Тепловизоры: как превратить человека в пиксель — Naked Science
19 минут
Ростех

Тепловизоры: как превратить человека в пиксель

4.5

На фоне распространения коронавируса в России взлетел спрос на тепловизоры. Теперь они есть практически везде – в офисах, бизнес-центрах, аэропортах, на вокзалах. О том, как дорогостоящий прибор, который «видит» не свет, а тепло на расстоянии до 10 километров, неожиданно стал обыденным элементом повседневности рассказали эксперты Ростеха.

Тепловизоры: как превратить человека в пиксель / ©itc-avikon.ru

Люди почти ничего не видят

Человеческий глаз видит лишь мизерную часть оптического излучения в диапазоне 0,35-0,75 микрона (мкм). При этом оптический диапазон электромагнитного излучения простирается от ультрафиолетовой области, где длина волны составляет 0,1-0,35 мкм, до границ терагерцовой области спектра с длиной волны около 100 мкм.

Наше зрение адаптировалось к волнам такой длины, поскольку именно на этот небольшой интервал приходится максимум солнечного излучения. Увидеть остальную часть оптического диапазона нам помогает техника – ее возможности многократно шире, чем у нашего зрения.

Облик оптических приборов отличается в зависимости от того, в какой части диапазона они работают, хотя создается такая аппаратура по единому принципу. Оптическая система (объектив) формирует изображение на поверхности сенсора (приемника), сенсор преобразует излучение в электрический сигнал, электроника обрабатывает сигнал, строит на его основе изображение и передает на экран.

Тепловизионный прицел «Шахин» производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

Так даже невидимое глазу излучение становится видимым. Любой оптический прибор регистрирует не объект, а его электромагнитное излучение. В диапазоне до 2 мкм преобладает переотраженное от объектов излучение солнца и осветительных приборов. А в невидимом нашему глазу инфракрасном диапазоне, где длина волны превышает 2,5 мкм, превалирует собственное тепловое излучение тел.

Оно возникает за счет хаотичного движения и взаимодействия частиц источника излучения. Все физические объекты – это излучатели со своими уникальными свойствами, а тепловизор – посредник между миром теплового инфракрасного излучения и нашим зрением.

Не стоит путать тепловизоры с приборами ночного видения, которые регистрируют и многократно усиливают переотраженный свет звезд и ночного неба. В абсолютно темном помещении без окон «ночник» будет так же слеп, как человеческий глаз, в отличие от тепловизора, регистрирующего не переотраженное, а собственное излучение тел. Кроме того, тепловизор «видит» не только в полной темноте, но и, частично, сквозь пыль, дым и туман.

Тепловизор как произведение искусства

Существует два промышленно освоенных диапазона, в которых работают тепловизоры: 3-5 мкм (средневолновый инфракрасный диапазон, Middle-Wave Infrared, MWIR) и 8-14 мкм (длинноволновый инфракрасный диапазон, Long-Wave Infrared, LWIR). Тепловизоры, работающие с длинноволновым излучением, оптимальны для наблюдения объектов, имеющих температуру, близкую к температуре окружающей среды.

Тепловизионный прибор «Сыч-5» производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

А тепловизоры средневолнового диапазона ориентированы на излучение объектов с температурой от 300 до 960 градусов Цельсия и выше – это, например, раскаленный слиток металла, разогретая деталь электрощита или сопла двигателя летящего самолета. Приборы для обоих диапазонов выпускает Госкорпорация Ростех. В ее состав входит один из крупнейших российских разработчиков и производителей тепловизоров ⎼ Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» холдинга «Росэлектроника».

Если в оптике видимого диапазона применяются прозрачные стекла, то в инфракрасном диапазоне для производства объективов используются совершенно иные материалы – те, которые хорошо пропускают ИК-излучение: кристаллический полупроводник германий (Ge), а также селенид цинка (ZnSe) и инфракрасное стекло (ИКС).

Инфракрасный калибратор «Сыч-15» производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

В средневолновом инфракрасном диапазоне используются охлаждаемые сенсоры на основе антимонида индия (InSb) или кадмий-ртуть-теллура (КРТ). Их рабочая температура около – 190 градусов Цельсия. Каждый такой приемник – это произведение искусства, холодильная фабрика в миниатюре. Матрица охлаждается с помощью жидкого азота.

При комнатной температуре он находится в газообразном состоянии, но после включения тепловизора запускается «холодильная фабрика», за 5-7 минут температура азота опускается до -196 градусов, он становится жидким, сенсор остужается и прибор выходит на режим.

Охлаждаемый тепловизионный канал производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

А после выключения устройства азот вновь нагревается до температуры окружающей среды, переходит в газообразное состояние и расширяется, создавая давление в 34-36 атмосфер (для сравнения: давление внутри камеры автомобильного колеса составляет 2 атмосферы). Сейчас уже разработаны и высокотемпературные сенсоры – они способны работать при -60 градусах Цельсия. Минимальная цена охлаждаемого тепловизионного приемника составляет 3 миллиона рублей.

В длинноволновом инфракрасном диапазоне арсенал возможных видов приемников больше. Здесь применяются сенсоры на основе КРТ структур, а также используются приемники из арсенида галлия, тоже требующие охлаждения.

«Все охлаждаемые приемники относятся к фотонному типу – они обладают очень высокой чувствительностью, поскольку преобразуют оптическое излучение сразу в электрический сигнал, минуя промежуточные формы энергии. Такие тепловизионные приборы на основе охлаждаемых фотонных сенсоров способны «увидеть» танк на расстоянии 10 километров. Они широко применяются для военных целей – например, в составе авиационных комплексов наблюдения или танковых прицелов», – отмечает технический директор ЦНИИ «Циклон» Василий Бокшанский.

Тепловизионная микроболометрическая матрица производства ЦНИИ “Циклон” (холдинг “Росэлектроника”)​ / ©Пресс-служба Ростеха

Для LWIR диапазона также разработаны микроболометрические сенсоры, радикально отличающиеся от всех прочих, так как не требуют охлаждения. Микроболометр – это тепловой приемник. Здесь оптическое излучение нагревает чувствительную площадку, и она меняет свои электрофизические параметры, в частности, сопротивление. «То есть человек, стоящий в километре от тепловизора, нагревает пиксель матрицы, сопротивление пикселя меняется, что и фиксируется электроникой», – поясняет эксперт Ростеха.

Микроболометры гораздо менее чувствительны, чем фотонные приемники, но и многократно дешевле, ведь они не нуждаются в охлаждении. Кроме того, им не требуется время для выхода на режим – тепловизор с микроболометрической матрицей готов к работе сразу после включения. Для создания микроболометров используют аморфный кремний (α-Si) или оксид ванадия (VOx). Максимальная дальность прибора на основе микроболометрической матрицы не превышает 4 километров. Это наиболее широко использующийся тип сенсоров – на их базе в «Росэлектронике» выпускаются портативные тепловизоры и тепловизионные прицелы.

Бороться с эпидемией и не разориться

На основе микроболометрических приемников построены все поточные тепловизоры, которые встречают нас при входе в офисы, здания аэропортов, вокзалов, торговых центров. Задача аппаратуры ⎼ дистанционно измерить температуру тела в потоке, поскольку жар может быть признаком наличия у человека острой вирусной инфекции.

Германиевая линза тепловизора производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

«Сейчас тепловизионная техника активно используется для борьбы с пандемией коронавируса. Ключевыми поставщиками этого оборудования выступают предприятия Ростеха. Такие тепловизоры обладают очень высокой точностью. Они моментально фиксируют значения температуры у проходящих мимо людей. Эта техника эффективна в местах массового скопления людей, включая вокзалы, аэропорты, проходные различных организаций», – отмечает исполнительный директор Ростеха Олег Евтушенко.

Однако тепловизор сам по себе не является точным измерительным прибором, он лишь формирует тепловое изображение ⎼ термограмму. Для того, чтобы тепловизор начал измерять температуру объектов более точно, необходимо разместить в поле его зрения прибор с эталонной температурой излучающей поверхности – абсолютно черное тело (АЧТ) или калибратор.

Обзорно-наблюдательный прибор «Совенок» производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

АЧТ – это теоретический объект, при любой температуре он поглощает все падающее на него электромагнитное излучение и отдает всю подведенную к нему энергию в виде теплового излучения. В реальном мире АЧТ не существует, но есть близкие к нему инженерные модели. Дорогостоящие калибраторы на их основе способны воспроизводить температуру от –50 до +600 градусов Цельсия.

Естественно, такой диапазон не актуален для санэпидемиологического тепловизионного комплекса, измеряющего температуру тела входящих в здание людей. Для этих целей в «Росэлектронике» создали альтернативу – калибратор «Сыч-15». «Он компактнее, легче и гораздо дешевле приборов на основе АЧТ. Диапазон его рабочих температур – от 30 до 40 градусов Цельсия. Этого вполне достаточно, чтобы тепловизионный комплекс мог дистанционно определять температуру тела в потоке», – отмечает технический директор ЦНИИ «Циклон» Василий Бокшанский.

Тепловизионный прицел для стрелкового оружия крупного калибра 1ПН 139 производства ЦНИИ «Циклон» (холдинг «Росэлектроника») / ©Пресс-служба Ростеха

«Сыч-15» размещается в поле зрения тепловизионной камеры, заданная температура его излучающей поверхности ⎼ например, 37 градусов ⎼ является эталонной. Тепловизор автоматически фиксирует все изображения в поле зрения и сравнивает их с температурой калибратора. При этом погрешность измерений не превышает 0,1 градуса.

Конечно, коронавирус сделал тепловизоры более популярными, но эти приборы применялись и ранее ⎼ для контроля утечек тепла на строительных объектах, определения неисправностей в скрытой проводке, в медицинских, геологических, биологических исследованиях, для поиска заблудившихся людей и скрытых очагов лесных пожаров.

Но сегодня тепловизор пришел если не в каждый дом, то практически в каждый офис. Теперь эти удивительные по своей сложности приборы смотрят на проходящих мимо людей черными германиевыми линзами и в буквальном смысле ищут тепла. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Ростех — российская государственная корпорация, созданная в конце 2007 года для содействия в разработке, производстве и экспорте высокотехнологичной промышленной продукции гражданского и военного назначения. В её составе более 700 организаций, из которых сформировано 14 холдинговых компаний. 11 из них — в оборонно-промышленном комплексе, 3 — в гражданских отраслях промышленности, а также более 80 организаций прямого управления.
10 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Вопрос разработки способов запасания электричества в XXI веке встал невероятно остро — ученые со всего мира ломают голову над тем, как сделать батареи более емкими. Армейская исследовательская лаборатория США добилась успехов в создании тончайших антисегнетоэлектрических пленок из гафната свинца. Это сложное в получении соединение обладает большим потенциалом к применению в аккумуляторах и электрических вентилях.

Вчера, 18:35
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

Вчера, 12:00
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: