На видео может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но… но нет. И это не изображение тепловизора — это самый ближний инфракрасный спектральный диапазон. Возможно, вы больше не увидите таких уникальных картинок, которые спрятались под кат, добро пожаловать…ps: читающие заголовок в мобильной версии анимацию сейчас не видят, поэтому добро пожаловать сразу в статью… ваша чашка со свежезаваренным кофе далее по тексту… =)
Обычные кремниевые детекторы ПЗС и CMOS не могут использоваться для получения изображения в спектральном диапазоне с длиной волны более 1мкм. Кванты с длиной волны 1мкм не могут индуцировать электроны в кремниевых детекторах, квантовая эффективность в ближнем ИК диапазоне быстро спадает до нуля.
Для регистрации ближнего ИК излучения используют уже детекторы на основе арсенид галлия-индия (InGaAs). Ну и несколько лет назад нам попал в руки коммерческий детектор такого типа ближнего ИК диапазона (SWIR, Near-infrared). Разрешение детектора небольшое: 320х256 элементов. Спектральная характеристика детектора представлена на рисунке ниже.
Казалось, ничто не предвещало сложностей, и разработка камеры на данном детекторе не должна была бы отличаться от разработки камеры видимого диапазона, но это оказалось не так. Основной сложностью оказался очень большой темновой ток детектора и очень большой разброс в параметрах отдельных элементов. Посмотрите на график ниже:
За время 16мс потенциальная яма отдельных элементов детектора быстро заполняется на 3-5%, а для частоты 25 кадров в секунду (40мс) это уже 8-12%. Для ёмкости потенциальной ямы элемента детектора 6млн. электрон — это 600 000 электронов темнового тока отдельного элемента, а шум в отдельном пикселе составляет более 800 электрон. Много это или мало? Для регистрации освещенных объектов вполне нормально, но для чувствительной камеры, которая способна регистрировать собственное излучение объектов с температурой до 100'C (как представленное на первом видео) — шум 800 электронов это очень и очень много.
На графике представлено излучение абсолютно черного тела, как видно, для объектов с температурой 300-400K излучение в диапазоне 1-2мкм очень слабое.
Второй особенностью является очень большой разброс характеристик каждого элемента в отдельности. Разработка заняла несколько лет, упор делался на разработку малошумящей аналоговой схемотехники, а также на аппроксимацию характеристик отдельных элементов в зависимости от температуры. Повторюсь, детектор коммерческий, мы не могли охладить детектор и напрямую уменьшить уровень темнового тока возможности не было, но смогли реализовать термостатирование детектора, что значительно сказалось на стабильности характеристик.
Ранее мы в некоторых статьях упоминали данную камеру и приводили сравнение её работы с детекторами видимого диапазона, а также с электронно оптическим преобразователем ЭОП 3+:
«Как видят ночью разные камеры и приборы»
также демонстрировали возможности данной камеры в режиме наблюдения звезд днём:
«Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия»
Сейчас же мы хотим дополнить опубликованное ранее и продемонстрировать другие уникальные возможности камеры ближнего ИК диапазона.
Самый распространенный вопрос — «Как камера видит в тумане?». Качественный туман застать довольно непросто, поэтому сразу извиняемся за, возможно, не очень показательное видео. Для того, чтобы продемонстрировать, как видно в реальности глазами, использовалась камера видимого диапазона PanasonicGM1.
само видео наблюдения в тумане SWIR камерой
оригиналы видео доступны по ссылкам
«Видео VS320 исходник»
«Видео PanasonicGM1 оригинал»
На всякий случай предупредим, что туманы очень сильно отличаются друг от друга, бывают туманы, когда ни в одном спектральном диапазоне ничего не видно. Результат сильно зависит от дисперсии частиц воды.
Чувствительность же камеры демонстрирует видео, фрагмент которого представлен в заголовке статьи. Это обычная чашка с вкусным свежезаваренным кофе. В начале видео мы наблюдаем собственное тепловое излучение объектов, а после включения освещения — отраженное. Пока камера VS320 единственная, которая может демонстрировать видео излучения объектов до 100'C. Мы несколько раз показывали это видео на выставках и всегда сталкивались со скепсисом =)
Для примера: цветная камера и глаз видят раскаленный металл с температурой выше 500'С, черно-белая ПЗС-матрица видит жало горячего паяльника с температурой 400'С, SWIR камера VS320 видит предметы начиная с 50-60'С.
Более объективные измерения по модели абсолютно черного тела. Примерно на уровне 50 градусов шум элементов детектора и сигнал модели абсолютно черного тела сравниваются.
оригинал видео можно получить здесь (внимание! большой размер, так как без сжатия)
«Видео VS320 черное тело»
Из некоторых интересных моментов, с которыми мы столкнулись во время работы с камерами,
это особенная защита, которую наносят на банкноты, возможно это люминесцентные маркеры:
Изображения банкнот при обычном освещении не отличается от указанных на сайте Центробанка России, для примера 500р:
но при освещении исключительно видимым спектром (люминесцентной лампой) наблюдаются маркеры, которые находятся у разных банкнот в разных местах и могли бы использоваться для дополнительной автоматической сортировки банкнот:
на сайте ЦБ РФ такая защита не обозначена
В новых купюрах от такой маркировки, видимо, отказались, теперь маркер находится в одном и том же месте, круглый с буквой Р:
и вот все банкноты вместе:
Так же следует отметить, что ночное небо очень яркое в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет конкурировать камерам ближнего ИК диапазона с другими приборами ночного видения, а так же для каких-то применений вроде обнаружения объектов на фоне «яркого» ночного неба.
«VS320. Ночное небо в ближнем ИК. исходник (200МБайт)»
А вот днём наоборот, в ближнем ИК диапазоне небо намного темнее (в сравнении с яркостью неба в видимой части спектра), для примера кадр в очень яркий солнечный день.
Эта свойство может использоваться для наблюдения за небесными объектами днём, частный случай которого был описан в статье: «Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия».
Наиболее важным свойством камеры ближнего ИК (наравне с возможностью улучшения видимости в тумане) — это значительно лучшая видимость в дымке, для сравнения кадры разных частей спектра:
А вот видео в ближнем ИК диапазоне по вантовому мосту на дальности 9-10км.
а вот демонстрация на дальности в 9км по Смольному (в середине видео включается функция камеры: локальное контрастирование (аналог HDR/DDE) )
Можно ещё довольно много рассказывать про ближний ИК-диапазон, но, к сожалению, это выходит за объём одной статьи. Если получится и будет достаточно материала, мы обязательно продолжим. Подводя итоги можно сказать, что камеры ближнего ИК можно применять:
— для улучшения видимости в тумане
— для улучшения видимости при атмосферной дымке, смоге
— в качестве приборов ночного видения (улучшения видимости ночью)
— поиске объектов на дневном небе
— при разработке мультиспектральных камер, когда важно увидеть значительно теплый
скрытый в видимом диапазоне объект
— для особых применений в промышленности, когда важен именно этот спектральный диапазон
— поиске замаскированных предметов, когда одни краски становятся малоконтрастными, а другие наоборот темнеют в данном диапазоне или люминесцируют.
Хотелось бы сказать спасибо организации НПК «Фотоника», которая предоставила данный детектор для разработки и финансировала работу в течение длительного времени. Результатом работы явилась камера с очень высокими характеристиками по чувствительности. Отдельное спасибо коллегам, которые её разработали, несколько раз переработали, а также построили математическую модель и разработали методику калибровки такого строптивого InGaAs детектора.
Ну и собственно фотография камеры VS320 «в размере»:
Ждем вопросы в комментариях, будем рады ответить.
Комментарии (33)
BaLaMuTt
06.11.2018 12:45+1Если правильно понимаю ОЛС боевых самолётов работает по схожему принципу.
Pyhesty Автор
06.11.2018 12:52а что такое ОЛС? и какой у них принцип работы?
BDI
06.11.2018 13:38ОЛС — оптико-локационная станция, например на семействе Су-27 это стеклянный «глаз» перед кабиной(справа по полёту).
Pyhesty Автор
06.11.2018 14:08мне кажется, что там нет камеры ближнего ИК диапазона, скорее там стоит охлаждаемый среднеспектральный детектор…
Silverado
07.11.2018 00:17«Военные» системы примерно с 3 до 12 мкм работают, и охлаждаются, да. И даже выдают хорошего качества видео, где тело человека весьма контрастно.
Sap_ru
06.11.2018 15:01А как же все эти полупрофессиональные ИК-камеры, которые даже китайцы делают? Они же температуры аж до ноля градусов видят и даже измеряют с приемлемой точностью. А вы говорите, что нет ИК-камер на температуры ниже 50'?
NetBUG
06.11.2018 15:58+1Это дальний ИК, болометрический сенсор, совершенно другая оптика и линейное разрешение (с длиной волны в 10 мкм много линии на мм не нарежешь)
nikitasius
06.11.2018 17:34А собственно, где купить и сколько стоит?
Pyhesty Автор
06.11.2018 21:19это вопрос к менеджеам, а мы разработчики, но насколько я знаю, значительно дешевле европейских аналогов.
Alexufo
06.11.2018 17:39+1спасибо.
Оптика подходит из видимого диапазона?
Возможно ли использовать камеру для макросъемки?
Чем вызвана разная зашумленность изображений банкнот?
При каких условиях достигается наименьшая шумность матрицы? Какое примерно количество света необходимо для этого, в пересчете на галогеновые светильники?Pyhesty Автор
06.11.2018 22:29+1пожалуйста, приятно, если статья была полезна и интересна
1. не совсем, мы перебрали несколько экземпляров оптики видимого диапазона прежде чем результат нас устроил. В любом случае просветлении оптики видимого диапазона не оптимально, что приводит к рассеиванию и отражению в оптике, а также, в некоторых случаях, к значительной потери чувствительности.
2. да, возможно, но именно в случае макросъёмки, возможно, оптика оптического диапазона будет давать хуже результат из-за рассеяния на не оптимальном просветлении
3. в первом случае съёмка велась при дневном освещении с достаточным уровнем ИК составляющей (косвенное освещение 200-500лкс из окна), то есть уровень освещения был достаточным. Во втором случае съёмка велась в условиях освещения люминисцентной лампы, спектр которой сосредоточен в основном в видимой области. Уровень освещения недостаточный, камера работает с максимальным усилением. Шум, который видно на изображении, это тот самый шум темнового тока в 300-800электронов, о котором упоминается в статье.
вот примерный спектр лампы дневного света:
4. я затруднюсь ответить на вопрос об освещении, которое достаточно для наименьшего шума, но это точно не очень большой уровень освещенности, даже если примерно — это точно намного меньше одного галогенового светильника, более того, одного паяльника нагретого до 400 градусов Цельсия достаточно, что бы осветить комнату для этой камеры.Alexufo
06.11.2018 23:16Для инфракрасной рефлектографии используют галогеновые светильники строительные.
Может вам было бы интересно потестировать камеру на художественных рисунках. Должны проявляться карандашные эскизы. Правда их следует добыть)Pyhesty Автор
06.11.2018 23:47да, мы слышали про способ обнаружение карандашных рисунков под краской в ближнем ИК диапазоне (раньше, я так понимаю, часто на одном холсте рисовали несколько раз), нас приглашал Эрмитаж, но это было через наше головное подразделение, возможно с нашей камерой даже ездили к ним, но я не знаю чем всё закончилось… я думаю было бы интересно съездить, но нужно подготовиться =) мы много раз сталкивались с тем, что получали отрицательные результаты из-за неправильно организованного эксперимента =)
ps: кстати, что интересно, только сейчас заметил, под банкнотами просвечивают клеточки ниже лежащего листа… хотя этого не должно бы быть… это как аналог проявления карандашного эскиза под краскойAlexufo
07.11.2018 00:27Здесь вы можете увидеть как реагируют популярные пигменты, используемые в живописи в ИК
chsopensource.org/download/6230
Антонино как раз занимается исследованием культурного наследия. Может быть вам будет полезно. Там есть его тесты обьективов для ИК. На сайте мало как-то про них, а вот в его публикациях он приводил диаграммы.
Если вас приглашали в Эрмитаж… за денежку? Просто в Питере есть один музей, где помогла бы пересъемка дневника Залмана Градовского, документа, заявленного для Нюрнбергского трибунала, но не востребованная им. Там есть плохие страницы для чтения, есть вероятность, что в ближнем ИК будет контраст. Хотя похорошему нужна мультиспектральная пересъемка.
Это экспозиция,
milmed.spb.ru/index.php/component/content/article/28-hotnewsflashevents/59-betweenlifeanddeath
последняя фотка там снизу записная книжка — это и есть этот дневник.
А это перевод и по вставкам <...> видно где перевод не удался
magazines.russ.ru/zvezda/2008/7/gr9.html
Есть цель закончить перевод, а с техникой и финансированием беда.Pyhesty Автор
07.11.2018 10:57спасибо за комментарий, прямо сейчас времени нет изучить, но очень интересно, особенно, если бы мы могли быть полезны.
постараемся наладить общение в личной переписке
ps: не… какие деньги))) Эрмитаж по дружбе приглашал) проверить возможности камеры у них в реставрационной, к сожалению мы не обладаем методиками по работе с таким объектами их нужно нарабатывать) история не любит раскрывать секреты, она требует к себе уважения и трепетного обращения ;)
Vasek18
06.11.2018 18:18+1«На изображении ниже может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но нет»
Да, мы же всегда делаем это в чайных кружках)
VirtualHunter
06.11.2018 19:41На сколько точно можно этой камерой определять температуру?
Или какое минимальное различие в температуре можно достоверно фиксировать?Pyhesty Автор
06.11.2018 21:16да, на основе данных детекторов можно построить высокотемпературный термограф, чем выше температура обьекта наблюдения, тем точнее будут измерения, так же зависит от измеряемой области. Для обьектов от 100градусов и выше точность измерения может идти о долях градусов, но зависит от задачи.
McSava
06.11.2018 19:46У вас две картинки спектральной чувствительности. Для кремния в электронах, для InAsGa в процентах. Их как-то можно сравнить?
Pyhesty Автор
06.11.2018 21:25Для кремния чувствительность дана в абсолютных значениях, где максимум чувствительности — единица, для InAsGa — в процентах или в сотых долях от той же единицы. Да я думаю, сравнения правомерны. К сожалению, произволители часто приводят отнормированную к максимуму чувствительность, и тогда сравнивать сложнее.
Karlson_rwa
06.11.2018 20:15Получилось дешевле Xenics'а? :)
Pyhesty Автор
06.11.2018 21:18значительно, это при том, что xenics не демонстрирует такую чувствительность, либо у нас нет этой информации
Pilot_13
06.11.2018 21:47+1Очень интересная тема кстати, про туман. Из теории ожидал результата типо того, что описан в статье. Но на практике к сожалению проверить когда видно, а когда нет возможности не имею. Может есть еще публикации на эту тему? Или может просто поделитесь фотографиями разных случаев? Если конечно это не секрет
Pyhesty Автор
06.11.2018 22:41Мы что бы отснять туман буквально гонялись за ним, оказалось, что когда нужен плотный туман — его очень сложно застать. В статье видимость «на глаз» составляла 20-30 метров, это один из самых плотных туманов, которые нам встречались. Материала по туманам у нас, мягко говоря, не достаточно.
С другой стороны мы знаем как пробиться через туман (даже в видимом диапазоне, по крайней мере лучше чем у аналогов), математическая модель готова и проверена (частично результат её реализации можно увидеть в нашей статье по обнаружению звезд днём, как в видимом, так и в SWIR диапазоне), но сейчас нет времени и заказа на практическую реализацию. В статье вы видите где-то только 20-30% возможностей при работе в условиях плохой видимости.
ps: но! повторюсь, что туманы очень сильно отличаются, хотя на «глаз» могут быть похожи по плотности, предельной дальности видимости, а в реальности это будут разные типы туманов.
protonix
07.11.2018 00:52Такие камеры сейчас делает московское НПО «Орион» на матрицах InGaAs/InP собственного производства. Разрешение до 640*480, частота кадров до 400/c.
patents.google.com/patent/RU2530458C1/ru?oq=RU2530458C1
advance.orion-ir.ru/UPF-16/5/UPF-4-5-465.pdf
applphys.orion-ir.ru/appl-15/15-3/PF-15-3-73.pdf
www.swir.ruPyhesty Автор
07.11.2018 00:54да, но представленные по ссылкам изображения не соответствуют уровню чувствительности представленной в статье, и камера VS320 не разработка НПО «Орион»
к сожалению, на представленном сайте нет ни одного видео с камеры ближнего ИК
если без шуток, то было бы интересно увидеть видео АЧТ с камеры НПО «Горизонт» по аналогии с представленным в статье
«Видео VS320 черное тело»protonix
07.11.2018 02:52На «Интерполитех-2018» демонстрировали: youtu.be/cJMefZEV9pw?t=193
Pyhesty Автор
07.11.2018 10:31извините, но я не увидел на представленном видео демонстрацию чувствительности по черному телу
Nubus
07.11.2018 07:12Проблема ближнего ИК спектра в том что для работы например LTO или DLATGS детекторов нужно переменное освещение. Мы при тестрировании использовали оптический chooper на 10Гц и 1000Гц рядом с Черным телом. Другая проблема-очень трудно уменшить размер самих элементов. Допустим для LTO промышленность еле освоила 20мкм тонкость. Для DLATGS 15-20 мкм тоже предел, потом кристалл ломаеться нафиг.
Pyhesty Автор
07.11.2018 10:34добрый день, спасибо за комментарий
не могли бы вы пояснить про оптический chooper, мы не использовали модуляцию при съёмке черного тела, chooper в режиме обтюратора?
Про размеры элементов очень интересное замечание, мы об этом не знали, но действительно детекторы не делают с пикселем менее 15мкм.Nubus
08.11.2018 20:12+1Да, chopper в режиме обтюратора. К сожалению я мало работал именно с применением наших детекторов, знаю только что самые чуствительные идут в ИК спектрометры. Там встроенный обтюратор до 10кГц.
Это наши детекторы
AlexAV1000
Его охлаждать можно?
Pyhesty Автор
можно, особенно, если применить не коммерческий, а индустриальный детектор InGaAs.
на текущий момент реализована температурная стабилизация детектора, что бы между калибровкой параметры пикселей не уходили, но у нас его на момент разработки не было.
Сейчас можно закупить и такие детекторы «с ушами», в теплоотводящем корпусе и значительно охладить фоточувствительную область.
сама же камера работает в диапазоне температур от -60 до +60'C