Konstrukce termokamery

Konstrukce termokamery je principiálně stejná, jako konstrukce digitálnáho fotoaparátu. Optika (spojka z Germánia), která funguje zároveň jako filtr (tj. selektuje jen část elektromagnetického spektra, která je důležitá z hlediska bezdotykového měření teploty), soustředí domadající elektromagnetické záření.

Blokové schéma termokamery můžeme rozdělit na tyto tři části:

  • Optika
  • Detektor
  • Elektronika pro zpracování a prezentaci obrazu
Blokové schema termokamery

Optika

Optikou termokamer je téměř výhradně v současné době spojka z germánia bez možnosti optického zoomu. Zákony optiky jsou stejné jako třeba u skleněné čočky, liší se pouze použitý materiál. Na povrchu čočky je navíc nanesena antireflexivní vrstva, která zabraňuje odrazu infračerveného záření na povrchu čočky. Dochází tak ke zvýšení její propustnosti až na 90% a vice.

Na blokovém schématu kamery si všimňte, že funguje zároveň jako filtr. Tj. jak je znázorněno na obrázku, na povrch čočky dopadá elektromagnetické záření všech vlnových délek (modrá šipka) a optika propuští jen záření požadovaných vlnových délek.

Detektor

Detektor infračerveného záření převádí dopadající infračervené záření na elektrický signál, který je další elektronikou převeden ve výsledný termogram, který je prezentován uživateli termokamery jako výsledek měření.

Z hlediska principu funkce rozlišujeme dva základní typy detektorů: tepelné a fotonové.

Tepelné detektory fungují na principu změny elektrických vlastností v závislosti na intenzitě dopadajícího infračerveného záření. Príkladem je tzv. mikrobolometr, který mění elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího záření (doslova se dopadajícím zářením ohřívá). Tzv. mikrobolometrické pole, což je velké množství mikrobolometrů rozmístěných do 2D pole (o délce hrany nejobvykleji 1 až 2 cm), je dnes nejčastějším typem detektoru u termokamer a setkáme se s ním minimálně v 95 % případů. Výjimkou jsou především nejdražší termokamery, používané pro výzkumné účely, kde může být osazen fotonový detektor za účelem zvýšení jeho citlivosti.

Fotonové detektory pracují, zjednodušeně řečeno, na principu počítání fotonů, tj. kvant elektronového záření. Jsou výrazně citlivější, než tepelné detektory, ale vyžadují chlazení. Termokamera s fotonovým detektorem je tedy mnohem těžší než s tepelným detektorem, právě z důvodu nutnosti chlazení detektoru.

Mikrobolometrické pole, nejčastější typ detektoru Mikrobolometrické pole
je typ tepelného detektoru, který mění svůj elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího infračerveného záření. Mikrobolometrické pole se skládá z řady malých detektorů (mikrobolometrů), jak je znázorněno na obrázku vlevo. Zde je nakreslen jednak mikrobolometr (horní obrázek), jednak snímek z elektronového mikroskopu, který ukazuje rozmístění mikrobolometrů do mikrobolometrického pole. Tento typ tepelného detektoru je v současné době u termokamer nejobvyklejší. Jedná se o termokamery s teplotní citlivosti do cca 30 mK a spektrálním rozsahem 8µ až 14µ.

Dalším důležitým rozdílem mezi tepelnými detektory a fotonovými je spektrální citlivost. Zatímco tepelné detektory jsou širokopásmové, fotonové detektory jsou úzkopásmové a jsou schopny detekovat záření jen v úzkem rozsahu vlnových délek.

Spektrální citlivost různých typů infračervených detektorů Spektrální citlivost
u detektorů infračerveného záření je závislá na typu detektoru. Zatímco tepelné detektory jsou širokopásmové (horizontální, přerušovaná čára v grafu), fotonové detektory jsou úzkopásmové a pásmo citlivosti je odlišné v závislosti na jejich typu, viz např. detektory InSb, InAs, QWIP a průběh jejich spektrální citlivosti v grafu. Všimněte si, že v poměrně úzkém pásmu vlnových délek jsou fotonové detektory citlivější než tepelné.

Následující tabulka shrnuje základní odlišnosti mezi fotonovými a tepelnými detektory. Zjednodušeně lze říci, že jsou to také odlišnosti mezi termokamerami s kvantovými a tepelnými detektory.

vlastnost fotonový detektor tepelný detektor
spektrální citlivost omezená široká
citlivost vysoká nízká
časová konstakta velmi krátká (cca µs) střední (cca ms)
nejčastější typ PtSi a InSb, QWIP mikrobolometr
pracovní teplota nizká (nutné chlazení) pokojová (lze chladit)
cena vysoká nízká

Elektronika pro zpracování a prezentaci obrazu

Dopadající infračervené záření vyvolává na detektoru záření elektrický signál. Například tak, že dojde vlivem oteplení ke změně elektrického odporu, jako v případě již zmiňovaného mikrobolometru. Změna elektrického odporu je dalšími obvody převedena na elektrický signál.

Bez dalších obvodů a složitých algoritmů v rámci výkonného mikroprocesu, které zajišťují zpracování takto vznihlého signálu, autokalibraci kamery, korekci obrazu apod., by výsledky měrení nebyly prakticky použitelné. Kvalitní termokameru poznate tak, že výsledný obraz je, zjednodušeně řečeno, jasný o ostrý.

Na obrázku (vlevo) můžete porovnat, jak by vypadal výsledek měření termokamerou – termogram, kdyby korekce výsledků měření nebyla dostatečná. Pro srovnání je vpravo termogram, kde je již korekce dostatečná. Kvalitního výrobce termokamer poznáte tak, že výsledné termogramy vypadají jako vlevo, nikoli jako vpravo.

Termogram bez dostatečné korekce

Další informace o konstrukci termokamer se můžete dozvědět na některém ze školení v Centru termografie.

Další informace: přehled školení v Centru termografie.
Popisek webu