Стекло непрозрачно для длинноволнового инфракрасного излучения — тепловизор за обычным объективом не увидел бы вообще ничего. Тепловизионная оптика строится из германия и небольшого семейства похожих экзотических материалов, и три конструктивных следствия этого выбора объясняют и характеристики, и цену любой тепловизионной нагрузки: фиксированные светосильные апертуры, отсутствие диафрагмы и необходимость атермализации.
Ключевые выводы
- Германий пропускает диапазон 8–14 мкм и поддаётся обработке до прецизионных поверхностей. Он же дорог, покрыт мягким покрытием и легко портится — поцарапанный тепловизионный объектив меняют, а не ремонтируют.
- Тепловизионные объективы имеют фиксированную апертуру и почти повсеместно f/1,0, потому что сигнал пропорционален собранному излучению, а f/1,0 собирает примерно вчетверо больше энергии, чем f/2,0.
- There is no iris to stop down and no optical zoom on a thermal channel at this scale — field of view is set by lens choice, and any «zoom» is digital scaling.
- Показатель преломления смещается с температурой, поэтому неатермализованная конструкция уходит из фокуса между зимним рассветом и летней крышей.
На этой странице
Германий и его сородичи
Германий превосходно пропускает окно 8–14 мкм и обрабатывается до прецизионных поверхностей, которых требует объектив, — поэтому он и является стандартным материалом для LWIR-оптики. Просветляющие покрытия поднимают пропускание ещё выше: непокрытый германий отражает существенную долю падающего излучения, так что покрытие — не украшение, а несущий элемент.
| Свойство | Германий | Следствие для нагрузки |
|---|---|---|
| Пропускание в видимом | Непрозрачен | Объектив выглядит тёмным зеркалом; чистоту привычным способом на глаз не оценить |
| Пропускание в LWIR | Отличное во всём диапазоне 8–14 мкм | Совпадает с полосой, которую воспринимает детектор |
| Стоимость | Высокая и следует за ценой сырья | Значительная доля стоимости нагрузки приходится на переднюю линзу |
| Твёрдость покрытия | Мягкие просветляющие покрытия | Абразивная чистка снимает покрытие безвозвратно |
| Тепловое поведение | Показатель преломления сильно смещается с температурой | Для работы вне помещений требуется атермализация |
Дисциплина чистки не является необязательной. Мягкое просветляющее покрытие — это и есть то, что заставляет объектив работать, и оно тоньше и мягче всего, что стоит на камере видимого диапазона. Сухая протирка с песчинками снимает покрытие за один проход. Следуйте процедуре из руководства по обслуживанию подвеса вместо того чтобы импровизировать рубашкой.
Почему везде f/1,0
Микроболометры измеряют очень малые перепады тепла, и доступный им сигнал пропорционален излучению, которое собирает оптика. Площадь апертуры обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа, поэтому светосильный объектив f/1,0 даёт примерно вчетверо больше энергии, чем f/2,0, — и это напрямую превращается в эффективную чувствительность. Именно поэтому f/1,0 является стандартом для тепловых каналов UAVThermal, а не платной опцией.
Это же объясняет ловушку в спецификациях. NETD менее 50 мК, измеренная при f/1,0, и та же цифра, измеренная за менее светосильным объективом, описывают разные системы. Если в спецификации указана NETD без указания апертуры, число несопоставимо — об этом в материалах как читать спецификацию тепловизора и моделирование характеристик детектора.
Тепловизионные объективы имеют фиксированную апертуру: диафрагмы нет, зажимать нечего, экспокоррекции в фотографическом смысле не существует. Яркость отображаемого изображения задаётся усилением и отображением, а не оптикой. Поле зрения определяется фокусным расстоянием при изготовлении — см. руководство по фокусным расстояниям о компромиссе между охватом и дальностью.
Атермализация
Показатель преломления германия заметно меняется с температурой, как и длина алюминиевой оправы, которая его держит. Без компенсации объектив, сфокусированный на зимнем рассвете при −5 °C, ощутимо мылит после прогрева над летней крышей при 60 °C, и никакая обработка изображения потерянное разрешение не вернёт.
| Подход | Как компенсирует | Цена решения |
|---|---|---|
| Пассивная оптическая | Материалы элементов подобраны так, что сдвиги их показателей взаимно компенсируются | Нет подвижных частей; ограничивает оптическую схему |
| Пассивная механическая | Материал оправы, расширение которого правильно смещает элемент | Просто и надёжно; настроено под одну конструкцию |
| Активная перефокусировка | Двигатель перефокусирует по датчику температуры | Гибко; добавляет механизм, потребление и режим отказа |
На летательном аппарате это значит больше, чем в ручном приборе. Нагрузка набирает высоту через температурный градиент, выдерживается на эшелоне и снижается — всё за один вылет, зачастую пока корпус ещё прогревается собственной электроникой. Шаг пикселя и оптика разрешают совместно, поэтому уплывший в мыло объектив обесценивает разрешение детектора, за которое вы заплатили; см. что такое шаг пикселя.
Окна, фильтры и то, что нельзя ставить впереди
Обычное стекло и акрил непрозрачны в диапазоне LWIR. Прозрачная защита, безобидная на камере видимого света, полностью ослепляет тепловизор — это самая частая самодельная неисправность на новой интеграции, и проявляется она равномерно серым изображением, которое операторы поначалу принимают за мёртвый сенсор.
Если защитное окно действительно необходимо, оно должно быть из ИК-прозрачного материала, рассчитанного на 8–14 мкм, и всё равно будет стоить пропускания и добавит отражающую поверхность внутри оптического тракта. На подвесе, который и так герметичен, честный ответ обычно такой: оставить переднюю линзу открытой и заниматься чисткой.
Тёмное зеркало — это нормально. Германий непрозрачен для видимого света, а его просветляющие покрытия отражают то немногое, что с ними взаимодействует, поэтому исправный тепловизионный объектив выглядит тёмным, слегка золотистым зеркалом. Он прозрачен только в той полосе, которой служит, — см. почему тепловизоры живут в диапазоне 8–14 мкм.
Что это меняет при составлении требований
- Требуйте, чтобы NETD указывалась вместе с диафрагменным числом и температурой сенсора, иначе цифру не с чем сравнивать.
- Выбирайте фокусное расстояние из требуемого миссией размера элемента разрешения на местности и принимайте то поле зрения, которое с ним приходит.
- Спрашивайте, атермализована ли оптика и в каком диапазоне температур, если аппарат работает круглый год.
- Не закладывайте защитное окно, если оно не ИК-класса, а если ставите — заложите потерю пропускания.
- Пропишите чистку объектива в регламент обслуживания с указанием одобренного метода.
Читайте также
- Почему тепловизоры живут в диапазоне 8–14 мкм: окно LWIR
- Фокусное расстояние тепловизионного объектива на дронах: широкий угол против узкого, дальность против охвата
- Шаг пикселя тепловизора: почему 12 мкм вытеснил 17 мкм на нагрузках БПЛА
- Обслуживание камеры на подвесе: как сохранить стабилизированную нагрузку исправной
- Как читать спецификацию тепловизионной нагрузки (и где прячется приукрашивание)
- Как работают неохлаждаемые микроболометры VOx
- От NETD к DRI: как на самом деле считается характеристика теплового детектора
- Блоки непрерывного зума: чего стоят 10x…40x в габаритах, массе и светосиле
- MV-2P — Тепловизионная микронагрузка 640×512
FAQ
Почему тепловизионные объективы выглядят тёмными и зеркальными?
Германий непрозрачен для видимого света, а его просветляющие покрытия отражают то, что с ними всё-таки взаимодействует. Объектив прозрачен только в той инфракрасной полосе, которой служит, поэтому тёмное, слегка золотистое зеркало — именно так и выглядит исправная тепловизионная оптика.
Можно ли ставить фильтры или защиту перед тепловизионным объективом?
Только ИК-прозрачные окна, рассчитанные на диапазон 8–14 мкм. Обычные стеклянные или акриловые протекторы непрозрачны в LWIR и полностью ослепляют камеру — симптом равномерно серое изображение, похожее на мёртвый сенсор.
Почему на тепловизоре нет управления диафрагмой?
Тепловизионные объективы имеют фиксированную апертуру, почти всегда f/1,0, потому что детектору нужна вся энергия, которую способна собрать оптика. Диафрагмы, которую можно зажать, нет; яркость изображения задаётся усилением и отображением, а не оптикой.
Вопросы по технологии? Напишите нашим инженерам — отвечаем в течение 2 рабочих дней.