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
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
«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.
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.
«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.
