Каждый из нас хоть раз мечтал обзавестись парочкой сверхспособностей вроде умения летать или видеть в темноте. Развитие технологий уже много лет позволяет людям хотя бы отчасти воплотить эти мечты в реальность. К примеру, тепловизор обеспечивает пользователя дополнительным каналом видения – тепловым, благодаря чему человек может видеть в темноте без дополнительной подсветки. В нашей статье мы расскажем вам о том, как работают подобные устройства.
В 1800 году английский астроном Фредерик Уильям Гершель экспериментировал с разными светофильтрами для наблюдения Солнца. Учёный заметил, что за разными цветами фильтров тепло солнечных лучей ощущалось с разной интенсивностью, что подтвердил опыт с термометрами: фильтр зелёного цвета пропускал меньше тепла, чем фильтр красного цвета. В ходе эксперимента Гершель отметил, что в природе также есть лучи, которые существуют вне видимого светового спектра, но несут более интенсивное тепловое излучение: так называемые «инфракрасные» лучи. Открытие Гершеля положило начало развитию разнообразных методик по измерению инфракрасного излучения. Каждый объект с температурой выше абсолютного нуля (-273 °С) имеет свою тепловую сигнатуру, то есть является источником тепловой энергии, которую можно измерять по электромагнитному излучению в инфракрасном спектре. Примерно до Первой мировой войны «детекторы» ИК-излучения были представлены термопарами, термостолбиками, металлическими болометрами и пр. приборами, принцип работы которых базировался на измерении изменений электрического сопротивления термочувствительных материалов.
Первый прибор ночного видения с возможностью графически отображать излучение в инфракрасном диапазоне в 1929 году изобрёл венгерский физик Кальман Тиханьи. Он представлял собой устройство похожее на телевизионную камеру: его использовали для нужд британской ПВО. Кроме того, ранние «тепловизоры» нашли применение в гражданском секторе, а именно в судоходстве: конструкции из термопар и зеркал использовали для обнаружения айсбергов и других судов. За ними последовали устройства, которые отслеживали лесные пожары и анализировали равномерность прогрева стальных листов.
В годы Второй мировой и холодной войн учёные продолжали развитие пироэлектрических вакуумных тепловизионных датчиков для получения изображений в ИК-спектре. Кроме того, в 40-х годах XX века компания Bell разработала первый в мире полупроводниковый болометр – достаточно простой, надёжный и чувствительный прибор, который получил широкое распространение в научной сфере. Впрочем, позже его вытеснили тепловизоры с пироэлектрическими, а затем и с твердотельными сенсорами.
Современные тепловизоры базируются на так называемых неохлаждаемых микроболометрических матрицах. Эти матрицы представляют собой сгруппированные в сетку полупроводниковые микроболометры из оксида ванадия или аморфного кремния, нанесённые поверх кремниевой сетки. Как и более 100 лет назад, принцип работы микроболометров основан на измерении изменений электрического сопротивления материала терморезистора под воздействием инфракрасного излучения, однако, в отличие от других типов ИК-сенсоров, они не нуждаются в охлаждении. Показатели колебаний электрического сопротивления конвертируются в разность температур, которые отображаются графически. Сфокусированное на матрице инфракрасное излучение тепловизор воспроизводит в форме температурной карты, на которой каждому значению температуры присваивается условный цвет.
Для максимально точного отображения данных следует выбирать качественные приборы, которые имеют высокую разрешающую способность, температурный порог и уровень чёткости изображения. К счастью, многие бренды-производители тепловизионной оптики, давно заслужившие хорошую репутацию и доверие покупателей, имеют официальных представителей во всём мире, и купить тепловизор в Киеве, Амстердаме или Токио не составит труда. Сегодня на рынке представлено множество моделей, которые подойдут для выполнения различных задач. К примеру, тепловизоры Pulsar Helion 2 XP50 Pro и iRay xEye E3n относятся к совершенно разным ценовым категориям, однако обе модели признаны пользователями одними из лучших устройств для ведения наблюдения или охоты.
К слову, способность преобразовать ИК-излучение в понятную для человеческого восприятия картинку делает тепловизор универсальным прибором, применение которому найдётся в любой сфере. С помощью тепловизоров специалисты могут обнаруживать утечки тепла в теплоизоляции зданий и трубопроводов, точки перегрева в домашней или автомобильной электропроводке, на трансформаторных подстанциях или ЛЭП и т. п. Кроме того, тепловизионная оптика полезна сотрудникам оперативно-спасательных групп при тушении пожаров для локализации очагов возгорания или поиска пострадавших в условиях сильного задымления. Взаимодействие тепловизоров с животными совершенно не ограничено применением подобных устройств на охоте: их также используют учёные для неинтрузивного наблюдения за дикой природой и сотрудники служб по борьбе с вредителями для поиска нежелательных гостей из животного мира в затемнённых подвалах и чердаках.
В последние годы тепловизионная оптика активно интегрируется в системы навигации как для морского, так и для наземного транспорта. Тепловизоры также чрезвычайно полезны для контроля температуры сложных процессов в металлургии, машиностроении, а также в научно-исследовательской работе. Кроме того, термографию широко применяют в медицине, например, для бесконтактного измерения температуры, в том числе в рамках мер по выделению лиц с высокой температурой из толпы. К тому же существуют экспериментальные методы диагностики различных заболеваний, воспалительных процессов и даже злокачественных опухолей при помощи тепловизоров. Возможность обнаруживать объекты по их температурной сигнатуре особенно актуальна для сотрудников правоохранительных органов и военнослужащих. В отличие от традиционных приборов ночного видения, которые усиливают отражённый от объектов слабый видимый свет звёзд, Луны и пр. источников, тепловизор даёт возможность выполнять служебные задачи в условиях минимальной освещённости, например, в пасмурную безлунную ночь.
