サーマルカメラはどのように機能しますか?

確かに、赤外線カメラ(別名赤外線カメラ)は、人間の目が見ることができるものをはるかに超えて見えます。そうすることによって、それは私たちに与えることができます星の誕生の紛れもない兆候 数十万マイル離れています。可視光(スマートフォンのカメラなど)だけに頼っていたら、悲惨なことに足りませんでした。そして、手探り。

実際、ハッブル宇宙望遠鏡は、それ自体が強力であるため、そのような画期的な瞬間を検出することはできません。 NASAの低軌道宇宙望遠鏡は、遠く離れた美しい星雲の壮大な画像を提供できる可能性があります。それでも、その星雲の中で生まれようとしている駆け出しの星の台頭についてのヒントは得られません。いいえ。銀河間塵で覆われた画像は、記念碑的な出来事を覆い隠すでしょう。しかし、赤外線カメラがそれを助けることができない場合はそうではありません。

家の近くで、赤外線カメラは、私たちの動きを徹底的に測定し続けてきた恐ろしいウイルスであるCOVID-19との戦いで世界的に波を立てています。間違いなく、これらのカメラは中心的な舞台に立っています。病原体の存在を直接検出しない場合があります。しかし、実は、赤外線カメラよりも安全な距離から、ウイルス感染の最大の症状である発熱を検出できるデバイスはありません。最近、なぜそれがモールや他の公共の場所の入り口に常設されているのか不思議ではありません。

したがって、赤外線カメラがどのように機能するかを詳しく調べることが最も重要です。より多くの知識を習得することで、地球上の私たちの生活を混乱させたのと同じくらい、赤外線カメラを最大限に活用することができます。そして、物事を機能させたいときに、生産性と効率を大幅に向上させます。

原則第一

すぐに、赤外線カメラが星の誕生を検出する方法に戸惑うかもしれません。しかし、それは氷山の一角にすぎません。赤外線天文学は、可視光を超えているため、私たちの既知の宇宙についてより多くのことを発見できます。または、人間の目で見ることができるもの。

ですから、まず最初に、赤外線は見えないことを知ってください。私たちが日常的に目にする通常のものとは異なり、人間の視覚を使って赤外線を見ることができません。

偶然ではありませんSir William Herschel、1800年に赤外線(IR)を発見したイギリスの天文学者は、赤外線がそこにあることすら知りませんでした。少なくとも彼がその効果を見るまでは。アイザックニュートン卿がよく知っているプリズム実験を使用して、ウィリアムは温度計を使用して、太陽の光によって生成される各色の温度を測定しました。彼は色が赤に変わるにつれて熱が増加することに気づきました。最後に、彼は赤よりも熱い「見えない光」にぶつかりました。そして、それが赤外線、つまり熱エネルギーが発見された方法です。

赤外線エネルギーと可視光は、電磁放射のさまざまな周波数である電磁スペクトル(ES)の一部であることに注意してください。グラフィック形式:

Electromagnetic Spectrum

図A.赤外線、可視光、および電磁スペクトル

したがって、通常のカメラと赤外線カメラを比較するのは無駄であることを理解する必要があります。スマートフォンに搭載されている通常のカメラは、可視光エネルギーを使用して周囲の写真を撮影します。同じことが人間の目にも当てはまり、可視光のエネルギーを最大限に活用して見ることができます。

サーマルカメラは熱の存在を検出します(可視光ではありません)。そして、その入力から、デジタルまたはアナログ出力を介して視覚的表現を形成します。したがって、それは熱エネルギーのみを見て、私たちの目が慣れている画像は見ません。

地球上のすべてのものが冷たい氷のブロックでさえ熱エネルギーを放出することに注意してください。オブジェクトが熱くなるほど、より多くの熱エネルギーが放出されます。その場合、サーマルカメラがオブジェクトの特定の熱プロファイルを検出する必要があります。これはヒートシグネチャとも呼ばれます。並べて配置されたオブジェクトは、異なる熱特性を持つことができます。ただし、火などの極端な熱は、それに近づくオブジェクトの熱特性に影響を与える可能性があります。

実際、オブジェクトが放出する熱エネルギーの量を描写するのは赤外線カメラの仕事です。通常のカメラでは、周囲の物体を見事な色で視覚的に表現できますが、その物体の熱エネルギーを表現することはできません。一方、赤外線カメラは周囲の物体のさまざまな熱エネルギーを表示できますが、周囲の鮮明な画像を表示することはできません。

赤外線天文学は、宇宙からのエネルギー放出を追跡できるため、強力な望遠鏡よりも優れた方法で新しい星の誕生を検出できます。新しい星が生まれるとき、彼らは彼らの存在を裏切る特定の紛れもない赤外線を発します。通常の天体望遠鏡では、銀河系の塵や星雲の雲をすべて見ることはできませんが、強力な赤外線望遠鏡は、この銀河間エネルギーの突然のバーストを検出します。

サーマルカメラの内部:仕組み

赤外線放射が何であるかを知ることとそれを捕らえることは別のことです。今日私たちが知っている赤外線カメラは、完成するまでに数十年かかった長く曲がりくねったプロセスの産物であることを理解する必要があります。一つには、今日の私たちの赤外線カメラは強力でありながらユーザーフレンドリーです。そのため、数十年前に消防で使用されたものとは異なり、重量が重いだけでなく、価格も有害でした。

まず最初に。クレジットが必要なところにクレジットを与えましょう。世界に赤外線を認識させたのはウィリアム・ハーシェル卿でしたが、ハンガリーの物理学者であり、発明者 Kálmán Tihanyi 1929年に最初の赤外線カメラを発明した人。この点で、私たちはティハニーを「私たちに見えないものを見させた男」と呼ぶことができます。

赤外線カメラは周囲の熱エネルギーを取り込むように設計されているため、その主要コンポーネントは赤外線を処理するように設計されています。これは特に入力ユニットに当てはまります。レンズとセンサー、赤外線が通過しなければならない経路について話しています。

Inside the thermal camera

図2.サーマルカメラの内部

  1. レンズ

すぐに、まぶたと同じように赤外線カメラのレンズを考えてみてください。まぶたが開かないと周囲が見えません。一つではありません。その一部として、赤外線カメラには、IRとそのさまざまな周波数を通過させるレンズが必要です。そうして初めて、信号をセンサーで処理できます。

そして、これはIRカメラと標準カメラ(お使いの携帯電話にあるもの)が経路を分岐させる場所です。通常のカメラとは異なり、IRカメラのレンズはガラス製であってはなりません。ガラスは、サーモグラフィに最も役立つ周波数である長波赤外線(LWIR)をブロックすることに注意してください。

したがって、レンズは通常、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、フッ化カルシウム、またはサファイアでできています。そうすることにより、レンズは7〜14μmの熱放射の電磁スペクトル範囲に対応できます。これらの材料のほとんどは屈折率が高いため、たわみを補正するために反射防止コーティングをレンズに適用することが最も重要です。

  1. センサー

サーマルカメラの心臓部はセンサーです。これは、赤外線放射が熱検出器を通過する場所です。このような検出器は、入射する赤外光の吸収の結果として発生する熱の増加に直接応答します。

ただし、時間の経過とともに、これを実行するための2つの最も顕著な方法があります。今日使用されている最近の一般的な技術はマイクロボロメータを使用する方法ですが、他の方法は焦電材料を使用する方法です。詳細は以下をご覧ください。

マイクロボロメータ

原則として、マイクロボロメータは放射線に敏感なデバイスです。最初のボロメータはによって発明されました Samuel Pierpont Langley (1834-1906)、アメリカの物理学者/天文学者の発明者。

マイクロボロメータの吸収要素に直接当たる放射は、対応する温度上昇を引き起こします。吸収されるエネルギーが大きいほど、温度は高くなります。このような温度変化は、測温抵抗体を使用して直接測定できます。そして、電子信号として読み取って電子画像を生成します。本質的に、マイクロボロメータは金属の薄層で構成されており、熱リンクを介して(一定温度の)熱源に直接接続されます。

センサーアレイには、グリッドに配置された何千もの検出器ピクセルがあります。アレイ内の各ピクセルは、それに直接当たる赤外線に反応して抵抗を生成し、それを電子信号に変換できることを知っておいてください。各ピクセルからの信号は、オブジェクトのキャプチャされた温度のカラーマップの基礎を形成する数式を適用することによって処理されます。その後の色の画像は、表示のためにカメラの処理ユニットに送信されます。

精度を高めるために、各ピクセルに1つのマイクロボロメーターがあることを知ってください。このため、赤外線カメラの解像度は、スマートTVや通常のカメラに比べてかなり低くなります。事実は通常、640x480はすでにサーマルカメラの高解像度と見なされています。

マイクロボロメータベースのサーマルカメラは、マイクロボロメータセンサーを操作するために個別の冷却メカニズムを用意する必要がないため、非冷却サーマルカメラとも呼ばれます。直接の利点は、これらのIRカメラが従来の冷却モデルと比較してはるかに軽いことです。

焦電材料

これらは 赤外線カメラを使用する冷却センサー検出器。輝かしい例はタンタル酸リチウムです。この材料は、温度の変化に直接応答して微小な電圧を生成します。この意味で、赤外線光子を直接検出します。光伝導性を使用する非冷却マイクロボロメータベースのサーマルカメラとは対照的に、これは光起電性です

長距離赤外線検出やより洗練された温度差の結果など、多くの利点がありますが、冷却されたサーマルカメラは徐々に冷却されていないデバイスに負けています。これは主に、価格が高く、かさばる性質があるためです。その画像センサーはクライオクーラーと統合する必要があるため、これらの赤外線検出器は今日の基準では重いです。さらに悪いことに、クライオクーラーの可動部品は時間の経過とともに簡単に摩耗します。

  1. 画像プロセッサ

赤外線を取得したら、データを処理して、IRカメラの画面に表示される出力を作成する必要があります。データ処理には、前処理、特徴抽出、分類が含まれます。フィルタリングは、ノイズや不要なデータを排除するために使用されることに注意してください。ここでは、アルゴリズムまたは数式を使用して、表示可能な画像を作成します。

  1. 画面

これは、カメラプロセッサからのデータが電子信号に変換される場所です。上記のデータは各ピクセル(非冷却)から取得されることに注意してください。数学的アルゴリズムを適用することにより、カラーマップを作成することができます。これは、調査対象のオブジェクトの見かけの熱特性を表しています。以前は、熱画像ディスプレイでは、色なしまたは白黒の表現が一般的でした。

トップユニークなサーマルカメラアプリケーション

宇宙をスキャンする

宇宙の広がりに関しては、可視光が不足する可能性があります。実際、宇宙には、温度が非常に低く、明らかにかすんでいるため、可視光で見つけることが不可能な数百万の物体があります。それでも、IRカメラはこれらを検出するのに問題はありません。天体(それらと同じ大きさ)は赤外線を放射するので、それらの位置を特定して監視するのははるかに簡単です。

古典的な例は土星のオーロラです。 NASAは、惑星の光の動きを監視し、その結果、それを地球(オーロラ)の光と比較することができました。

さらに良いことに、可視光よりも長い波長で武装している赤外線は、宇宙空間の星雲や巨大なほこりっぽい領域を通過することができ、より良い結果、より少ない散乱、そしてより高い完全性をもたらします。したがって、私たちはより深く調べることができます 私たちの既知の宇宙の起源 

星や他の銀河の誕生を発見してください。

 

自動車修理

あなたと整備士があなたの車の問題を見つけるのがどれほど簡単になるか想像してみてください。それがヒューズボックスなのか、車の電気システムなのかを二度と推測する必要はありません。便利な赤外線カメラを使用することで、問題の原因を特定できます。過熱は自動車トラブルの明らかな兆候であることに注意してください。

そして、家の検査官があなたの生活空間のエネルギーの抜け穴を検出するためにそれを使用するときと同じように、サーマルカメラは車の問題に対処するために使用することができます。その過程で貴重な時間とエネルギーを節約します。

動物の健康

私たちは、赤外線カメラがどのように役立つかを目撃しました  前進を阻止する COVID-19脅威の。さらに、この技術は、パンデミック後の時代に施設を再開する上で極めて重要であることが証明されるはずです。によって代表される最先端の製品の提供 PerfectPrime’s IR280H、これまでにない0.3°C(0.6°F)レベルの精度を備えた世界初のハンドヘルドサーマルカメラは、ウイルスの手に負えない、より安全な世界を作成するのに役立つはずです。熱の検出が速くなるだけでなく、財布に大きな穴を開けることなく、最高の製品を手に入れることができます。

しかし、サーモグラフィーはペットにもメリットがあります。犬、猫、馬など、私たちのお気に入りの動物は痛みを言葉で表現できないため、健康上の問題に苦しんでいるかどうかを判断することができます。彼らが苦しんでいることを知っていても、問題の核心を突き止めることは、まったく別の課題です。

そして、ここでもまた、赤外線カメラが助けになります。熱の存在は常に動物の健康問題の良い兆候でした。これは、発熱、感染症、および炎症の可能性に関して特に当てはまります。人間の発熱検出はそれを明らかにします。なぜ赤外線カメラがアメリカ中の多くの施設の入り口で標準機能になっているのか不思議ではありません。

赤外線技術を導入することで、ペットのホットスポットの可能性のある領域を検出できます。ペットがあなたと一緒に家庭に住んでいるのか、農場に住んでいるのかは関係ありません。あなたとあなたの獣医はすぐに問題のある領域に焦点を合わせることができます。

確かに、あなたはあなたの貴重な財政は言うまでもなく、エネルギーと時間を節約します。何よりも、あなたは命を救います。そして、それはあなたの手の中にある赤外線カメラの美しさです。


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