Jak wybrać dobry termowizor?

Jak zbudowany jest termowizor?

Termowizor służy do obserwacji otoczenia przy długości fali pomiędzy 7 μm a 14 μm (pasmo LWIR) choć w ostatnim czasie pojawiły się też urządzenia termowizyjne pracujące w paśmie od 3 μm do 8 μm (pasmo MWIR) . Przy tak dużej długości fali nie działają już zwykłe przetworniki obrazu, co więcej szkło z którego tworzona jest optyka obiektywów nie przepuszcza takiego promieniowania. Termowizory mają więc specjalne detektory promieniowania zwane mikrobolometrami i specjalną optykę wykonaną z germanu.

    Patrząc na obiektyw termowizora natychmiast zauważymy że jest to obiektyw niezwykły, koloru czarnego, nieprzezroczysty dla światła. Rzut oka w charakterystykę spektralną dla soczewek germanowych pokazuje że są one przezroczyste dla promieniowania o długości fali większej niż 2μm, zachowują niezmiennie wysoką transmisję do około 12 μm po czym ich sprawność stopniowo spada dochodząc do zera przy około 30 μm.

Rys. 15 Soczewki germanowe z jakich budowane są obiektywy termowizyjne

Jeśli chodzi o mikrobolometr używany w urządzeniach termowizyjnych to najczęściej projektowany jest on na tak zwane okno atmosferyczne czyli na zakres podczerwieni króry nie jest w naturalny sposób pochłaniany przez atmosferę ziemską. Zwykle jest to zakres od 7 do 14 mikrometrów.

Mikrobolometr zbudowany jest w postaci matrycy elementów czułych na promieniowanie cieplne i z wyglądu nie różni się znacząco od przetworników CCD czy CMOS. Promieniowanie cieplne padające na piksele mikrobolometru powoduje mierzalną zmianę sygnału które przetworzyć można na obraz termiczny widoczny na wyświetlaczu. Rozdzielczości takich przetworników w wersjach bardziej ekonomicznych to 320x240 bądź 384x288 pikseli. Termowizory lepszej klasy posiadają mikrobolometry o rozdzielczości 640x480 pikseli a w urządzeniach profesjonalnych spotkać można rozdzielczości dochodzące do 1280x1024 pikseli. Dość charakterystycznym parametrem mikrobolometrów jest rozmiar piksela wyrażony w mikrometrach. Rozmiar ten ma przełożenie na czułość przetwornika – im mniejszy element tym łatwiej reaguje na zmiany temperatury, tym lepsze osiągiu uzyskujemy. Do niedawna typowy mikrobolometr zbudowany był w oparciu o elementy o rozmiarze 25 μm. Aktualnie typowym rozmiarem piksela jest 17 μm a w momencie pisania tego poradnika coraz popularniejsze stają się matryce skonstruowane w technologii 12 μm (przykładem takich urządzeń są między innymi Puslar Axion XM, Pulsar Thermion XM). Porównując przetworniki o tej samej rozdzielczości zauważymy że te z mniejszym pikselem będą miały mniejsze rozmiary fizyczne, będą dawały większe powiększenia i większe zasięgi.

Rys 16. Mikrobolometr

    Sygnał z mikrobolometru przetwarzany jest przez procesor obrazu a następnie przekazywany jest do wyświetlacza (zazwyczaj typu AMOLED). Ze względu na cyfrowy charakter sygnału mamy tu bardzo szerokie możliwości jego obróbki. Obraz można cyfrowo powiększać, można stosować różnego rodzaju palety kolorystyczne, modyfikować można kontrast, jasność, można też specjalnie oznaczać fragmenty obrazu dla których obserwowana temperatura jest największa.

Dość charakterystycznym elementem wielu termowizorów jest mechaniczna migawka znajdująca się pomiędzy obiektywem a detektorem. Służy ona do kalibracji obrazu, o kalibracji opowiemy jeszcze w dalszej części poradnika.

Jak wygląda obraz w termowizorze?

Obraz obserwowany w termowizorze znacząco różni się od tego co widzimy w noktowizorze. Termowizor przedstawia nam świat w zupełnie inny i nieznany nam dotąd sposób. Patrząc przez termowizor widzimy wprost ciepło emitowane przez różnego rodzaju obiekty a czasem też ciepło odbite od obiektów. Widzimy subtelne różnice temperatur sięgające nawet kilku setnych stopnia. Sygnał tworzony przez mikrobolometr jest przetwarzany przez procesor urządzenia termowizyjnego i przedstawiamy w umownej skali odcieni lub barw. Praktycznie każdy termowizor posiada skalę czarnobiałą w której obiekty ciepłe przedstawiane są jako jaśniejsze a obiekty chłodne jak ciemniejsze. Zwykle też można odwrócić skalę i przedstawić obiekty ciepłe jako ciemniejsze. Wiele termowizorów posiada też bardziej zaawansowane funkcje wyświetlania – możliwy jest wybór palet kolorowych albo specjalne zaznaczenie najcieplejszych obiektów kolorem czerwonym. Osobną grupę którą w tym poradniku zajmować się nie będziemy stanowią termowizory wykalibrowane do pomiarów temperatur – tam skala odcieni odpowiada ściśle określonym temperaturom.

Rys 17. Obraz termowizyjny uzyskany z zastosowaniem palety kolorowej

Jaki termowizor wybrać?

Technika termowizyjna odnosi się do szerokiej gamy sprzętu opartego o mikrobolometry. Znajdziemy tu kamery przemysłowe, urządzenia pomiarowe stosowane w budownictwie, różnego rodzaju sprzęt badawczy jak też cieżkie stacjonarne urządzenia z wbudowanym chłodzeniem zwiększającym czułość. W naszym poradniku ograniczymy się do przenośnych urządzeń mających zastosowanie w łowiectwie.

Podział termowizorów ze względu na zastosowanie jest niemal identyczny jak w przypadku noktowizorów:

    Termowizory obserwacyjne – produkowane w postaci niewielkich i przenośnych urządzeń zasilanych bateryjnie. Wyposażone w obiektyw, okular, kilka przycisków sterujących. W przeciwieństwie do noktowizji nie mamy tu żadnego odpowiednika oświetlacza podczerwieni (obserwujemy ciepło emitowane przez obiekty więc nic takiego nie jest potrzebne).

Przykładem termowizora obserwacyjnego o ciekawych możliwościach jest Pulsar Axion XM30. Jest to miniaturowy a przy tym bardzo skuteczny termowizor o dużym zasięgu, zbudowany w oparciu o przetwornik z pikselami o rozmiarze 12um. Przetwornik tego typu jest bardzo czuły i nawet przy skromnych gabarytach pozwala na wykrywanie obiektów na dystansie bez mała dwóch kilometrów

Wśród termowizorów obserwacyjnych warto zwrócić uwagę na lornetki termowizyjne. Są to urządzenia przeznaczone do komfortowej obserwacji obuocznej. Zazwyczaj posiadają jeden obiektyw, jeden mikrobolometr ale dwa wyświetlacze i dwa okulary o regulowanej ostrości i rozstawie.

    Celowniki termowizyjne – kompletne celowniki przeznaczone do montowania na broni (zazwyczaj za pomocą dedykowanego montażu). Od termowizorów obserwacyjnych różnią się obecnością generowanej cyfrowo siatki celowniczej, obecnością okularu z daleko odsuniętą źrenicą oraz podwyższoną odpornością na odrzut.

Jednym z najnowszych celowników termowizyjnych jest Pulsar Thermion. Jest to świetny przykład na to że celownik termowizyjny nie musi być brzydkim i kanciastym urządzeniem. Thermion przypomina klasyczną lunetę celowniczą, w klasycznym korpusie zawarto całą potrzebą elektronikę. Thermiony produkowane są w różnych wersjach wśród których znajdziemy modele o dużym kącie widzenia jak i modele o bardzo dużym powiększeniu i zasięgu.

Nasadki termowizyjne – urządzenia montowane na dziennych lunetach celowniczych. Ze względu na pochłanianie dalszej podczerwieni przez zwykłe szkło nie ma możliwości zaprojektowania nasadek montowanych na okularze, istnieją wyłącznie nasadki termowizyjne obiektywowe. Nasadki te tworzą na wyjściu obraz który obserwowany jest przez lunetę celowniczą. Sama nasadka zamocowana jest za pomocą solidnego adaptera dostosowanego średnicą do oprawy obiektywu lunety celowniczej. Nasadki termowizyjne po zdemontowaniu i podłaczeniu okularu mogą być używane tak jak zwykłe termowizory obserwacyjne. Jedną z najbardziej znanych nasadek termowizyjnych jest Pulsar Core. Wyposażony w obiektyw o ogniskowej 50mm pozwala wykrywać obiekty na dystansie do 1800 metrów. Nasadki Core posiadają świetnej jakości wyświetlacze umożliwiające obserwację obrazu za pomocą lunet celowniczych o dość różnym powiększeniu.

Na co zwrócić uwagę przy zakupie termowizora?

Termowizory cechuje szereg parametrów na które warto zwrócić uwagę przy zakupie

    Rozdzielczość przetwornika – jeden z najważniejszych parametrów. Z reguły termowizory mają dość małe rozdzielczości (w porównaniu do różnego rodzaju kamer czy nawet noktowizorów). Typową rozdzielczością przetwornika dla tańszych termowizorów jest 384 x 288 pikseli a obraz z takiego termowizora mimo że niezbyt szczegółowy jest całkiem użyteczny. Jak łatwo zauważyć jakakolwiek różnica w rozdzielczości jest wyraźnie dostrzegalna – termowizory z rozdzielczością 640x480 dają obraz znacznie wyraźniejszy i jest to różnica warta pewnych pieniędzy. Rozdzielczości w rodzaju 1024x768 i 1280x1024 póki co nie są dostępne na rynku cywilnym choć ich pojawienie się jest zapewne kwestią czasu. Warto zwrócić uwagę że często urządzenia o niskiej rozdzielczości prezentują bardzo ciekawe osiągi (np. termowizory Pulsar z serii XM z przetwornikami o rozdzielczości 320x240 pikseli w technologii 12um) i sama rozdzielczość nie powinna być decydującym czynnikiem przy wyborze.

    Czułość termiczna – czułość termiczna przetwornika określa najmniejszą różnicę temperatur pomiędzy dwoma obiektami (np. pomiędzy obiektem a tłem na którym się znajduje) pozwalającą rozróżnić te obiekty. Czułość ta w danych technicznych często określana jest akronimem NETD i wyrażana jest w mK. Im mniejsza wartość NETD tym lepsza jakość obserwowanego obrazu, tym łatwiej odróżnić dwa obiekty różniące się temperaturą. Parametr ten może być decydujący dla wykrycia i identyfikacji obiektu, często bowiem mamy do czynienia z obiektem który znajduje się na tle o podobnej temperaturze (np. latem gdy temperatura gruntu jest dość wysoka).

    Częstotliwość odświeżania – Częstotliwość z jaką odświeżany jest obraz termowizyjny widoczny w okularze. Spotykane wartości to 50 Hz, 30 Hz i 9 Hz przy czym większość producentów (w tym Pulsar) stosuje częstotliwość odświeżania 50Hz. Wysoka częstotliwość odświeżania gwarantuje prawidłowe odwzorowanie obrazu dla obiektów szybko poruszających się.

    Parametry obiektywu – Stosowane w termowizji obiektywy germanowe mają zazwyczaj ogniskowe poniżej 75mm i światłosiły powyżej f/1.4. Światłosiła i ogniskowa (a tak naprawdę średnica czynna będąca wypadkową obu parametrów) ma decydujący wpływ dla zasięgu detekcji. Dla technologii 17um obiektywy o ogniskowej poniżej 30mm dają zasięgi kilkuset metrów, dla ogniskowych około 50mm i światłosiły f/1.2 zasięg dochodzi do dwóch kilometrów. W przypadku technologii 12um zasięgi te będą wyraźnie większe. Dla dwóch obiektywów o identycznej ogniskowej większy zasięg uzyskamy dla obiektywu o większej światłosile. Przykładowo obiektyw 50mm f/1.2 będzie lepszy od obiektywu 50mm f/1.4. Ubocznym efektem zwiększania światłosiły może być wzrost gabarytów urządzenia, obiektywy o światłosile f/0.8 dają na pewno znakomity zasięg ale są bardzo duże i ciężkie. Najczęściej spotyka się obiektywy o światłosile f/1.0 i f/1.2.

Ogniskowa obiektywu ma bezpośredni wpływ na powiększenie termowizora i przy tym samym rodzaju detektora im dłuższa ogniskowa tym bardziej powiększony obraz i tym mniejsze pole widzenia.

    Pole widzenia – Pole widzenia jest zależne od rozmiaru przetwornika a ten zależny jest od rozdzielczości i rozmiaru piksela. Największych pól widzenia można spodziewać się w przypadku termowizorów o dużej rozdzielczości z obiektywami o krótkiej ogniskowej. Przykładowo Pulsar Helion XP38 z przetwornikiem o rozdzielczości 640x480 i ogniskowej obiektywu 38mm daje pole widzenia o wymiarach 16 x 12 stopni, 3 razy większe od pola typowej lornetki dziennej. Z drugiej strony termowizory obserwacyjne o małej rozdzielczości i z dużą ogniskową obiektywu dają małe pola widzenia (około 7 x 5 stopni w przypadku Heliona XQ50F). W pewnym uproszczeniu można stwierdzić że im większe powiększenie tym mniejsze pole widzenia.

    Powiększenie – powiększenie optyczne jest wypadkową wielu czynników wśród których warto wymienić ogniskową obiektywu, rozmiar przetwornika, rozmiar wyświetlacza i powiększenie układu optycznego przez który obserwujemy wyświetlacz. W przypadku termowizorów powiększenie zazwyczaj jest niewielkie i typowo zawiera się w granicach od około 2x do 4x. Ze względu na niezbyt wygórowaną rozdzielczość detektorów termowizyjnych zoom cyfrowy należy stosować z umiarem – dla rozdzielczości 384x288 i podobnych wystarczający będzie zoom cyfrowy 2x, dla większych rozdzielczości zoom cyfrowy 4x będzie wystarczający

    Wyświetlacz – znaczenie dobrego wyświetlacza jest często bagatelizowane. Wyświetlacz powinien posiadać dobrą rozdzielczość i wysoki kontrast. Bardzo istotny jest typ wyświetlacza który wiąże się z pewnymi cechami użytkowymi. Urządzenia zawierające w sobie ekrany LCD nie nadają się do wykorzystywania w niskich temperaturach. Nieco lepiej sytuacja wygląda w przypadku elementów LCOS. Wyświetlacz AMOLED mogą być natomiast użytkowane w dowolnie niskich temperaturach. Istotny jest też układ optyczny współpracujący z ekranem który powinien dawać obraz dobrze powiększony i wolny od dystorsji.

    Dalmierz laserowy – W urządzeniach termowizyjnych dość istotny staje się problem określania odległości. Obraz termowizyjny różni się znacząco w różnych warunkach termicznych. Obiekt który nocą wydaje się być bardzo jasny i wyrazisty w ciągu dnia na nagrzanym polu może być ledwie zauważalny. Oznacza to że intensywność z jaką widziany jest obiekt nie do końca pozwala właściwy dystans. Bardzo cennym uzupełnieniem urządzenia jest wbudowany dalmierz laserowy. Tego typu dalmierze spotyka się w sprzęcie termowizyjnym firmy Pulsar (np. w obserwacyjnych termowizorach Pulsar Accolade serii LRF i w celownikach Pulsar Trail LRF).

Jaki zasięg obserwacji jest osiągalny termowizorem?

Zasięg detekcji urządzeń termowizyjnych określa dystans na jakim możliwe jest wykrycie ciepłego obiektu o określonych rozmiarach. Przykładowo zasięg detekcji dla termowizora Helion XP50 dla obiektu o wielkości człowieka wynosi 1800 metrów. Obiekty większe takie jak samochody z silnie nagrzanym nadwoziem mogą być obserwowane z odległości nawet 3 kilometrów, małe zwierzęta widoczne są z odległości kilkuset metrów. Wykrycie obiektu na granicy zasięgu detekcji oznacza zazwyczaj zaobserwowanie jasnego punktu o rozmiarze jednego czy kiku pikseli. Nie jesteśmy w stanie stwierdzić czy mamy do czynienia z dzikiem, człowiekiem czy jeleniem. Zasięg rozpoznania przy którym możemy rozpoznać zwierzynę lub zidentyfikować obiekty jest zwykle dużo mniejszy, uzależniony od własności mikrobolometru, rozdzielczości, powiększenia. Na podstawie przeprowadzanych testów stwierdzono że zasięg pewnego rozpoznania dla termowizora Helion XP50 nie przekracza 500 metrów (doświadczony obserwator jest w stanie wstępnie rozpoznać obiekt z nieco większych dystansów). W przypadku termowizorów o rozdzielczości 384x288 pikseli dystans ten będzie dwukrotnie mniejszy o ile rzeczywiste powiększenie optyczne pozostanie na tym samym poziomie.

Jak używać termowizora?

Do termowizora zakładamy nowe baterie lub akumulatorki (często też dedykowany akumulator). Uruchamiamy termowizor za pomocą głównego wyłącznika. W pierwszej kolejności (jednorazowo) ustawiamy ostrość na okularze tak aby widzieć wyraźnie elementy wyświetlane na ekranie. Następnie kierujemy obiektyw w stronę obiektów odległych od co najmniej kilkanaście metrów. Ustawiamy ostrość obracając pierścieniem regulacji ostrości na obiektywie. Jeśli obraz nie jest zadowalający warto sprawdzić ustawienia jasności i kontrastu obrazu. Można też skorzystać z gotowych trybów obserwacyjnych. Zwykle termowizory posiadają tryb miejski i tryb leśny. W środowisku naturalnym, w lesie, różnice temperatur są niewielkie i aby je wydobyć należy podnieść kontrast i wzmocnienie używając tak zwanego trybu leśnego. W warunkach miejskich rozpiętości temperatur są zwykle dużo większe – tam używamy mniej kontrastowego trybu miejskiego.

    Co jakiś czas obraz jest w charakterystyczny sposób odświeżany – jest to tak zwana kalibracja obrazu czyli proces polegający na odjęciu sygnału termicznego generowanego przez sam termowizor. Po wykonaniu kalibracji obraz jest oczyszczany, znikają zakłócenia (zazwyczaj charakterystyczne pionowe linie). Podczas automatycznej kalibracji zwykle słyszalny jest cichy trzask – jest to dźwięk mechanicznej migawki która na moment zamyka przestrzeń pomiędzy obiektywem a przetwornikiem. Po zamknięciu migawki termowizor „widzi” jedynie swój własny sygnał będący zakłóceniem jakie należy odjąć od obrazu. Kalibracja może być wykonywana automatycznie, wówczas to automatyka termowizora na podstawie analizy obrazu decyduje o momencie wykonania kalibracji. Możliwe jest ustawienie trybu półautomatycznego w którym migawka wyzwalana jest przyciskiem (to na wypadek gdybyśmy obawiali się automatycznej kalibracji w najmniej odpowiednim momencie). Istnieje też kalibracja manualna przy której nie korzysta się z wbudowanej migawki i na czas kalibracji ręcznie zakrywa się obiektyw (dla wyeliminowania dźwięku migawki który mógłby np. spłoszyć zwierzynę). Niektóre termowizory (np. Dedal) wykorzystują kalibrację bezmigawkową która jest mniej skuteczna ale praktycznie bezobsługowa.

    Podczas obserwacji możemy wesprzeć się zoomem cyfrowym przy czym w związku z niezbyt wysokimi rozdzielczościami mikrobolometrów nie zaleca się stosowania zoomu cyfrowego większego niż 2x. Większość współcześnie produkowanych termowizorów posiada wbudowany rejestrator obrazu pozwalający zapisywać pliki wideo jak też przechwytywać pojedyncze klatki w postaci zdjęć. Ostatnio coraz częściej spotyka się też wbudowane moduły WiFi które pozwalają obserwować obraz z termowizora na tablecie lub smartfonie. Wystarczy zainstalować odpowiednią aplikację a następnie połączyć się z siecią WiFi stworzoną przez termowizor. Przykładem są tu produkty Pulsara które pozwalają na transmitowanie obrazu na urządzenie mobilne jak też na sterowanie podstawowymi funkcjami. Do tego celu stworzono dedykowaną aplikację StreamVision dostępną na systemu IOs oraz Android. Wśród producentów trwa wyścig na różnego rodzaju nowinki techniczne. W produktach Pulsara często spotkać można żyroskopy pozwalające określać położenie urządzenia. Żyroskopy pozwalają wykrywać boczne przechyły broni przy celowaniu, pozwalają określić moment w którym broń została odłożona na bok lub postawiona na stojaku.     Niektóre modele celowników pozwalają wyzwolić rejestrację obrazu po strzale na podstawie wykrytego wstrząsu spowodowanego odrzutem.

Podstawowe elementy kontrolne i składowe termowizora