รู้จักเครื่องเทอร์โมสแกนคืออะไร

เทอร์โมสแกนคืออะไร

“เทอร์โมสแกน” เรียกอีกอย่างว่ากล้องถ่ายภาพความร้อน ( thermographic camera/thermal imaging camera) หรือเครื่องถ่ายภาพความร้อน (thermal imager) หรือกล้องอินฟราเรด (infrared camera) เป็นอุปกรณ์ที่สร้างภาพโดยใช้รังสีอินฟราเรด คล้ายกับกล้องทั่วไปที่สร้างภาพโดยใช้แสงที่มองเห็นได้  แทนที่จะอยู่ในช่วง 400–700 นาโนเมตรของกล้องแสงที่มองเห็นได้  

แต่เครื่องเทอร์โมสแกนจะมีความไวต่อความยาวคลื่นตั้งแต่ประมาณ 1,000 นาโนเมตร (1 μm) ถึงประมาณ 14,000 นาโนเมตร (14 μm) การปฏิบัติการจับและวิเคราะห์ข้อมูลให้เรียกว่า “เทอร์โมกราฟฟี“

เซ็นเซอร์อัจฉริยะ

การพัฒนาระบบรักษาความปลอดภัยที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือความสามารถในการประเมินสัญญาณอย่างชาญฉลาดตลอดจนการเตือนภัยคุกคาม ภายใต้การสนับสนุนของ US Strategic Defense Initiative “เซ็นเซอร์อัจฉริยะ” จึงได้เริ่มปรากฏขึ้น เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถรวมการตรวจจับการสกัดสัญญาณการประมวลผลและการทำความเข้าใจ

Smart Sensors มีสองประเภทหลัก ๆ สิ่งหนึ่งที่คล้ายกับสิ่งที่เรียกว่า “ชิปการมองเห็น” เมื่อใช้ในช่วงที่มองเห็นได้อนุญาตให้ประมวลผลล่วงหน้าโดยใช้เทคนิค Smart Sensing เนื่องจากการเติบโตของไมโครวงจรรวมที่เพิ่มขึ้น  เทคโนโลยีอื่น ๆ มุ่งเน้นไปที่การใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นและบรรลุเป้าหมายก่อนการประมวลผลผ่านการออกแบบและโครงสร้าง

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 การใช้อินฟราเรดกำลังก้าวไปสู่การใช้งานทั่วไปกล้องเทอร์โมสแกนมีการลดต้นทุนอย่างมากสำหรับอาร์เรย์ที่ไม่มีการระบายความร้อนซึ่งควบคู่ไปกับการพัฒนาที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนำไปสู่ตลาดการใช้งานสองทางระหว่างพลเรือนและทหาร การใช้งานเหล่านี้รวมถึงการควบคุมสิ่งแวดล้อม, การวิเคราะห์อาคาร / ศิลปะ, การวินิจฉัยทางการแพทย์, ระบบแนะนำรถยนต์และระบบหลีกเลี่ยงการชน

ทฤษฎีของกล้องเทอร์โมสแกน

พลังงานอินฟราเรดเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งครอบคลุมรังสีจากรังสีแกมมา รังสีเอกซ์อัลตราไวโอเลตพื้นที่บาง ๆ ของแสงที่มองเห็นได้อินฟราเรดคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องและแตกต่างกันตามความยาวของคลื่น (ความยาวคลื่น) วัตถุทั้งหมดปล่อยรังสีร่างกายสีดำจำนวนหนึ่งออกมาตามหน้าที่ของอุณหภูมิ 

โดยทั่วไปยิ่งอุณหภูมิของวัตถุสูงขึ้นเท่าใดรังสีอินฟราเรดก็จะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีตัวดำ กล้องพิเศษสามารถตรวจจับรังสีนี้ในลักษณะเดียวกับที่กล้องธรรมดาตรวจจับแสงที่มองเห็นได้ แม้จะทำงานในความมืดสนิทเพราะระดับแสงโดยรอบไม่สำคัญ สิ่งนี้ทำให้มีประโยชน์สำหรับปฏิบัติการช่วยเหลือในอาคารที่เต็มไปด้วยควันและใต้ดิน

ความแตกต่างที่สำคัญกับกล้องออพติคอลคือเลนส์โฟกัสไม่สามารถทำจากแก้วได้เนื่องจากแก้วปิดกั้นแสงอินฟราเรดคลื่นยาว โดยทั่วไปช่วงสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนอยู่ระหว่าง 7 ถึง 14 ไมครอน ต้องใช้วัสดุพิเศษเช่นเจอร์เมเนียมแคลเซียมฟลูออไรด์ซิลิกอนผลึกหรือแว่นตาชอลโคจิไนด์ชนิดพิเศษที่พัฒนาขึ้นใหม่

ยกเว้นแคลเซียมฟลูออไรด์วัสดุทั้งหมดนี้ค่อนข้างแข็งและมีดัชนีหักเหสูง (สำหรับเจอร์เมเนียม n = 4) ซึ่งนำไปสู่การสะท้อนเฟรสสูงมากจากพื้นผิวที่ไม่เคลือบผิว (มากถึง 30%) ด้วยเหตุนี้เลนส์ส่วนใหญ่ที่ใช้กับกล้องถ่ายภาพความร้อนจะมีสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อน ราคาที่สูงขึ้นของเลนส์พิเศษเหล่านี้เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้กล้องถ่ายภาพความร้อนมีราคาแพงกว่า

การใช้งาน

ภาพจากกล้องเทอร์โมสแกนอินฟราเรดจะเหมือนกับการใช้งานเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดแต่เทอร์โมสแกนมักจะเป็นภาพขาวดำเนื่องจากโดยทั่วไปกล้องจะใช้เซ็นเซอร์ภาพที่ไม่แยกแยะความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรดที่แตกต่างกัน ตัวเซ็นเซอร์ภาพสีต้องการโครงสร้างที่ซับซ้อนเพื่อแยกความแตกต่างของความยาวคลื่นและสีมีความหมายน้อยกว่านอกสเปกตรัมปกติที่มองเห็นได้เนื่องจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกันไม่ได้จับคู่อย่างสม่ำเสมอในระบบการมองเห็นสีที่มนุษย์ใช้

บางครั้งภาพสีเดียวเหล่านี้จะแสดงเป็นสีหลอกซึ่งจะใช้การเปลี่ยนแปลงของสีแทนการเปลี่ยนแปลงความเข้มเพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ เทคนิคนี้เรียกว่าการแบ่งส่วนความหนาแน่นมีประโยชน์เพราะแม้ว่ามนุษย์จะมีช่วงไดนามิกในการตรวจจับความเข้มมากกว่าสีโดยรวม แต่ความสามารถในการมองเห็นความแตกต่างของความเข้มละเอียดในพื้นที่สว่างก็ค่อนข้างจำกัด

สำหรับใช้ในการวัดอุณหภูมิส่วนที่สว่างที่สุด (อบอุ่นที่สุด) ของภาพจะมี สีขาวตามปกติอุณหภูมิปานกลางสีแดงและสีเหลืองและส่วนที่มืดที่สุด (เย็นที่สุด) เป็นสีดำ ควรแสดงมาตราส่วนถัดจากภาพสีเท็จเพื่อให้สีสัมพันธ์กับอุณหภูมิ ความละเอียดต่ำกว่ากล้องออพติคอลอย่างมากโดยส่วนใหญ่เป็นเพียง 160 x 120 หรือ 320 x 240 พิกเซลแม้ว่ากล้องที่มีราคาแพงกว่าจะสามารถให้ความละเอียด 1280 x 1024 พิกเซลได้ กล้องถ่ายภาพความร้อนมีราคาแพงกว่ากล้องถ่ายภาพสเปกตรัมที่มองเห็นได้อย่างมาก

รุ่นที่สูงกว่ามักถูกมองว่าเป็นแบบ dual-use และ จำกัด การส่งออกโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าความละเอียด 640 x 480 หรือสูงกว่าเว้นแต่อัตราการรีเฟรชจะเท่ากับ 9 Hz หรือน้อยกว่า การส่งออกกล้องถ่ายภาพความร้อนอยู่ภายใต้การควบคุมของ International Traffic in Arms Regulations

ในเครื่องตรวจจับที่ไม่มีการระบายความร้อนความแตกต่างของอุณหภูมิที่พิกเซลของเซ็นเซอร์คือนาที ความแตกต่าง 1 ° C ในที่เกิดเหตุทำให้เกิดความแตกต่างเพียง 0.03 ° C ที่เซ็นเซอร์ เวลาตอบสนองของพิกเซลก็ค่อนข้างช้าเช่นกันที่ช่วงหลายสิบมิลลิวินาที

พบประโยชน์อื่นๆ อีกมากมายตัวอย่างเช่นนักผจญเพลิงใช้เพื่อมองทะลุควันค้นหาผู้คนและระบุจุดที่เกิดเพลิงไหม้ ด้วยการถ่ายภาพความร้อน ช่างซ่อมบำรุงสายไฟจะค้นหาข้อต่อและชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงเกินไปซึ่งเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงความล้มเหลวเพื่อขจัดอันตรายที่อาจเกิดขึ้น ในกรณีที่ฉนวนกันความร้อนเกิดข้อผิดพลาดช่างก่อสร้างอาคารสามารถตรวจดูการรั่วไหลของความร้อนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของการทำความเย็นหรือความร้อนของเครื่องปรับอากาศ  นอกจากนี้ยังมีการติดตั้งกล้องถ่ายภาพความร้อนในรถยนต์หรูบางรุ่นเพื่อช่วยผู้ขับขี่ (ยานยนต์ในตอนกลางคืน) ซึ่งเป็นรุ่นแรกของ Cadillac DeVille ปี 2000  กิจกรรมทางสรีรวิทยาบางอย่างโดยเฉพาะการตอบสนองเช่นไข้ในมนุษย์และสัตว์เลือดอุ่นอื่น ๆ สามารถตรวจสอบได้ด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อน

ประเภทกล้องเทอร์โมสแกน

กล้องถ่ายภาพความร้อนแบ่งออกได้อย่างกว้าง ๆ เป็น 2 ประเภทคือกล้องที่มีเครื่องตรวจจับภาพอินฟราเรดแบบระบายความร้อนและกล้องที่มีเครื่องตรวจจับที่ไม่ระบายความร้อน

1) กล้องที่มีเครื่องตรวจจับภาพอินฟราเรดแบบระบายความร้อน

โดยทั่วไปแล้วเครื่องตรวจจับความเย็นจะบรรจุอยู่ในกล่องปิดผนึกสูญญากาศหรือ Dewar และระบายความร้อนด้วยอุณหภูมิ การระบายความร้อนเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการทำงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ อุณหภูมิในการทำงานโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 4 K ถึงต่ำกว่าอุณหภูมิห้องขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับ เครื่องตรวจจับระบายความร้อนที่ทันสมัยส่วนใหญ่ทำงานในช่วง 60 K ถึง 100 K (-213 ถึง -173 ° C) ขึ้นอยู่กับประเภทและระดับประสิทธิภาพ

หากไม่มีการระบายความร้อนเซ็นเซอร์เหล่านี้ (ซึ่งตรวจจับและแปลงแสงในลักษณะเดียวกับกล้องดิจิทัลทั่วไป แต่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน) จะ ‘ตาบอด’ หรือท่วมด้วยรังสี ข้อเสียของกล้องอินฟราเรดแบบระบายความร้อนคือมีราคาแพงทั้งในการผลิตและการใช้งาน การทำความเย็นนั้นใช้พลังงานมากและใช้เวลานาน

กล้องอาจต้องใช้เวลาหลายนาทีในการทำให้กล้องเย็นลงก่อนจึงจะเริ่มทำงานได้ ระบบทำความเย็นที่ใช้กันมากที่สุดคือเครื่องทำความเย็นแบบ peltier ซึ่งแม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพและมีความสามารถในการทำความเย็นที่จำกัด    แต่ก็ค่อนข้างเรียบง่ายและมีขนาดกะทัดรัด เพื่อให้ได้คุณภาพของภาพที่ดีขึ้นหรือสำหรับการถ่ายภาพวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำจำเป็นต้องใช้เครื่องทำความเย็นของเครื่องยนต์ Stirling แม้ว่าเครื่องทำความเย็นอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่และมีราคาแพง แต่กล้องอินฟราเรดที่ระบายความร้อนด้วยความเย็นจะให้คุณภาพของภาพที่เหนือกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องที่ไม่ได้ทำความเย็นโดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตถุที่อยู่ใกล้หรือต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง

นอกจากนี้ความไวแสงที่มากขึ้นของกล้องที่ระบายความร้อนยังช่วยให้สามารถใช้เลนส์ F-number ที่สูงขึ้นได้ทำให้เลนส์ทางยาวโฟกัสยาวประสิทธิภาพสูงทั้งมีขนาดเล็กและราคาถูกกว่าสำหรับเครื่องตรวจจับที่ระบายความร้อน

อีกทางเลือกหนึ่งของเครื่องทำความเย็นเครื่องยนต์ Stirling คือการใช้ก๊าซบรรจุขวดด้วยความดันสูงไนโตรเจนเป็นทางเลือกทั่วไป ก๊าซที่มีความดันจะขยายตัวผ่านช่องปากขนาดเล็กและส่งผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็กซึ่งส่งผลให้เกิดการระบายความร้อนแบบใหม่โดยใช้ผล Joule – Thomson สำหรับระบบดังกล่าวการจัดหาก๊าซแรงดันเป็นเรื่องที่ต้องคำนึงถึงด้านลอจิสติกส์สำหรับการใช้งานภาคสนาม

วัสดุที่ใช้สำหรับการตรวจจับอินฟราเรดแบบระบายความร้อน ได้แก่ โฟโตเดตเตอร์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างแคบ ๆ ที่หลากหลายรวมทั้งอินเดียมแอนติโมไนด์ (3-5 μm) อินเดียมอาร์เซไนด์แคดเมียมเทลลูไรด์ (MCT) (1-2 m, 3-5 μm, 8-12 μm) ตะกั่วซัลไฟด์และตะกั่วซีลีไนด์ ตัวตรวจจับแสงอินฟราเรดสามารถสร้างขึ้นด้วยโครงสร้างของเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปสูงเช่นในโฟโตเดตเตอร์อินฟราเรดแบบควอนตัม  มีเทคโนโลยีโบโลมิเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยสารตัวนำยิ่งยวดและไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวดหลายตัว   โดยหลักการแล้วอุปกรณ์เชื่อมต่ออุโมงค์ตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์อินฟราเรดได้เนื่องจากช่องว่างที่แคบมาก มีการสาธิตอาร์เรย์ขนาดเล็ก พวกเขาไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางสำหรับการใช้งานเนื่องจากความไวสูงต้องการการป้องกันอย่างระมัดระวังจากรังสีพื้นหลัง เครื่องตรวจจับตัวนำยิ่งยวดมีความไวสูงโดยบางตัวสามารถบันทึกโฟตอนแต่ละตัวได้ ตัวอย่างเช่นกล้องตัวนำยิ่งยวด (SCAM) ของ ESA อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ได้ใช้งานเป็นประจำนอกเหนือจากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

2) กล้องที่มีเครื่องตรวจจับอินฟราเรดที่ไม่มีการระบายความร้อน

กล้องถ่ายภาพความร้อนที่ไม่มีการระบายความร้อนจะใช้เซ็นเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิโดยรอบหรือเซ็นเซอร์มีความเสถียรที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมโดยใช้องค์ประกอบควบคุมอุณหภูมิขนาดเล็ก เครื่องตรวจจับที่ไม่มีการระบายความร้อนสมัยใหม่ทั้งหมดใช้เซ็นเซอร์ที่ทำงานโดยการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าเมื่อได้รับความร้อนจากรังสีอินฟราเรด จากนั้นการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะถูกวัดและเปรียบเทียบกับค่าที่อุณหภูมิการทำงานของเซ็นเซอร์ 

เซ็นเซอร์อินฟราเรดที่ไม่มีการระบายความร้อนสามารถปรับให้เสถียรถึงอุณหภูมิในการทำงานเพื่อลดสัญญาณรบกวนของภาพ แต่ไม่ได้ถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำและไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องทำความเย็นแบบแช่แข็งขนาดใหญ่ราคาแพงและสิ้นเปลืองพลังงาน ทำให้กล้องอินฟราเรดมีขนาดเล็กลงและมีค่าใช้จ่ายน้อยลง อย่างไรก็ตามความละเอียดและคุณภาพของภาพมักจะต่ำกว่าตัวตรวจจับแบบระบายความร้อน เนื่องจากความแตกต่างในกระบวนการประดิษฐ์ซึ่งถูก จำกัด ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน กล้องระบายความร้อนที่ไม่มีการระบายความร้อนยังต้องจัดการกับลายเซ็นความร้อนของตัวเอง  เครื่องตรวจจับที่ไม่มีการระบายความร้อนส่วนใหญ่ใช้วัสดุไพโรอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริกหรือเทคโนโลยีไมโครโบล วัสดุนี้ใช้เพื่อสร้างพิกเซลที่มีคุณสมบัติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูงซึ่งฉนวนกันความร้อนจากสิ่งแวดล้อมและอ่านด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์  เครื่องตรวจจับเฟอร์โรอิเล็กทริกทำงานใกล้เคียงกับอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสของวัสดุเซ็นเซอร์ อุณหภูมิพิกเซลถูกอ่านว่าเป็นประจุโพลาไรซ์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูง

ข้อมูลจำเพาะ

พารามิเตอร์สำคัญบางประการซึ่งเป็นข้อกำหนดในการเลือกซื้อระบบกล้องอินฟราเรด ได้แก่จำนวนพิกเซล อัตราเฟรม การตอบสนอง สัญญาณรบกวน ความแตกต่างของอุณหภูมิ แถบสเปกตรัม อัตราส่วนระยะต่อจุด (D: S) ระยะโฟกัสต่ำสุด อายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ ความแตกต่างของอุณหภูมิต่ำสุดที่แก้ไขได้ มุมมอง ช่วงไดนามิก กำลังไฟฟ้า