سوق التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء يسير على قدم وساق: خفض التكلفة، والتوحيد القياسي، والذكاء

كانت تكنولوجيا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء تُستخدم في السابق فقط للتطبيقات المتطورة مثل الدفاع الوطني والجيش، ولكن في العقود القليلة الماضية، أصبحت تدريجيًا تقنية أكثر انتشارًا. مع تزايد شعبية كاميرات التصوير الحراري المحمولة في تطبيقات الصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها الكهربائية، هناك وعي متزايد بالفوائد الصناعية لهذه التكنولوجيا.

في عام 2020، واجهنا وباء التاج الجديد مرة أخرى، وتدفق عدد كبير من حلول التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء إلى السوق بشكل منطقي. تُستخدم تقنيات وكاميرات استشعار التصوير الحراري المختلفة للكشف عن الحرارة، على الرغم من أن مستشعرات التصوير الحراري تقنيًا يمكنها فقط قياس درجة حرارة سطح الجلد.

ومع ذلك، يظل التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء غامضًا بالنسبة للعديد من المستخدمين النهائيين. حتى أكثر الموظفين مهارة قد يكونون في حيرة من أمرهم بالنسبة لتقنيات التصوير بالضوء غير المرئي. وهذا ليس بالأمر غير المعتاد، حيث يفتقر البشر إلى القدرة البصرية على إدراك درجة الحرارة بصريًا.

لفهم أداء كاميرات الأشعة تحت الحمراء وكاميرات التصوير الحراري بشكل أفضل، يجب على المستخدمين فهم كيفية عمل كاميرات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء والفيزياء المعنية. على عكس كاميرات الرؤية الآلية القياسية التي تعمل في الطيف المرئي (نطاق 400 نانومتر إلى 700 نانومتر)، تغطي كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقنية التصوير الحراري نطاقًا طيفيًا أوسع، والذي ينقسم إلى ثلاثة نطاقات رئيسية: 0.9 ميكرومتر إلى 1.7 ميكرومتر ينتمي النطاق إلى الموجات القصيرة الأشعة تحت الحمراء (SWIR)، ينتمي النطاق من 3 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر إلى الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (MWIR)، وينتمي النطاق من 8 ميكرومتر إلى 14 ميكرومتر إلى الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (LWIR).

يتم تعريف النطاقات الطيفية في المقام الأول من خلال خصائص تكنولوجيا الكاشف في أنواع مختلفة من الكاميرات. تأتي النطاقات الطيفية من الأطوال الموجية الحساسة لمادة الكاشف. اعتمادًا على المبادئ العلمية، قد تصنف الأدبيات الفيزيائية التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بطرق مختلفة.

مقدمة موجزة للأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة

يجمع LWIR الضوء في النطاق الطيفي الذي يتراوح من 8 ميكرومتر إلى 14 ميكرومتر، وهو نطاق الطول الموجي لكاميرات التصوير الحراري الأكثر توفرًا. في الواقع، وفقًا لقانون بلانك، تنبعث الأهداف الأرضية بشكل أساسي في LWIR. تشمل تطبيقات نظام LWIR التصوير الحراري/التحكم في درجة الحرارة، والصيانة التنبؤية، واكتشاف تسرب الغاز، وتصوير المشهد عبر نطاق درجة حرارة واسع جدًا (ويتطلب نطاقًا ديناميكيًا واسعًا)، وتصوير الدخان، وما إلى ذلك... وهما الأكثر استخدامًا لأجهزة الكشف غير المبردة في LWIR عبارة عن سيليكون غير متبلور (a-Si) وأكسيد الفاناديوم (VOx)، في حين أن الكاشفات المبردة في هذه المنطقة هي بشكل أساسي HgCdTe.

المقاييس الدقيقة: تقنية تصوير حراري أكثر اقتصادا

يتجلى التأثير الحراري الحقيقي في درجة حرارة الغرفة وما دونها في نطاقات 3μm وما فوق. غالبًا ما تُعتبر أجهزة التصوير القادرة على التقاط هذه التأثيرات الحرارية كاميرات حرارية حقيقية. مصطلح "كاميرا الأشعة تحت الحمراء" لا يشير فقط إلى هذا الجزء من أجهزة التصوير الحراري - حيث أن معظم الإشارات التي تلتقطها تأتي من الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة.

يمكن أيضًا استخدام كاشفات MWIR في التصوير الحراري. ومع ذلك، لديهم عيب مشترك، وهو أنها مكلفة للغاية. يبلغ متوسط سعر البيع لجهاز كشف 640 × 512 بكسل حوالي 70,000 دولار. هذه الكاشفات باهظة الثمن لأنه يجب تبريدها إلى حوالي 75 ألفًا (أو -198.15 درجة مئوية). مادة الكاشف نفسها حساسة جدًا للإشعاع الحراري، مما يتسبب في تشبع المستشعر فورًا في درجة حرارة الغرفة.

في كاميرات MWIR الحديثة، يتم تحقيق التبريد المبرد من خلال مبرد Stirling ذو الدائرة المغلقة الموجود داخل جسم الكاميرا. وفي الماضي، كان تبريد هذه الكاميرات يتطلب استخدام أسطوانات كبيرة مملوءة بالنيتروجين السائل.

الخيار الأكثر اقتصادا هو التصوير الحراري مع كاشف ميكروبولوميتر متكامل. اعتمادًا على دقة البكسل ومستويات ضوضاء الكاشف ودقة قياس درجة الحرارة، يمكن أن تبدأ هذه الكاميرات بأقل من 1000 دولار وبدقة 80 × 60 بكسل. تعمل المقاييس الدقيقة بشكل مختلف تمامًا عن أجهزة الكشف التقليدية التي تلتقط الفوتون وتعتمد بشكل أساسي على وحدات بكسل صغيرة مقاومة للحرارة. تستخدم بعض هذه الكاميرات بشكل أساسي عناصر التبريد الكهروحرارية، والتي تكون أسهل في التشغيل. عندما تتعرض هذه البكسلات للأشعة تحت الحمراء (الحرارة)، تتغير مقاومتها. لا حاجة إلى تبريد بدرجة حرارة منخفضة، فالعملية أبسط والتكلفة أقل.

يحتوي كل بكسل في كاميرا LWIR على كتلة مادية تحتاج إلى التقاط الإشعاع الحراري من الجسم الذي يتم توجيهه إليه لتسخينه. وهذا يعطي ثابتًا زمنيًا ثابتًا للوقت الذي يستغرقه كل بكسل في عملية التسخين قبل أن تقرأ الكاميرا تغير المقاومة. يتراوح هذا الثابت عادةً بين 8 و14 مللي ثانية، اعتمادًا على حجم البكسل. الجانب السلبي لهذه الكاشفات هو أن الثابت الزمني يمثل تحديات عندما يتعلق الأمر بتصوير الأجسام المتحركة.

قد تبدو ثمانية مللي ثانية وقتًا قصيرًا، ومع ذلك، اعتمادًا على مجال رؤية الكاميرا وسرعة الكائن المصور، قد يكون هناك ضبابية ملحوظة في الحركة في الصورة الملتقطة. أثناء فترة التكامل (أي ثابت الوقت)، يحدث ضبابية الحركة عندما يمر جزء من الكائن ببكسل الكاشف. بمعنى آخر، قد لا يكون البكسل قد قام بدمج الإشعاع الحراري الذي يحاول التقاطه بشكل كامل قبل أن ينتقل الكائن إلى البكسل المجاور. ونتيجة لذلك، يمكن أن يسبب ذلك تأثيرات متوسط درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى أخطاء في القياس ومشاكل أخرى.

إن ضبابية الحركة ليست النوع الوحيد من التمويه في التصوير الحراري. نظرًا لأن التباين في الصور الحرارية ناتج عن التغيرات في درجات الحرارة، فإن معظم الصور الحرارية تظهر ضبابية. هذا التشويش ليس نتيجة التركيز أو عدم التركيز. بتعبير أدق، يحدث هذا بسبب الوظائف الديناميكية الحرارية الفيزيائية.

تتدفق الطاقة الحرارية من المناطق الأكثر دفئًا ذات الطاقة الأعلى إلى المناطق الأكثر برودة ذات الطاقة الأقل. هذا السلوك ديناميكي تمامًا، مما يؤدي إلى تحولات في درجات الحرارة أو تدرجات حرارية. يتم تمثيل التغيرات في درجات الحرارة في الصور الحرارية كتغيرات في السطوع: يمثل اللون الأبيض مناطق أكثر سخونة، ويمثل اللون الأسود مناطق أكثر برودة، ويحدث انتقال رمادي بين المناطق الأكثر دفئًا وبرودة.

تجعل هذه التحولات حواف الصورة تبدو ضبابية. لا يظهر هذا التأثير عادةً في تطبيقات الرؤية الآلية القياسية، والتي تعتمد بشكل أكبر على تأثير الضوء المنعكس عن السطح أو الميزة. نمط الانعكاس هذا ثابت، وكذلك التباين الذي ينتجه في الصورة. تظهر الصور الحرارية بشكل أكثر وضوحًا فقط عندما يتغير الإشعاع، أو عندما تكون المناطق الأكثر دفئًا معزولة حرارياً عن المناطق المحيطة. هذا السلوك الديناميكي الناتج عن الانتشار الحراري هو الذي يشير إلى أن التصوير الحراري قد يكون له علاقة بمعالجة الإشارات أكثر من معالجة الصور.

فهم الانبعاثية

ربما تكون الابتعاثية هي الظاهرة الأكثر أهمية التي يجب فهمها عند دراسة كاميرات التصوير الحراري. لذلك فهو يميل إلى أن يكون أحد أهم المواضيع في دورات وندوات التصوير الحراري. ببساطة، الابتعاثية هي التي تميز قدرة المادة الصلبة على إشعاع طاقة الأشعة تحت الحمراء. تتكون الابتعاثية بشكل أساسي من ثلاثة مكونات: الانعكاس، والنقل، والطاقة الإشعاعية. مجموع هذه العوامل يجب أن يساوي 1.

نظرًا لأن معظم المواد لا تنقل الأشعة تحت الحمراء، فإن التصوير يتعلق في المقام الأول بالطاقة المنعكسة والمشعة. في هذه الحالة، قد تجعل عملية الاشتقاق من الصعب قياس درجة حرارة الجسم العاكس للحرارة. على سبيل المثال، تعتبر محاولة معرفة درجة حرارة الخزان اللامع المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ تطبيقًا مستحيلًا للتصوير الحراري ما لم يتم تغيير انبعاثية سطح الخزان. إذا سمح بذلك، يمكن تطبيق طلاء أسود على منطقة من الخزان لزيادة انبعاثه إلى 0.9 أو أكثر. باستخدام التوصيل الحراري، فإن هذا الطلاء عالي الانبعاث سوف يمتص درجة حرارة سطح الخزان. يساعد الطلاء بعد ذلك على نقل الطاقة إلى جهاز التصوير الحراري، مما يتيح قياسات دقيقة لدرجة الحرارة.

عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات التي تتضمن أسطحًا منخفضة الانبعاثية لا يمكن تغييرها، فقد يكون من الضروري القياس عن طريق طرق الاتصال (مثل توصيل المزدوجات الحرارية المادية).

هناك عامل آخر يجب مراعاته عند استخدام جهاز التصوير الحراري في الرؤية الآلية وهو الدقة المكانية المتوفرة لجهاز التصوير الحراري. بالنسبة للتطبيقات التجارية، تتمتع أجهزة التصوير الحراري بدقة قصوى تبلغ حوالي 1.3 ميجابكسل، مع كاميرات أكثر اقتصادا تقدم 640 × 480 أو 640 × 512 بكسل. تتضاءل هذه الدقة مقارنة بكاميرات الرؤية الآلية الحديثة، والتي توفر 70 ميجابكسل أو حتى 100 ميجابكسل. لذلك، لا يزال هناك مجال كبير للتحسين في كاميرات الأشعة تحت الحمراء.

تعتبر مواد العدسات الخاصة بكاميرات التصوير الحراري مميزة. الأكثر شيوعا هو الجرمانيوم (Ge). يحجب زجاج البورسليكات القياسي الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة والأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، مما يجعله غير مناسب كمادة بصرية لكاميرات التصوير الحراري.

يتعين على الشركات المصنعة للكاميرات معايرة عدساتها وفقًا للكاميرا نفسها، لذا فإن العديد من الشركات المصنعة للكاميرات هي أيضًا موردي العدسات. لذلك، ليس من غير المألوف أن يقدم كل جهاز تصوير حراري 1-5 خيارات فقط للعدسة، مما يزيد من تعقيد تصميم نظام التصوير.

ويزداد الوضع تعقيدًا إذا كان جهاز التصوير الحراري يحتاج أيضًا إلى غلاف لحمايته من البيئات القاسية. وفي هذه الحالة، يجب أيضًا أن تكون نافذة الرؤية مجهزة بزجاج ناقل للأشعة تحت الحمراء مصنوع من الجرمانيوم أو مادة أخرى مناسبة.

خاتمة

وعلى الرغم من هذه التحديات وأوجه القصور، أصبحت كاميرات التصوير الحراري ذات أهمية متزايدة في تطبيقات التصوير الصناعية وغير الصناعية. من المؤكد أن كاميرات التصوير الحراري ستتألق بطريقتها الفريدة.

Quanhom هي شركة متخصصة في تصنيع عدسات الأشعة تحت الحمراء المخصصة . إن حلولنا الشاملة للتحديات المعقدة في مجالات الدفاع والأمن والتطبيقات التجارية معترف بها من قبل العملاء في جميع أنحاء العالم. يقوم فريق من الخبراء بتطوير تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء الحرارية من الدرجة الأولى بشكل مستمر. يتمتع المهندسون المتمرسون بعقود من الخبرة في تصميم المنتجات المعقدة المتعلقة بالبصريات بالأشعة تحت الحمراء. أنشأ فريق Quanhom الموهوب العديد من قصص النجاح لتطبيقات مختلفة مثل مشاهد التصوير الحراري للاستخدام الخارجي والدفاعي، ومناظير/مناظير التصوير الحراري، وأمن الحدود والأمن الساحلي، والتطبيقات البحرية، وحمولات الأشعة تحت الحمراء للطائرات بدون طيار.