サーマルカメラ – 仕組みとボロメータ技術を理解する

通常のカメラと同様に、サーマルカメラは赤外線熱波を使用して材料 (アモルファスシリコンまたは酸化バナジウム) に影響を与え、それによってその抵抗を変化させます。ただし、CMOS アレイを使用してレンズの集束効果を通過した光子を検出する通常のカメラとは異なります。この点に関しても、 低予算のサーマルカメラ は別の構成を使用します。

サーマルカメラのイメージャはボロメータと呼ばれます。

ボロメータには視覚カメラに比べて非常に大きなピクセルが含まれることが多いため、サーマルカメラの解像度は 640 x 480 に達する可能性があり、これは視覚カメラとしては比較的低い解像度です。熱エネルギーでは、熱はさまざまな電磁スペクトルを介して輸送されますが、熱イメージングではこれらのスペクトルのうちの 1 つである赤外線スペクトルのみがサンプリングされることに留意することが重要です。

このスペクトルでは、熱エネルギーは長距離を移動でき、非ガラスレンズを使用してボロメータに焦点を合わせることができるという点で、可視光エネルギーと同様に動作します。さらに、可視光と同様に、この赤外線放射は鏡で反射する可能性があります。

サーマルカメラを使用する際に最初に理解する必要があるのは、熱は画像に強い時間依存性があるということです。可視スペクトルでは、光は存在するか存在しません。熱環境では、オブジェクトの温度が画像内の他のオブジェクトに常に伝達されます。

近い間隔で撮影された同じオブジェクトの 2 つの画像には、知覚可能な変化が示される効果があります。手をテーブルの上に置いたり外したりするだけで手形が残り、室温まで冷えるまでに数秒かかる場合があります。

したがって、サーマルカメラでは、シーン全体の温度を制御するのと同様に、キャプチャのタイミングが重要です。ヒートシールされる材料の厚さに応じて、ヒートシール時の温度は 180F、2 秒後には 150F、わずか 10 秒で室温に近くなることがあるため、ヒートシール間の秒数が重要になります。シール作業と検査。

貴重な情報を取得するには、熱事象に応じて熱画像の検査を正確にスケジュールする必要があります。また、袋の内容物によりヒートシール温度が急速に低下する場合があります。

反射率と熱不透明性に関するサーマルカメラ

熱反射率と不透明度は、熱工学の次の問題です。ハリウッド映画では、サーマルカメラは障壁を透視する能力があるものとして描かれています。透明なガラスと水たまりの表面は熱的に不透明であるため、現実世界ではサーマルカメラがそれらを通して測定することさえできません。

さらに、空気中の水は赤外線スペクトルで伝わる温度を持っており、水分子の背後に熱の痕跡が隠蔽されるため、特に湿気の多い環境ではサーマルカメラは効果的に動作できません。蒸気または霧は熱半透明と不透明の中間に位置しますが、通常の乾燥した空気は熱的に透明です。

このため、湿気の多い環境や湿気の多い環境では、熱画像処理が困難になります。金属自体の熱の特徴ではなく、光路内にある物体の熱の特徴が、多くの場合熱を反射する光沢のある金属片によって反射されます。意外なことに、これがホイルがオーブンでうまく機能する理由です。熱環境を 2 つに分割し、熱エネルギーの対流/伝導のみを許可し、赤外線放射を拒否します。

したがって、熱画像と視覚画像は大きく異なりますが、いくつかの類似点もあります。表面の反射率、天候、湿度、解像度はすべて、熱画像に影響を与える要因です。エンジニアはすでにやるべきことがたくさんありますが、それだけではありません。

ボロメーター

安価な非冷却ボロメータと高価な冷却ボロメータのどちらを使用すべきでしょうか?違いはなんですか ？

冷却ボロメータは、非冷却ボロメータと比較して、非常にノイズのない画像を生成します (Teledyne FLIR ドキュメントより)。データのすべてのピクセルには、ランダムな変動であるノイズが含まれています。私の経験では、典型的な非冷却ボロメータのノイズは通常 5 度未満です。

非冷却デバイスは非常に便利で、通常センサーの検出範囲の中央にある 10 度以上の領域で意思決定を行う場合には問題なく動作する可能性があります。また、物体が速く動いている場合には、冷却ボロメータが最適な選択肢になります。冷却されていないボロメータ (左) と冷却されたボロメータ (右) を使用して時速 20 マイルで回転するタイヤが示されています (Teledyne FLIR の文献)。

左の画像ではホイールが静止しているように見えますが、これは、冷却されたボロメータが短時間露出すると、冷却されていないボロメータがリムの位置を識別することが困難になるためです。

熱画像撮影には追加の「照明」や電力が必要ないという利点がありますが、画像のどこかに黒体放射源を組み込むことで熱画像を改善できます。これらのデバイスの熱シグネチャは非常に正確で信頼性が高いため、センサーの熱ドリフトを考慮することができます。これは、冷却ボロメータを使用して 1 度以下の精度を達成しようとする場合に重要です。

取得後の画像は単なるグレースケール画像であり、暖かい物体はより白く見え、より冷たい物体はより暗く見えることに注意してください。

画像内の任意のピクセルの温度を度単位で定量的に計算する機能を除いて、形状マッチング、明暗間の遷移、さらには落下分析を含むすべてのビジョン ツールは、従来のビジョン システムとまったく同じように機能します。全体的な画像解像度が低いため、熱画像の処理は通常非常に高速です。

これは、640480 または 320240 のカメラ フレームに相当します。つまり、優れたコンピュータは通常、カメラの最高フレーム レートで各フレームに対して完全な応答を得ることができます。フリー フレーム キャプチャ モードでカメラを使用し、キューの存在に基づいてどの画像を使用するかを決定するビジョン システムを使用することで、システムを頻繁にスムーズにトリガーできることがわかりました。

これにより、清浄度の要件により画像キャプチャの同期が難しいという食品業界の重大な問題が解決されるだけでなく、危険な環境で使用されるシステムも改善されます。さらに、タイムトラベルして、材料の熱損失特性を直接測定することもできます。さらに、熱衝撃画像処理では、他の手段では確認することが難しい材料の欠陥を明らかにすることができます。

標準ビジョンカメラとサーマルカメラには類似点と相違点があります。

要約すると、サーマル カメラは標準ビジョン カメラと似ていますが、異なります。これらの違いを理解し、制限を軽減しながらカメラとエネルギー スペクトルの独自の機能を利用することで、他の従来の方法では簡単に再現できない機能を実現できます。サーマルインテグレーションに関する特別な経験を持つ資格のあるシステムインテグレータを利用すると、自分で実装するという落とし穴に陥ることなく、プロセスに対するサーマルイメージングの利点を実感することができます。