Różnica między detektorami termicznymi na podczerwień, tlenkiem wanadu (VOX) i polikrzemem

Kamera termowizyjna na podczerwień składa się głównie z trzech części: detektora, procesora sygnału i układu optycznego. Głównym elementem jest detektor podczerwieni.

Detektory podczerwieni

Główne technologie detektorów podczerwieni to amerykański tlenek wanadu (VOX) i francuski polisilikon. Na zdjęciu obu, VOX jest lepszy od polisilikonu, obraz jest delikatny i warstwowy. Na ekranie polisilikonu będą niewielkie pionowe paski. Jeśli chodzi o efekt użytkowania, można użyć tego samego poziomu polisilikonu, jaki można zobaczyć w przypadku tlenku wanadu. Jednak pod względem ceny, ogólnie rzecz biorąc, możliwe jest uzyskanie wydajności 90% polisilikonu z ruchem tlenku wanadu w cenie 60%. To jest zaleta polisilikonu.

Detektor używany przez FLIR to samodzielnie opracowany detektor podczerwieni z tlenku wanadu. W Chinach, ze względu na ograniczenia wprowadzania technologii, koszt detektorów z tlenku wanadu jest stosunkowo wysoki, a otwartość technologii niska. Krajowe firmy niezależnie opracowały detektory, ale nie są one tak dobre jak importowany sprzęt pod względem skuteczności i jakości. Koszt detektora determinuje rozwój branży obrazowania termicznego w podczerwieni.

Obiektyw termowizyjny na podczerwień

Soczewka kamery termowizyjnej jest zwykle wykonana ze szkła germanowego. Współczynnik załamania światła tego szkła jest bardzo wysoki. Jest ono przezroczyste tylko dla światła podczerwonego, ale nieprzezroczyste dla światła widzialnego i ultrafioletowego, dzięki czemu może oddzielać rośliny i zwierzęta w bardzo ciemnym otoczeniu. Soczewka zwykłego aparatu jest wykonana ze szkła optycznego, a jego główną funkcją jest załamywanie światła, co można również nazwać powiększaniem obiektów. Ogólne szkło optyczne jest sztucznie syntetyzowane. Soczewki kamery termowizyjnej na podczerwień są porównywane ze zwykłymi rozproszonymi elementami metalowymi germanu stosowanymi w zwykłych obiektywach aparatów. Chociaż rezerwy w naturze nie są niskie, wydobycie germanu o wysokim stężeniu jest bardzo trudne. Dlatego koszt produkcji soczewek germanowych jest wyższy i są one sprzedawane na rynku. Cena jest często wyższa niż cena zwykłych obiektywów aparatów.

Ważne parametry obrazowania termicznego w podczerwieni

Jako typowy sprzęt aplikacyjny high-end, dzięki ciągłemu ulepszaniu procesu produkcyjnego, wydajność wszystkich aspektów kamery na podczerwień została dziś znacznie ulepszona. Oto systematyczny wstęp do głównych parametrów kamery na podczerwień.

Typ detektora: Główną technologią ruchu jest amerykański tlenek wanadu (VOX) i francuski polisilikon. Na zdjęciu obu, VOX jest zdecydowanie lepszy od polisilikonu, obraz jest delikatny i warstwowy. Na ekranie polisilikonu będą niewielkie pionowe paski. Jeśli chodzi o efekt użytkowania, można użyć tego samego poziomu polisilikonu, jakiego oczekuje się od tlenku wanadu. Jednak pod względem ceny, generalnie możliwe jest uzyskanie wydajności 90% polisilikonu z ruchem tlenku wanadu w cenie 60%. To jest zaleta polisilikonu. Skok pikseli: Im mniejszy skok pikseli, tym więcej pikseli będzie i tym większe będzie pole widzenia, gdy zostanie użyty obiektyw o tej samej ogniskowej. Ogólnie rzecz biorąc, 17UM jest najmniejszy, efekt jest najlepszy, następnie 25UM i 35UM. Generalnie 25UM jest wystarczające. Im mniejszy jest rozstaw pikseli, tym wyższa jest czułość termiczna.

Czułość termiczna

Można ją po prostu zdefiniować jako minimalną temperaturę, przy której instrument lub obserwator może dokładnie odróżnić promieniowanie docelowe od tła. Im mniejsza wartość czułości termicznej, tym wyższa czułość termiczna. Ponadto, im wyższa czułość termiczna, tym jaśniejszy obraz.

Pole widzenia

Jest to skrót od pola widzenia układu optycznego, które reprezentuje zakres przestrzenny, jaki można uzyskać w przysłonie polowej płaszczyzny obrazu układu optycznego. Gdy obiekt znajduje się w dowolnym punkcie (w pewnej odległości) stożka, którego oś optyczna jest osią, a kąt wierzchołkowy jest polem widzenia, można go znaleźć za pomocą układu optycznego, to znaczy obraz jest uzyskiwany w przysłonie polowej płaszczyzny obrazu układu optycznego. Maksymalny kąt otwarcia przestrzeni obiektu, jaki korpus może uzyskać w kamerze termowizyjnej, nazywa się polem widzenia, które jest na ogół polem widzenia matrycy ao×βo. Podobnie jak w przypadku efektywnych pikseli kamery CCD. Im większe pole widzenia, tym wyższa przejrzystość obrazu.

Odpowiedź widmowa

Odnosi się to do zakresu odpowiedzi kamery termowizyjnej na widmo podczerwieni. Zwykle istnieją dwa zakresy odpowiedzi widma średniej podczerwieni i widma dalekiej podczerwieni. Widmo dalekiej podczerwieni (8,0–14,0 μm) jest lepsze, ponieważ długość fali widma średniej podczerwieni (3,0–8,0 μm) jest stosunkowo krótka i niełatwo jest przeniknąć niektóre materiały, co ostatecznie uniemożliwia normalne obrazowanie.

Zakres temperatur pola

Zakres temperatury pola odnosi się do najwyższej temperatury, jaką kamera termowizyjna może wyczuć, rejestrując obraz. Gdy obiekt przekroczy tę temperaturę, kamera nie będzie w stanie dawać obrazów krawędziowych. Jest to podobne do zjawiska przesycenia światłem w zwykłych kamerach CCD. Im wyższy zakres temperatury, tym szerszy zakres dynamiki obrazu kamery termowizyjnej.

Aby ułatwić czytelnikom identyfikację powyższych parametrów, przyjrzyjmy się parametrom pewnej serii kamer termowizyjnych FLIR:

Typ detektora: niechłodzony tlenek wanadu; odstęp pikseli: 17 lub 25μm; czułość termiczna: <50mk;

Pole widzenia (format matrycowy): 320×240;

Odpowiedź widmowa (widmowa odpowiedź): 7,5-13,5 μm, indukcja dalekiej podczerwieni (LWIR); zakres temperatur sceny: do 150°C, do 560°C (opcjonalnie);

Inne ważne parametry

1. Szybkość klatek Szybkość klatek odnosi się do liczby obrazów, które mogą zostać uchwycone, przetworzone i wyświetlone przez kamerę termowizyjną w ciągu 1 sekundy. Im szybsza reakcja czujnika i wyższa prędkość przetwarzania obwodu wewnętrznego, tym większą szybkość klatek można osiągnąć. Kamera termowizyjna o wysokiej szybkości klatek nadaje się do rejestrowania rozkładu pola temperatury szybkich obiektów. Jest bardziej odpowiednia do badań naukowych i wojskowych.
2. Tablica pikseli i odstęp pikseli Obecne detektory termowizorów podczerwieni to niechłodzone detektory płaszczyzny ogniskowej. Podczas procesu produkcyjnego tablica jednostek czujnikowych jest przetwarzana na materiałach z tlenku wanadu lub polikrzemu. Pomiędzy każdą jednostką znajduje się tablica jednostek czujnikowych. Pewna odległość.
3. Dokładność pomiaru temperatury Dokładność odnosi się do stosunku maksymalnego błędu pomiaru temperatury przez kamerę termowizyjną do zasięgu urządzenia, gdy kamera termowizyjna jest korygowana pod kątem warunków otoczenia, temperatury, wilgotności, odległości i emisyjności.
4. Tryb wyświetlania Według specjalistów ten punkt zazwyczaj odnosi się do tego, czy wyświetlacz na ekranie kamery termowizyjnej jest czarno-biały czy pseudokolorowy.
5. Zakres pomiaru temperatury W przypadku kamer termowizyjnych podczas normalnej pracy zawsze będzie istniał pewien zakres pomiaru temperatury, który odnosi się do zakresu wartości minimalnej i maksymalnej temperatury pomiaru. 6. Rozdzielczość temperatury Rozdzielczość temperatury odnosi się konkretnie do ważnego wskaźnika parametru kamery termowizyjnej na podczerwień. Rozdzielczość temperatury odnosi się do czułości detektora na zmianę temperatury mierzonego obiektu. Im mniejsza rozdzielczość temperatury, tym lepiej. Pomiar i pomiar rozdzielczości temperatury są wykonywane w określonych warunkach.

Dzisiaj chciałbym Wam głównie wyjaśnić, na czym polega główna technologia tego mechanizmu – różnica pomiędzy amerykańskim tlenkiem wanadu (VOX) a francuskim polisilikonem.

Niechłodzony termowizor wykorzystujący detektor płaszczyzny ogniskowej z tlenku wanadu jest stosunkowo nowym typem termowizora w Chinach. W porównaniu z polisilikonem, detektor płaszczyzny ogniskowej z tlenku wanadu ma lepszą jakość obrazu i czułość, a także może lepiej spełniać różne wymagania. W przeszłości produkowane w kraju kamery termowizyjne wykorzystywały głównie bolometry polisilikonowe.

Cechy polisilikonowego detektora podczerwieni
Polikrzem jest formą pierwiastkowego krzemu. Gdy stopiony pierwiastkowy krzem krzepnie w warunkach przechłodzenia, atomy krzemu układają się w wiele jąder krystalicznych w formie sieci diamentowej. Jeśli te jądra krystaliczne rozrastają się w ziarna krystaliczne o różnych orientacjach płaszczyzny krystalicznej, te ziarna krystaliczne łączą się, aby krystalizować w polikrzem. Polikrzem jest znany jako „kamień węgielny” przemysłu mikroelektronicznego i przemysłu fotowoltaicznego. Jest to produkt high-tech, który obejmuje wiele dyscyplin i dziedzin, takich jak przemysł chemiczny, metalurgia, maszyny, elektronika itp. Jest ważnym fundamentem dla przemysłu półprzewodników, układów scalonych na dużą skalę i ogniw słonecznych. Surowce są niezwykle ważnymi produktami pośrednimi w łańcuchu przemysłu produktów krzemowych. Jego poziom rozwoju i zastosowania stał się ważnym wskaźnikiem wszechstronnej siły narodowej kraju, siły obronności narodowej i poziomu modernizacji. Wiadomo, że obecnie jest bardzo niewielu krajowych producentów produktów polikrzemowych, którzy są dalecy od możliwości sprostania szybkiemu rozwojowi krajowego przemysłu mikroelektroniki i ogniw słonecznych. Wraz z rozwojem przemysłu układów scalonych, produkcji płytek krzemowych i ogniw słonecznych w moim kraju, polikrzem cieszy się ogromnym popytem na rynkach krajowych i międzynarodowych, a jego cena nadal rośnie.

Cechy detektora podczerwieni z tlenku wanadu

(1) Zastosowanie zaawansowanego, niechłodzonego bolometru (tlenku wanadu) z detektorem płaszczyzny ogniskowej;

(2) Rozmiar detektora wynosi 324×256, co pozwala lepiej spełnić wymagania systemu telewizyjnego PAL;

(3) Powierzchnia pojedynczego elementu światłoczułego detektora jest niewielka (rozstaw 38 μm), co pozwala na zmniejszenie objętości i masy układu termowizyjnego;

(4) Czułość detektora jest wyższa. Przy f/1,6 NETD może osiągnąć 85 mK. Przy f/1,0 jego NETD jest równoważne 35 mK, co jest wartością zbliżoną do ogólnego detektora chłodzonego. Dlatego kamera termowizyjna ma większą odległość wykrywania i rozpoznawania;

(5) Wewnątrz zastosowano dobry obwód kompensacji nierównomierności, więc nie ma potrzeby stosowania chłodnicy termoelektrycznej (TEC) w celu stabilizacji temperatury roboczej płaszczyzny ogniskowej. W zakresie temperatur roboczych (-40~+75℃) obraz termiczny Instrument ma dobrą jednorodność obrazu i zakres dynamiczny;

(6) Ponieważ TEC nie jest używany, kamera termowizyjna ma dwie główne cechy: szybki rozruch i niskie zużycie energii. Dzięki czasowi pracy 2 s kamera termowizyjna może być włączona i używana w dowolnym momencie bez czekania. Pobór mocy rdzenia kamery termowizyjnej można zmniejszyć do 1,5 W, co wydłuża czas pracy akumulatora; (7) Z funkcją 2-krotnego zoomu cyfrowego;

(8) Nowa funkcja przetwarzania obrazu poprawia jego przejrzystość i umożliwia generowanie obrazów pseudokolorowych

Krótko mówiąc, główną zaletą detektorów tlenku wanadu jest to, że mają one wyższą wydajność konwersji fotoelektrycznej dla światła podczerwonego. W porównaniu z detektorami polisilikonowymi mają wyższy stosunek sygnału do szumu i silną ochronę przed światłem. Detektor tlenku wanadu ma dobrą stabilność temperaturową, długą żywotność i mały dryft temperaturowy.

Ruch tlenku wanadu ma lepszą jakość obrazu i czułość niż ruch polikrzemu, dzięki czemu kamera termowizyjna ma większą odległość wykrywania i rozpoznawania. Niskie zużycie energii, szybkie uruchamianie i gotowość do użycia po uruchomieniu. Definicja obrazu jest 3 razy większa niż w przypadku ruchu polikrzemu. Czułość wykrywania temperatury tlenku wanadu może osiągnąć 0,03℃, podczas gdy ruch polikrzemu może osiągnąć tylko 0,1℃. Jednocześnie ruch tlenku wanadu jest dłuższy i trwalszy niż ruch polikrzemu. Niechłodzona kamera termowizyjna wykorzystująca detektor płaszczyzny ogniskowej tlenku wanadu jest stosunkowo nowym typem kamery termowizyjnej w Chinach. W porównaniu z polikrzemem materiał tlenku wanadu ma lepszą jakość obrazu i czułość i może lepiej spełniać różne wymagania. W przeszłości kamery termowizyjne produkowane w kraju wykorzystywały głównie polikrzem.

Jednak wielu producentów używa wskaźników, aby wprowadzić konsumentów w błąd. Ponieważ detektory tlenku wanadu mają zazwyczaj 336X256 pikseli, podczas gdy detektory polikrzemowe mają nominalnie 384X288 pikseli, więc jeśli chodzi o wskaźniki produktu, detektory polikrzemowe mają wyższe wskaźniki niż detektory tlenku wanadu. Ale w rzeczywistości, sądząc po powyższym efekcie porównania, detektor tlenku wanadu z tym samym obiektywem jest znacznie lepszy niż detektor polikrzemowy.
　　

Na przykład, dwupasmowa termowizja dedykowana do pomiaru temperatury i ostrzegania w celu ochrony przed pożarami lasów jest zazwyczaj umieszczana w lesie i innych środowiskach terenowych, więc ma wyższe wymagania dotyczące jakości i skuteczności ruchu. Jeśli zostanie użyty niedrogi ruch polisilikonowy, może nie być odpowiedni dla dzikich. Surowe środowisko ulegnie zmianie, a źródła ognia nie można znaleźć w czasie, gdy różnica temperatur nie będzie duża, co spowoduje duże straty w obszarze leśnym. Dlatego ruch tlenku wanadu jest ostatecznie używany do rozwiązania tych problemów.
　

Oprócz tego, w porównaniu z polisilikonem, sam mechanizm tlenku wanadu ma również pewne unikalne zalety: wewnątrz zastosowano dobry obwód kompensacji nierównomierności, więc nie ma potrzeby stosowania chłodnicy termoelektrycznej (TEC) w celu stabilizacji temperatury roboczej płaszczyzny ogniskowej. W zakresie temperatur roboczych (-40~+75℃) kamera termowizyjna ma dobrą jednorodność obrazu i zakres dynamiki; ponieważ TEC nie jest używany, kamera termowizyjna ma dwie cechy: szybkie uruchamianie i niskie zużycie energii. Dzięki czasowi pracy 2 s kamera termowizyjna może być włączona i używana w dowolnym momencie bez czekania. Zużycie energii rdzenia kamery termowizyjnej można zmniejszyć do 1,5 W i ma funkcję 2-krotnego zoomu cyfrowego.

Wraz z rozwojem technologii obrazowania termicznego wymagania ludzi stają się coraz wyższe, a wymagania dotyczące różnicy temperatur, trwałości ruchu i przejrzystości obrazu są niemal rygorystyczne. Tradycyjny ruch polisilikonowy był używany w sprzęcie zabezpieczającym. Nie jest dominujący, a tlenek wanadu może nadrobić niedociągnięcia ruchu polisilikonowego i ma swoje własne unikalne zalety. Zajął już kluczową pozycję na rynku zabezpieczeń.