Mi az az LWIR kamera? Így működik a hosszúhullámú infravörös hőképalkotás a gépi látásban

Röviden: Az LWIR kamera olyan hőkamera, amely a hosszúhullámú infravörös sugárzást érzékeli, általában a 8–14 µm-es tartományban. Nem visszavert fényt rögzít, hanem a tárgyak által kibocsátott hőt méri, ezért nincs szüksége megvilágításra, és teljes sötétségben is működik. A legtöbb LWIR kamera hűtés nélküli, vanádium-oxid (VOx) vagy amorf szilícium (a-Si) mikrobolométer szenzorral és infravörösben átlátszó anyagból – például germániumból – készült objektívvel dolgozik. Az iparban hőtechnikai ellenőrzésre, folyamatfelügyeletre és prediktív karbantartásra használják – olyan feladatokra, ahol nem a megjelenés, hanem a hőmérséklet mutatja meg, hogy minden rendben van-e.

Mi az az LWIR kamera?

Az LWIR kamera (hosszúhullámú infravörös kamera) olyan képalkotó eszköz, amely a tárgyak által kibocsátott hősugárzást képpé alakítja. A melegebb területek több sugárzást bocsátanak ki, és világosabbnak vagy más színűnek látszanak, a hidegebbek sötétebbnek.

Fontos fogalmak:

• LWIR (hosszúhullámú infravörös): az infravörös sáv, amelyet általában 8 és 14 µm közé sorolnak.
• Hősugárzás: az az infravörös energia, amelyet minden tárgy a hőmérséklete miatt kibocsát.
• Mikrobolométer: hőérzékeny szenzorelem, amelynek elektromos tulajdonságai megváltoznak, amikor infravörös sugárzást nyel el.
• Hűtés nélküli: szobahőmérsékleten vagy annak közelében, kriogén hűtés nélkül működő detektor.

Egy gépi látó rendszerben az LWIR kamera ugyanazt a szerepet tölti be, mint bármely ipari kamera: képeket rögzít, amelyeket szoftver elemez. A különbség a képek tartalmában van: egy hagyományos kamera formát, színt és textúrát mutat, egy LWIR hőkamera viszont azt, hogyan oszlik el a hő egy alkatrészen, gépen vagy folyamatban.

Mekkora a hosszúhullámú infravörös hullámhossz-tartomány?

A hosszúhullámú infravörös hullámhossz-tartományt általában 8–14 µm-ben határozzák meg. Egyes kameragyártók a detektortól függően kissé eltérő határokat adnak meg, például 7,5–14 µm-t.

Ezt a sávot két okból használják hőképalkotásra:

1. Megfelel a hétköznapi tárgyak hőmérsékletének. A LightPath szerint a nagyjából 300 K-es – azaz kb. szobahőmérsékletű – tárgyak hősugárzása az LWIR sávban éri el a csúcsát. Ezért az LWIR jól alkalmas emberek, gépek és termékek képalkotására normál üzemi hőmérsékleten.
2. A légkör jól átengedi. A 8–14 µm-es tartomány egy légköri átviteli ablakba esik, így a tárgy és a kamera között viszonylag kevés sugárzás nyelődik el.

Összehasonlításként: a rövidhullámú infravörös (SWIR) jellemzően kb. 0,9–1,7 µm-t, a középhullámú infravörös (MWIR) 3–5 µm-t fed le.

Hogyan működik az LWIR hőkamera?

Az LWIR hőkamera a jelenet által kibocsátott infravörös sugárzást hőérzékeny detektorok mátrixára fókuszálja, amelyek azt elektromos jellé, majd képpé alakítják. Fényforrásra nincs szükség – maga a tárgy a forrás.

A mikrobolométer szenzor

A legtöbb LWIR kamera mikrobolométer-mátrixra épül. Minden elem elnyeli a beérkező infravörös sugárzást, kissé felmelegszik, és megváltozik az elektromos ellenállása. A kamera ezeket a változásokat pixelenként kiolvassa, és ebből állítja elő a hőképet.

A két elterjedt mikrobolométer-anyag a vanádium-oxid (VOx) és az amorf szilícium (a-Si). Mivel szobahőmérsékleten vagy annak közelében működnek, a mikrobolométeres hőkamerának nincs szüksége a más infravörös sávokban használt hűtőegységekre. A LightPath a hűtés nélküli LWIR jellemző érzékenységét 30–50 mK-re teszi.

Infravörös optika

Az LWIR objektívekhez nem használható hagyományos üveg. Ahogy a Teledyne FLIR elmagyarázza, az üveg a látható fényt átengedi, az infravörös tartományban azonban átlátszatlan. Az LWIR objektívek ezért germániumból vagy más, infravörösben alacsony elnyelésű anyagból készülnek. Ez lényeges különbség a látható fényű és a SWIR kamerákhoz képest, amelyek üvegoptikát használhatnak.

A képtől a hőmérsékleti adatig

Egyes LWIR kamerák csak a relatív hőkülönbségeket mutatják, a radiometrikus kamerák viszont kalibrálva vannak, és hőmérsékleti értékeket adnak. A mért érték mindkét esetben a felülettől függ: a kamera a külső felületről távozó sugárzást látja, nem azt, ami alatta van, és az alacsony emissziós tényezőjű felületek megnehezítik a pontos mérést.

Mi a különbség a hűtött és a hűtés nélküli LWIR kamerák között?

A fő különbség az, hogy a detektor igényel-e kriogén hűtést. Ipari felhasználásra a hűtés nélküli LWIR kamera a szokásos választás, a hűtött detektorok az igényes tudományos és nagy sebességű feladatokra valók.

Forrás: Tech Imaging.

A Tech Imaging szerint a szokásos felügyeleti és ellenőrzési feladatokhoz jellemzően 30–60 Hz elegendő, a gyors hőjelenségekhez viszont másodpercenként több száz vagy több ezer kép kell. A legtöbb gyártósoron egy hűtés nélküli kamera lefedi az igényeket.

Mi a különbség az LWIR, a SWIR és az MWIR között?

Az LWIR és az MWIR kamerák kibocsátott hőt, a SWIR kamerák visszavert fényt látnak. Ez az egyetlen különbség dönti el, melyik sáv illik egy feladathoz.

Források: Axiom Optics; Tech Imaging.

A gyakorlatban SWIR-t akkor érdemes választani, ha azt kell látni, miből van vagy mit tartalmaz valami – ezt a SWIR kameráról szóló útmutatónk részletesen bemutatja –, LWIR-t pedig akkor, ha azt, mennyire meleg. Az Axiom Optics szerint az LWIR porban, ködben és teljes sötétségben is működik, magas páratartalomnál azonban gyengébb, és a három sáv közül neki a legdurvább a térbeli felbontása.

Melyek az LWIR kamera fő alkalmazásai?

Az LWIR kamera alkalmazásai egy közös pontban találkoznak: minden olyan feladatban hasznos, ahol a hőmérséklet vagy a hőmérséklet-különbség hibát vagy folyamatállapotot jelez. A LightPath és a Tech Imaging az alábbi felhasználásokat sorolja fel.

Ipari folyamatfelügyelet

Az LWIR kamerák olyan gyártási folyamatokat felügyelnek, ahol a hő a folyamat része vagy a minőség jelzője. A hőkép megmutatja, hogy a melegítési, hűtési vagy kötési lépések az elvárt módon zajlanak-e – ezt az információt egy hagyományos kamera nem rögzíti. Így a gépi látással végzett minőségellenőrzés a vizuális hibák mellett a hőtechnikai hibákra is kiterjed.

Prediktív karbantartás és villamos ellenőrzés

A meghibásodó csapágyak, a túlterhelt áramkörök és a szigetelési hibák a vártnál jobban melegszenek. Az LWIR képalkotás még az állásidő előtt megtalálja ezeket a forró pontokat, ezért a villamos szekrények és a forgó gépek állapotfelügyeletének bevett eszköze.

Elektronikai és félvezetőgyártás

A Hikrobot LWIR kameráit az ipari és a félvezető-szektornak szánja, beleértve az elektronikai félvezetőket, az autóalkatrészeket és az új energetikai iparágakat. A hőképalkotás illeszkedik az elektronikai ipar és a gépjárműipar feladataihoz, ahol az alkatrészek hőt termelnek vagy hőhatásnak vannak kitéve.

Épület-, tűz- és vagyonvédelmi alkalmazások

A gyáron kívül az LWIR-t épületdiagnosztikára és energetikai auditra, tűzoltásra és a füstön való átlátásra, gázszivárgás felderítésére, valamint emberek és járművek sötétben történő megfigyelésére használják.

Melyek az LWIR képalkotás korlátai?

Az LWIR kamerák a felületi sugárzást mérik, ezért a legtöbb anyagon nem látnak át, és nem minden felületet olvasnak egyformán jól. Ezeknek a korlátoknak az ismerete segít elkerülni a téves elvárásokat egy projektben.

• Üvegen nem lát át. Az üveg LWIR-ben átlátszatlan, így a hőkamera nem lát át ablakon vagy üveg védőburkolaton.
• Csak felületi hőmérséklet. Ahogy a The Snell Group kifejti, a kamera a felületekről érkező sugárzást látja, nem azokon keresztül – és falakon sem lát át.
• Emissziós tényező és tükröződés. Az alacsony emissziós tényezőjű, fényes felületek – például a csupasz fém – gyengén sugároznak, és visszaverhetik a környezet hőjét, ami torzítja a mérést.
• Kisebb felbontás. A három infravörös sáv közül az LWIR térbeli felbontása a legdurvább, ezért a nagyon finom részleteket jobb látható fényű vagy SWIR kamerával ellenőrizni.

Hogyan válasszunk ipari hőkamerát gépi látáshoz?

Induljon ki abból a hőtechnikai kérdésből, amelyre választ keres, és ehhez illessze a detektort, az optikát és az integrációt.

1. Határozza meg a feladatot. Döntse el, hogy relatív hőmintázatokat kell-e látnia, vagy valós hőmérsékletet kell mérnie – az utóbbihoz radiometrikus kamera szükséges.
2. Vizsgálja meg a felületet. A fényes vagy alacsony emissziós tényezőjű anyagok más megközelítést vagy gondos beállítást igényelhetnek.
3. Válassza ki a detektor típusát. A legtöbb felügyeleti és ellenőrzési feladatra a hűtés nélküli LWIR kamera megfelelő; a hűtött detektorok a nagyon gyors jelenségekhez és a precíziós méréshez valók.
4. Igazítsa a képfrekvenciát a feladathoz. A szokásos felügyelethez jellemzően 30–60 Hz elegendő.
5. Tervezze meg az optikát. Használjon germánium vagy más infravörös objektívet, amelynek látószöge illik a munkatávolsághoz. Az objektív és megvilágítás kiválasztásának általános elvei itt is érvényesek – kivéve magát a megvilágítást, amelyre az LWIR-nek nincs szüksége.
6. Ellenőrizze az integrációt. A GigE Vision interfész és a GenICam-támogatás lehetővé teszi, hogy a hőkamera szabványos gépi látó szoftverrel működjön.

Milyen LWIR kamerák érhetők el ipari gépi látáshoz?

Ipari LWIR kamerák GigE Vision kivitelben is elérhetők, amelyeket a szabványos gépi látó kamerák mellé terveztek. A Hikrobot kínálatában a CI hosszúhullámú infravörös kamera sorozat nagy érzékenységű, hűtés nélküli vanádium-oxid detektort használ 8–14 µm-es érzékenységi sávval.

A kamerák megjelenítik a vizsgált tárgy hőmérsékleti információit, megfelelnek a GigE Vision szabványnak, támogatják a GenICam protokollt, és ismétlő nélkül akár 100 m-re is továbbítják az adatokat. A szélesebb Hikrobot ipari kamerák kínálatának részei, amely SWIR modelleket is tartalmaz, például az MV-CI050-Y1S-NN kamerát.

Az ELVOTEC hivatalos Hikrobot-forgalmazóként segít a magyarországi és a régióbeli gyártóknak eldönteni, hogy a hőképalkotás megoldja-e az ellenőrzési feladatukat – vegye fel velünk a kapcsolatot, és beszéljük át az alkalmazását.