مقدمه ای بر اصل کار دوربین های مادون قرمز

در زمینه بینایی ماشین و بازرسی هوشمند،دوربین های مادون قرمز به تدریج در حال تبدیل شدن به ابزارهای ضروری درک بصری هستند. برخلاف دوربین‌های صنعتی سنتی که بر تصویربرداری از نور مرئی تکیه می‌کنند، دوربین‌های مادون قرمز سیگنال‌های تشعشع دریافتی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و تصاویر حرارتی بصری را از طریق الگوریتم‌های پردازش تصویر تولید می‌کنند، در نتیجه توزیع دما و تفاوت‌های مواد را آشکار می‌کنند که مستقیماً توسط چشم انسان قابل درک نیست. این فناوری دوربین های مادون قرمز را قادر می سازد تا در محیط های پیچیده صنعتی به تصویربرداری دقیق دست یابند. این به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند تشخیص تجهیزات، نظارت امنیتی، بازرسی انرژی، و تجزیه و تحلیل تحقیقات علمی استفاده می شود، و قابلیت های درک گسترده تر و ارزش کاربردی را برای سیستم بازرسی بصری به ارمغان می آورد.

ویژگی های دوربین مادون قرمز

دوربین مادون قرمز دستگاهی است که سیگنال تشعشع حرارتی یک جسم را گرفته و آن را به تصویر قابل مشاهده تبدیل می کند. در طبیعت، تمام اجسام با دمای بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد) پرتوهای مادون قرمز (یعنی تابش حرارتی) را به درجات مختلف ساطع می کنند. برخلاف نور مرئی، نور مادون قرمز برای روشنایی به منابع نور خارجی متکی نیست، بنابراین تصویربرداری همچنان در تاریکی کامل قابل انجام است.

در طیف الکترومغناطیسی، جو دارای جذب قوی نور مرئی و پرتوهای مادون قرمز نزدیک است، در حالی که در دو باند 3-5 میکرومتر و 8-14 میکرومتر، اتمسفر به شدت در برابر پرتوهای مادون قرمز نفوذپذیر است. این دو باند «پنجره اتمسفر» پرتوهای فروسرخ نامیده می شوند. با استفاده از این دو پنجره، دوربین مادون قرمز می تواند به وضوح توزیع گرمای جسم مورد نظر را در یک محیط تاریک یا شرایط سخت پر از دود و غبار مشاهده کند.

با این مزیت منحصر به فرد، فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز به طور گسترده در نظارت بر امنیت شبانه، بازرسی صنعتی، نظارت بر دمای تجهیزات و سایر زمینه ها استفاده می شود و پشتیبانی قابل اعتمادی برای نظارت بصری در محیط های پیچیده ارائه می دهد.

تصویربرداری دوربین مادون قرمز

محدوده طول موج نور مرئی برای چشم انسان تقریباً 0.38-0.78 میکرون است و امواج الکترومغناطیسی با طول موج های بیشتر از 0.78 میکرون را پرتوهای مادون قرمز می نامند. فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز بر این اصل استوار است: تمام اجسام موجود در طبیعت با دمای بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد) پرتوهای مادون قرمز با شدت های مختلف تابش می کنند.

دوربین های مادون قرمز تفاوت تشعشعات مادون قرمز بین جسم مورد نظر و پس زمینه را از طریق یک آشکارساز با حساسیت بالا دریافت می کنند و این سیگنال های تابش حرارتی نامرئی را به تصاویر قابل مشاهده تبدیل می کنند تا یک تصویر حرارتی تشکیل دهند.
این نوع تصویر حرارتی می تواند به طور شهودی توزیع دما را بر روی سطح یک جسم منعکس کند و به چشم انسان این امکان را می دهد که منطقه تغییر دما را به وضوح مشاهده کند.

با استفاده از این مکانیسم تصویربرداری، دوربین‌های مادون قرمز نه تنها می‌توانند مشاهدات را در شب یا در محیط‌های بدون نور انجام دهند، بلکه می‌توانند به نظارت و تجزیه و تحلیل دمای غیر تماسی و با دقت بالا در بازرسی‌های پیچیده صنعتی، تعمیر و نگهداری تجهیزات و سناریوهای اندازه‌گیری دما تحقیقات علمی دست یابند.

فناوری تصویربرداری دوربین مادون قرمز

دوربین‌های مادون قرمز از ابزارهای فنی مانند تبدیل فوتوالکتریک و پردازش سیگنال برای تبدیل اطلاعات توزیع دما بر روی سطح جسم مورد نظر به تصویر حرارتی یا تصویر ویدئویی استفاده می‌کنند و در نتیجه به نظارت و تجزیه و تحلیل بصری تغییرات دما دست می‌یابند.

با توجه به اصول مختلف تصویربرداری و روش های تشخیص، دوربین های حرارتی مادون قرمز را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یخچال دار و خنک نشده:

تصویرگر حرارتی مادون قرمز خنک شده از یک سیستم تبرید با دمای پایین استفاده می کند که می تواند نویز آشکارساز را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، حساسیت حرارتی و وضوح بالاتری دارد و برای زمینه های با دقت بالا مانند شناسایی نظامی و اکتشافات فضایی مناسب است.

دوربین تصویربرداری حرارتی مادون قرمز خنک نشده نیازی به دستگاه تبرید ندارد، ساختار جمع و جورتر، مصرف انرژی کمتر و سرعت پاسخگویی سریع دارد. اگرچه حساسیت کمی کمتر از نوع تبرید است، عملکرد آن می تواند نیازهای اکثر برنامه های غیرنظامی مانند تشخیص صنعتی، نظارت امنیتی، تشخیص پزشکی و آزمایش های تحقیقاتی علمی را برآورده کند.

با مزایای عملکرد تصویربرداری پایدار و قابل اعتماد و وابستگی کم به نور محیط، دوربین‌های مادون قرمز به تدریج به بخش مهمی از امنیت هوشمند، تعمیر و نگهداری پیش‌بینی تجهیزات، تشخیص انرژی و نظارت بر تولید خودکار تبدیل می‌شوند و پشتیبانی فنی برای ارتقای هوشمند در بسیاری از صنایع ارائه می‌دهند.

تفاوت های کلیدی بین دوربین های حرارتی و مادون قرمز

در زمینه هایی مانند بینایی ماشین، نظارت امنیتی و بازرسی صنعتی، دوربین های حرارتی و مادون قرمز دو روش تصویربرداری هستند که اغلب به آنها اشاره می شود. اگرچه هر دو مبتنی بر فناوری مادون قرمز هستند، اما تفاوت های قابل توجهی در اصول کار، ارائه تصویر، زمینه های کاربردی و غیره وجود دارد که درک این تفاوت ها به شما در انتخاب مناسب ترین تجهیزات در سناریوهای مختلف کمک می کند.

1. اصول تشخیص مختلف

دوربین مادون قرمز: عمدتاً با تکیه بر منابع نور مادون قرمز خارجی یا سیگنال های مادون قرمز محیطی، تابش مادون قرمز ساطع یا منعکس شده توسط اجسام را می گیرد. تحت شرایط نوری خاص، اطلاعات انعکاس سطح جسم را می توان برای تشکیل یک تصویر واضح به دست آورد.

دوربین تصویربرداری حرارتی: تنها به تشعشعات حرارتی تولید شده توسط خود جسم متکی است و نیازی به منبع نور خارجی ندارد. با تشخیص تفاوت دما در سطح یک شی، تصاویر را تولید می کند، بنابراین می تواند اهداف را حتی در تاریکی کامل یا محیط های سخت شناسایی کند.

2. تفاوت در اطلاعات تصویر

دوربین مادون قرمز: با گرفتن انعکاس نور یا تابش در باند مادون قرمز، می تواند شکل، مشخصات مواد و جزئیات کانتور اجسام را بیان کند و برای تشخیص هدف و نظارت بر صحنه مناسب است.

دوربین تصویربرداری حرارتی: بر روی تجسم اطلاعات دما تمرکز می کند و تصویر حرارتی خروجی توزیع دمای جسم را منعکس می کند. مناطق مختلف دما با تفاوت رنگ ارائه شده اند تا به شناسایی اجزای گرمای بیش از حد، نقاط تلفات انرژی یا اهداف پنهان کمک کنند.

3. تفاوت در سناریوهای کاربردی

دوربین‌های مادون قرمز: اغلب در نظارت بر دید در شب، مدیریت ترافیک، آزمایش‌های پزشکی، آزمایش‌های تحقیقاتی علمی و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شود و می‌تواند به شناسایی هدف و نظارت بر محیط‌زیست کمک کند.

دوربین تصویربرداری حرارتی: مناسب‌تر برای سناریوهایی که نیاز به اندازه‌گیری دما یا تجزیه و تحلیل توزیع گرما دارند، مانند تشخیص مصرف انرژی ساختمان، بازرسی تجهیزات الکتریکی، نجات آتش‌نشانی، اندازه‌گیری دمای صنعتی و مشاهده حیات وحش و غیره.

4. هزینه و پیچیدگی سیستم

دوربین مادون قرمز: فناوری بالغ است و هزینه آن نسبتاً پایین است. مدل هایی در بازار از درجه مصرف کننده تا درجه صنعتی وجود دارد که برای نیازهای کاربردی چند سطحی مناسب است.

دوربین تصویربرداری حرارتی: از آنجایی که مجهز به سنسور حرارتی بسیار حساس و سیستم کالیبراسیون دمایی دقیق است، هزینه ساخت آن بیشتر است. این عمدتا در زمینه های حرفه ای که به دقت دمای بالا نیاز دارند استفاده می شود.

به طور کلی، دوربین های مادون قرمز بر روی تشخیص تصویر و تصویربرداری صحنه تمرکز می کنند، در حالی که دوربین های تصویربرداری حرارتی بر تجزیه و تحلیل دما و تشخیص پنهان سازی تمرکز می کنند. اولی بیشتر به «روشن دیدن» توجه می کند، در حالی که دومی به «دقیق دیدن» توجه بیشتری دارد. در برنامه‌های نظارت هوشمند، بازرسی صنعتی و تحقیقات علمی، این دو اغلب می‌توانند مکمل یکدیگر باشند و به طور مشترک یک سیستم بازرسی و نظارت بصری کامل‌تر بسازند.

دوربین های مادون قرمز به دو دسته موج کوتاه و موج بلند تقسیم می شوند. تفاوت در چیست؟

1. باندهای کاری مختلف

موج کوتاه مادون قرمز (SWIR): محدوده طول موج تقریباً 0.9-1.7μm است (برخی می توانند تا 2.5μm گسترش یابند).

مادون قرمز موج بلند (LWIR): محدوده طول موج تقریباً 8-14 میکرومتر است.

طول موج کوتاه نزدیک به نور مرئی است، بنابراین می توان با استفاده از نور تا حدی منعکس شده تصویربرداری کرد. در حالی که طول موج بلند متعلق به باند تابش حرارتی است و به سیگنال تابش حرارتی خود جسم متکی است.

2. اصول تصویربرداری مختلف

SWIR (مادون قرمز موج کوتاه): متکی بر اصل تصویربرداری انعکاسی است، شبیه به دوربین نور مرئی، اما با باند طول موج متفاوت، بنابراین می تواند جزئیاتی را که دوربین های سنتی نمی توانند شناسایی کنند، مانند تفاوت در نفوذپذیری مواد، تغییرات رطوبت و غیره را ثبت کند.

LWIR (مادون قرمز موج بلند): بر اصل تصویربرداری تابش حرارتی متکی است، یعنی تشخیص انرژی تابش حرارتی مادون قرمز خود جسم، که می تواند مستقیماً توزیع دما را منعکس کند و اغلب برای تشخیص تصویربرداری حرارتی استفاده می شود.

3. زمینه های کاربردی مختلف

دوربین های مادون قرمز موج کوتاه عمدتاً برای شناسایی مواد، تشخیص پرسپکتیو و تجزیه و تحلیل رطوبت یا آلودگی استفاده می شوند. آنها می توانند جزئیات سطح و تفاوت های بافتی را که با نور مرئی نمایش داده نمی شوند، ثبت کنند. بنابراین، آنها در سناریوهای صنعتی مانند بازرسی نیمه هادی، بازرسی بطری شیشه ای، نظارت بر رطوبت و تراز لیزری عملکرد خوبی دارند.

دوربین های مادون قرمز موج بلند در تشخیص دما و نظارت بر انرژی حرارتی بهتر هستند و می توانند به طور مستقیم توزیع گرما و تغییرات انرژی را در سطح اجسام منعکس کنند. آنها اغلب در بازرسی تجهیزات الکتریکی، تشخیص خطای حرارتی، تجزیه و تحلیل مصرف انرژی ساختمان، نظارت بر آتش سوزی و سایر زمینه ها استفاده می شوند.

به طور کلی، مادون قرمز موج کوتاه بر روی 'دیدن ساختارها و مواد به وضوح' تمرکز می کند، در حالی که مادون قرمز موج بلند بیشتر بر 'بینش دما و انرژی' تمرکز دارد. هر دو نقش بی بدیل در سیستم های بینایی ماشین دارند.