного телефона.