Инфракрасное излучение — это излучение волны с длиной больше 750~800 nm/нм (нанометров), верхней границы видимого диапазона длин волн. В повседневной жизни мы часто встречаемся с электромагнитным световым излучением в различных формах, например: видимый световой спектр, ультрафиолетовый спектр, радиоволны и рентгеновское излучение, которые различаются только длиной волны.
Для того, чтобы «видеть» в инфракрасном свете, используются инфракрасные камеры. Их способность обнаруживать инфракрасное излучение (тепло) делает их хорошим инструментом для ночного видения, обнаружения повышения температуры и для многих других задач.
Для областей инфракрасного спектра используется следующая классификация:
- ближняя инфракрасная область спектра или NIR-диапазон;
- коротковолновая инфракрасная область спектра или SWIR-диапазон;
- средневолновая инфракрасная область спектра или MWIR-диапазон;
- длинноволновая инфракрасная область спектра или LWIR-диапазон.
У каждого диапазона свои возможности применения и свой тип камер для съемки в нем.
Инфракрасное излучение также называют тепловым излучением, потому что излучение нагретых тел в значительной степени приходится на инфракрасную область. В отличие от видимого света инфракрасное излучение даёт информацию не только о поверхностном слое, но и о внутренней структуре объекта: чем длиннее волна, тем глубже её проникновение. Это позволяет выбирать, будет ли исследоваться поверхность или внутренняя часть.
NIR диапазон (Near infrared)
Для съемки в ближнем ИК-диапазоне используют камеры с NIR-сенсорами (улучшенные кремниевые сенсоры), которые позволяют увидеть изображение на длине волны от 650 до 1400 нм. В этом диапазоне на камере видно отражение инфракрасного цвета от поверхности. Нанесенная светлая цветная краска уже не влияет на получаемое изображение — таким образом красные, синие и зеленые предметы будут «белыми» на изображении, а поглощающие ИК-цвета (черный и темные оттенки) — остаются черными на снимке.
В ближнем ИК (NIR) можно вести наблюдение за следующими объектами:
- дорожная инфраструктура для автопилота (автоведение поезда, автомобиля и т.д.) без видимых вспышек для человека;
- контроль объектов на конвейере (подсчет птенцов без пугающих вспышек света, работа системы вблизи людей);
- инспекция нагретых материалов (литейные ковши, трубопрокат, контроль на прогар, нагревательные элементы);
- инспекция непрозрачность жидкостей (многие из темных и цветных жидкостей становятся прозрачными в ИК, что позволяет своевременно обнаруживать посторонние предметы и включения)
- контроль печати маркировки, срока годности и штрих-кода;
- лазерная триангуляция. Многие системы лазерной 3D-инспекции используют ИК- лазеры большой мощности в паре с камерой, оснащенной ИК-пропускающим фильтром;
- • контроль за здоровьем растений (здоровые листья значительно лучше отражают NIR-диапазон).
SWIR диапазон (Short-wave infrared)
Коротковолновой SWIR-диапазон охватывает спектр с длиной волны от 1.4 до 3 мкм. В отличие от излучения среднего и длинного ИК-диапазонов, которые исходят от самих объектов, SWIR-излучение близко к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает широкий динамический диапазон, необходимый для изображений с высоким разрешением.
Кремниевые сенсоры не подходят для SWIR-диапазона: для наблюдения за объектами в коротковолновом ИК-диапазоне в камерах используют InGaAs сенсоры. Для достижения наилучших результатов работы в этом диапазоне важно использовать оптику, имеющую специальное просветляющее покрытие и предназначенное для съемки в SWIR-диапазоне. Использование объективов, предназначенных для волн видимого спектра, приводит к получению снимков низкого разрешения с более высокой оптической аберрацией.
Область применения SWIR-камер многообразна:
- с помощью SWIR реализуют фотосепарацию на гниль для овощей и фруктов. Волны SWIR-диапазона проникают через кожуру и отражаются непосредственно мякотью, в месте гнили на снимке камеры будет отлично видно скопление жидкости в виде потемнения;
- контролируют обледенение;
- способны видеть сквозь туман и дым, тонировку и жидкости. SWIR часто применяют для навигации в порту, при спасательных работах;
- контроль нагретых объектов (термоскопия от 200 °С);
- ночное виденье без подсветки за счет излучения звезд (при ясном небе);
- проверка подлинности картин (в SWIR-диапазоне масляная краска становится прозрачной, таким образом на снимке видны карандашные штрихи художника);
- проверка солнечных панелей.
MWIR диапазон (Mid-wave infrared)
MWIR — средневолновый диапазон охватывает излучение с длинами волн от 3 до 8 мкм. Данный диапазон широко используется в тепловизорах. Оптимальной детектируемой температурой для данного диапазона является несколько сотен градусов, но регистрация объектов возможна от 0 °С. Камеры средневолнового диапазона идеально подходят для наблюдения на большом расстоянии, обеспечивая детальное изображение днем и ночью даже в сложных условиях, таких как туман, дождь или дым.
Наиболее подходящими применениями для инфракрасных камер MWIR-диапазона являются:
- баллистика;
- химическая идентификация;
- обнаружение, идентификация и распознавание техники по тепловому излучению самого объекта или следу от него;
- анализ горения (в т.ч. инфракрасная спектроскопия);
- 3Д печать и др.
LWIR диапазон (Long-wave infrared)
Длинноволновой спектральный диапазон (LWIR) изменяется в районе от 8 мкм до 15 мкм, сенсоры в данном спектральном диапазоне детектируют излучение? исходящее от тел с температурой, близкой к нулю градусов Цельсия, а наиболее чувствительные камеры способны регистрировать излучение от объектов с температурой до -40 °С. В LWIR- диапазоне можно наблюдать излучения от нагретых окружающих вещей. В данном диапазоне работают охлаждаемые тепловизоры.
Инфракрасные камеры LWIR-диапазона применяются в:
- экспериментальной механике;
- неразрушающем контроле;
- беcконтактном определении температуры человека;
- минеральной идентификации и др.
В заключении хотим сказать, что камеры инфракрасного диапазона набирают всё большую популярность на рынке систем видеонаблюдения и машинного зрения, так как позволяют решить множество задач, которые невозможно инспектировать в видимом спектре.