Termokamere

Termokamere, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne kamere, so človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v srednji in dolgovalovni infrardeči del spektra.

Po delovanju in zgradbi so enake običajnim TV video kameram, imajo optiko, detektor IR sevanja, elektroniko za obdelavo signalov in zaslon za prikaz toplotne slike. Format slike običajno ustreza različnim TV standardom, od tod tudi ime »termovizija«, ki pa se vse manj uporablja. To ime je zaščitila švedska firma AGA, ki je leta 1965 izdelala prvo termokamero za nevojaške uporabnike. Američani te naprave že od začetkov razvoja , ki se je pri njih začel v petdesetih letih, imenujejo FLIR, »Forward Looking InfraRed«, medtem ko Evropejci pogosteje uporabljajo ime »Thermal Imager« ali »IR Camera«.

Uporabnost termokamer je omejena na območje »atmosferskih oken«, to je na tisti del spektra IR sevanja, ki ga ozračje prepušča v zadovoljivi meri. Najpomembnejši sta okni v območju valovnih dolžin med 3 in 5 ter med 8 in 14 mikrometri. Za termokamere je ugodna okoliščina, da telesa z normalnimi zemeljskimi temperaturami, to je približno 300K, sevajo največ energije prav v območju valovnih dolžin med 8 in 14 mikrometri.

Na kratko lahko rečemo, da termokamere združujejo tehnologije, ki v stvarnem času pretvarjajo toplotno sliko v vidno. Medtem ko je vidna slika predvsem rezultat razlik v reflektivnosti površin teles in je za njen nastanek nujno potrebna osvetlitev, bodisi z naravno ali umetno svetlobo, je toplotna slika rezultat lastnega sevanja, ki ga določata temperatura ter emitivnost površine sevalca. Prav v tem pa tiči razlog za izredno razširjeno uporabo termokamer na vseh področjih človekovega delovanja

Sestava termokamere

Glavni sestavni moduli tipične termokamere so:

• optika,
• detektor,
• elektronika,
• prikazovalnik slike.

Večina optoelektronskih naprav sprejema ali oddaja EM sevanje v obsegu valovnih dolžin od približno 0,2 do 20 mikrometrov, to je od ultravijolične, preko vidne do daljne infrardeče svetlobe. Najpomembnejše značilnosti tega dela spektra so, da ga ozračje večji del prepušča, da je naše oko občutljivo za svetlobo z valovnimi dolžinami od 0,4 do 0,7 mikrometra, in da telesa v območju zemeljskih temperatur največji del energije sevajo v pasu valovnih dolžin med 3 in 14 mikrometri, kar izkoriščajo termokamere.

Presek skozi sodobno termokamero z nehlajenim detektorjem IR sevanja
Na sliki je prikazana sodobna termokamera z nehlajenim matričnim bolometrskim IR detektorjem, ki ima 320x240 detektorskih elementov.

Detektor je srce termovizijske kamere, saj IR sevanje iz scene, ki ga nanj usmerja optika, pretvarja v električne signale. Njemu je podrejena celotna zasnova naprave, z njim je določena kvaliteta slike, občutljivost in, ne nazadnje, cena. Detektorje zaenkrat še najdražji element termokamere.

Detektorji se delijo v dve veliki skupini; v fotonske in termične. Fotonski so približno tisočkrat hitrejši in občutljivejši. Fotonski detektorji, ki delujejo v pasu 8-13 mikrometrov, se morajo hladiti na temperaturo 80K, kar jih precej podraži, hkrati pa zmanjša njihovo zanesljivost in skrajša življenjsko dobo. Dandanes se fotonski detektorji še vedno množično uporabljajo v vojaških termokamerah, medtem ko civilisti prisegajo na nehlajene termične detektorje.

Fotonski IR detektorji, tako fotoprevodni kot fotovoltaični, izkoriščajo fotoefekt, medtem ko termični izkoriščajo spremembe različnih lastnosti materialov, ki so funkcija temperature. Med najbolj razširjenimi in obetavnimi so bolometrični, feroelektrični in piroelektrični detektorji. Trenutno so v prednosti nehlajeni bolometrični detektorji, kajti njihova izdelava je najcenejša, ker sloni na monolitnem procesu, ki je kompatibilen s standardnim silicijevim procesom na 8 inčnih in večjih Si rezinah. Poleg tega imajo velik dinamični obseg, linearni odziv, ne potrebujejo čoperja tako kot feroelektrični in piroelektrični detektorji, imajo zelo majhen presluh med posameznimi elementi in široko spektralno odzivnost.

Prerez mikrobolometričnega detektorja.
Shema nehlajenega matričnega mikrobolometričnega IR detektorja.

Vsak posamezen element sestoji iz silicijevega nitrida v obliki mikromostu, ki stoji nad CMOS silicijevim substratom in je podprt z dvema nožicama tudi iz silicijevega nitrida. Na mikromost je naparjena tanka plast bolometrskega materiala. Običajno je to vanadijev oksid (VOx), ki je trenutno najboljši material s temperaturnim koeficientom upornosti približno 2%/K pri sobni temperaturi. Vsak detektor je povezan preko dveh poti s spodnjo celico na substratu, kjer je že vsa potrebna elektronika za čitanje in predobdelavo signalov.

	Video in SEM mikrobolometrični detektor Slika Video in SEM mikrobolometričnega detektorja na substratu CMOS integriranega vezja.
	Modul bolometričnega nehlajenega matričnega IR detektorja   Slika modula bolometričnega nehlajenega matričnega IR detektorja s 320x240 elementi.
	Modul hlajenega PtSi matričnega IR detektorja Slika modula hlajenega PtSi matričnega IR detektorja s 320x240 elementi

Odzivni čas termičnih detektorjev je reda milisekunde, tako da so zelo primerni za ustvarjanje slik v stvarnem času po televizijskih normah.

Optika ima tudi pri termokamerah nalogo, da ustvari čim boljšo sliko scene. Konstruirana in izdelana je po enakih principih kot optika za vidno svetlobo, a od nje se razlikuje z nekaj posebnostmi, ki zelo grenijo življenje izdelovalcem. Materiali, iz katerih se izdeluje, pa so pravi posebneži, tako po lastnostih, kot ceni. Njihova najpomembnejša lastnost je, da čimbolje prepuščajo IR sevanje. Med številno množico je najbolj znan in uporaben germanij. Uporablja se praktično v vseh napravah, ki sprejemajo IR sevanje v pasu od 8 do 14 mikrometrov. V spektru od 3 do 5 mikrometrov je najbolj uporabljan material silicij, pogosto pa srečamo tudi safir, seveda za manjše optične elemente.

Elektronika obdeluje električne signale detektorja z algoritmi dobro znanimi in preskušenimi v televizijski in računalniški tehniki. Termično sliko se prikaže na zaslonu, ki je pri sodobnih termokamerah najpogosteje tipa LCD. V termokamerah je običajno vgrajen tudi program za kvantitativno analizo toplotne slike (termograma), tako da lahko takoj na licu mesta odčitamo temperaturo v poljubni točki na površini merjenca.