Тепловізор: що це таке і з чим його їдять

Багато хто, напевно, чув цю назву — тепловізор, ще, мабуть, бачив його у фільмах і різних технічних програмах, але навряд чи багато людей знають, що це таке і як він влаштований.
У цьому огляді я спробую простою мовою розповісти, що це за прилад.
Як завжди, буде все: опис, невеликий тест і розбирання.

Для початку скажу, що я дуже давно хотів собі такий прилад, і ось перед Новим роком наважився його замовити.
Річ у тім, що такі «іграшки» коштують дуже дорого, тому, купуючи його собі, я вибрав найдешевший варіант, ну і, звісно, найпростіший. Так, близько 300 доларів за тепловізор — це дуже дешево, професійні варіанти коштують від кількох тисяч доларів і вище.
У продавця постійна знижка, яка постійно закінчується :) Але є купон на -6 баксів за покупку від 100, ним я і скористався. Попросив зробити знижку трохи більшою, але не вийшло :(

Для початку трохи теорії.
Будь-який предмет навколо нас, якщо його температура хоч трохи вища за температуру абсолютного нуля (-273 градуси), випромінює тепло. Так, навіть об'єкт із температурою -100 градусів теж випромінює, хоч це й здається дивним.
Ну а оскільки щось випромінюється, то за бажання це можна побачити. Звісно, людське око не здатне бачити випромінювання в такому діапазоні, для цього потрібні прилади.

Багато хто точно бачив і користувався безконтактними термометрами, про один із варіантів я робив огляд.

Принцип роботи такого пристрою відносно простий. Теплове випромінювання від об'єкта спостереження сприймається датчиком термометра, а далі перетворюється на зрозуміле нам значення температури.

Звісно, виникне запитання: а як прилад визначає температуру? Спробую пояснити.
Тіла не просто випромінюють тепло, а випромінюють його з різною інтенсивністю і, що найважливіше, з різною довжиною хвилі.
Наприклад, діапазон довжин хвиль видимого нам світла становить від 380 до 740 нм (нанометрів). Нижче 380 — ультрафіолет, вище 740 — інфрачервоне випромінювання.


У діапазоні температур -50..+50 градусів Цельсія тіла випромінюють із довжиною хвилі 7..14 мкм (мікрометрів), температура близько 100 градусів — це вже 3..7 мкм.
Прилад «бачить» це випромінювання і, визначаючи, на якій довжині хвилі відбувається максимум випромінювання, показує нам значення температури.

Але за допомогою термометра ми можемо визначити температуру лише в певній точці, а хочеться бачити весь об'єкт.
Наприклад, так:


Або так:


Досягти потрібного результату можна кількома способами.
1. Сканувати зображення одним ІЧ-датчиком або лінійкою датчиків
2. Використовувати матрицю з великої кількості датчиків.

Перший варіант дуже незручний, оскільки вимірювання триває довго, але роздільна здатність зображення майже не обмежена — питання лише в часі вимірювання. Та й у такому варіанті є механічні вузли.
Другий варіант простіший, але з отриманням високої роздільної здатності є певні складнощі.

Про другий варіант ми сьогодні й поговоримо.
Чутлива матриця складається з великої кількості чутливих елементів, які сприймають ІЧ-випромінювання, сфокусоване за допомогою лінзи об'єктива.
По суті, це купа окремих ІЧ-термометрів без схеми обробки, зібраних на одному кристалі.

Роздільна здатність таких матриць не дуже висока: топові матриці, доступні цивільним користувачам, мають роздільну здатність до 1280*720, але про вартість навіть говорити не хочеться.
Для більш-менш побутового використання застосовують простіші матриці: 60х60 — 384х288.

Особливості застосування накладають обмеження на роздільну здатність матриць.
Річ у тім, що ми спостерігаємо за тепловим випромінюванням. Мало того, що довжина хвилі ІЧ-випромінювання не дає змоги зробити матрицю зовсім компактною, так ще й виникають проблеми з паразитним нагріванням або охолодженням сусідніх комірок матриці — адже ми стежимо за тепловим випромінюванням.
Тобто можлива ситуація, коли тепло, що потрапляє на один із чутливих елементів матриці, нагріває сусідній елемент і виникає похибка.

Матриця, яка сприймає теплове випромінювання, називається болометричною камерою.
Таку матрицю (у більшості поширених тепловізорів) формують із великої кількості мікроскопічних тонкоплівкових терморезисторів.
Сам принцип вимірювання накладає ще одне обмеження: такі матриці повільні, зазвичай тепловізори знімають із частотою 5-10 кадрів за секунду.
Звісно, існують тепловізори і з більшою частотою кадрів, але вони дорожчі й потрібні, наприклад, для систем керування автомобілями.

Порівняння тепловізора з частотою 9 к/с і 30к/с.


Думаю, з теорією стало трохи зрозуміліше (принаймні, сподіваюся), тож час перейти до практики.
Тепловізори бувають кількох типів.
Одні використовують просто для спостереження, наприклад військові чи мисливці, а також, як варіант, рятувальні служби.
Такі тепловізори вирізняються великою дальністю дії, але не мають функцій, властивих другому типу.


Другий тип належить до класу вимірювальних приладів. Для них важливі точність вимірювання температури, її відображення в кількох точках, можливість запису фото чи відео тощо.
Такі тепловізори мають дещо інший вигляд і радше нагадують збільшений варіант безконтактного термометра.


Крім того, люди часто плутають тепловізори та прилади нічного бачення (ПНБ).
Це зовсім різні прилади.
ПНБ — це зазвичай активний прилад, який має потужне ІЧ-підсвічування та камеру, що бачить у цьому діапазоні ІЧ-випромінювання, відбите від об'єктів.
Тепловізор же — цілком пасивний прилад: він сам нічого не випромінює (крім випромінювання, спричиненого роботою електроніки) і приймає теплове випромінювання від об'єкта.

Кожен прилад має свої переваги й недоліки. Наприклад, тепловізор не бачить об'єктів, температура яких дорівнює температурі навколишнього повітря, або бачить їх значно гірше. Крім того, тепловізор не бачить об'єктів за склом, оскільки звичайне скло майже повністю затримує теплове випромінювання.
Зате ПНБ не бачить у тумані, а теплі й холодні об'єкти на екрані майже не відрізняються.

Для порівняння додам короткий ролик, який показує різницю.


На цьому вступну частину завершено, і я перейду до опису того, що купив і отримав.
Решту пояснень та описів наводитиму вже під час огляду.

Як я писав у вступі, тепловізор я замовив просто перед Новим роком. На початку січня продавець його відправив, але відстежувати посилку почали лише після 9 січня.
А 25 січня я забрав його з пошти. Посилка йшла звичайною поштою Китаю, без жодних EMS, DHL тощо.

Чесно кажучи, я очікував, що він буде помітно меншим — десь у 1.5–2 рази. Коли на пошті мені вручили велику коробку, я навіть трохи здивувався.
Звісно, можна було подивитися розміри на сторінці товару й прикинути розміри коробки, але я якось навіть не подумав про це.

Найближчий за характеристиками фірмовий прилад — FLIR TG165.

Приїхав цілим і неушкодженим, навіть оригінальне паковання не постраждало.


Паковання з міцного картону — виробникові за це залік. Воно не постраждало, хоча їхало у звичайному конверті з пухирчастою плівкою.
Зверху є коротка рекламна інформація, а також фотографія приладу.


На нижньому боці коробки наведено майже повний опис технічних характеристик.
Розмір екрана — 2.4 дюйма
Роздільна здатність термочутливої матриці — 60х60 (3600) пікселів.
Роздільна здатність камери видимого зображення — 0.3мр. (насправді менша)
Кут «огляду» камер — 20 х 20 градусів, мінімальна відстань до об’єкта 0.5м (показує і з меншої відстані, але камера сфокусована для нормальної роботи з 50см)
Теплова чутливість (мінімальна зареєстрована різниця температур) — 0.15 градуса Цельсія.
Діапазон вимірюваних температур — -20-300 градусів С.
Точність вимірювання температури ±2% або ±2 градуси.
Налаштування коефіцієнта випромінювання — 0,1-1
Частота вимірювань — 6 разів на секунду.
Діапазон реєстрованих довжин хвиль — 8-14мкм
Фокусування — фіксоване
Колірна палітра — розжарене залізо, веселка, контрастна веселка, чорно-білий, інверсний чорно-білий.
Режими відображення — п’ять режимів. Лише камера, лише тепловізор + три змішані режими.
Карта пам’яті — microSD
Формат збереження фотографій — BMP
Живлення — 4 батарейки 1.5В, розміру АА
Час роботи від одного комплекту батарей — до 6 годин
Автовимкнення — 12 хвилин
Сертифікат — CE (EN61326-1:2006). Насправді цей сертифікат засвідчує лише сумісність з вимогами ЕМС.
Розміри — 212х95х62мм
Маса — 320гр
Гарантія — 2 роки


Коли відкривав коробку, то почувався папуасом. Річ у тім, що коробка відкривається не звичним для мене способом, а має кришку на парі маленьких магнітів.
Не знаю, звідки виробник узяв цю коробку, але коли я її відкрив, то в мене було відчуття, що мені надіслали дівчачий тепловізор :)
Колір коробки, а також красиві голографічні зображення (при зміні кута огляду здається, що вони обертаються, красиво) створюють певний дисонанс із призначенням приладу.


Комплект постачання ну дуже скромний.
1. Прилад
2. Чохол
3. Ремінець до чохла
4. Інструкція
5. Карта пам’яті 4ГБ.


Я зробив кілька фотографій інструкції — основних сторінок, можливо, буде цікаво.
Крім того, я зробив невеликий переклад основних пунктів інструкції.
---------------------------
---------------------------


Як я писав вище, у комплекті дали чохол, зовні схожий на кобуру.
Чохол щільний, верхня частина фіксується за допомогою «липучки».


Чохол справді міцний, якісно прошитий.
По периметру є вставка з декоративної «блискавки», тобто звичайнісінька блискавка, але без бігунка. Зроблено, найімовірніше, для забезпечення жорсткості.
З одного боку є кріплення на пояс, але, як на мене, воно дуже хистке.
Усередині невеличка кишенька, дуже неглибока.


Ремінець для носіння на плечі. Звичайний ремінець. Металеві карабінчики, міцний, чорний :)


А ось і сам прилад, на вигляд справді чималенький.


З боків — наклейки з короткими параметрами приладу та його назвою.


Спереду — блок із камерами, світлодіодом і кнопкою «фото».


ІЧ-камера розташована зверху, нижче — камера видимого спектра, а під ними — світлодіод підсвічування.
Світлодіод справді крихітний і слабкий, мені взагалі незрозуміло, навіщо він потрібен, адже підсвітити може лише на відстані 20-30см, та й то ледь-ледь.
На фото праворуч він увімкнений.
Світлодіод вмикається тривалим утриманням кнопки «фото», вимикається так само.


Зі зворотного боку розташовані екран і клавіатура.


Розміри екрана майже повністю збігаються з розмірами сірникової коробки — довжиною та шириною.
Клавіатура проста, 6 кнопок.
Кнопки меню та вибору я трохи описував у частині з фото інструкції, розповім про решту.
Кнопки ліворуч/праворуч — вибір режиму відображення: звичайна камера, ІЧ або суміщення зображень.
Кнопки вгору/вниз — це окрема тема. Ці кнопки потрібні для вибору й налаштування параметрів у меню приладу, у звичайному режимі роботи вони не використовуються.

Усе було б нічого, але кнопка вгору зменшує параметр, а вниз — збільшує.
Ну як так можна було зробити? Не інакше як навмисно, адже це просто незручно.
При цьому переміщення меню відбувається нормально, але щоб збільшити параметр, треба натиснути кнопку вниз — де тут логіка?


Коли я замовляв прилад, то знав, що в комплекті має бути карта пам’яті, але її не було видно.
Спочатку я навіть трохи розгубився, адже слот для карти пам’яті щільно закритий гумовою вставкою під колір корпусу, а зовні виділяється лише язичок для відкривання.
Корпус пластиковий, сірого кольору. Те, що на фото жовте, — це гума, доволі товста, це видно на фото з відкритим відсіком для карти пам’яті.
До речі, карта пам’яті в комплекті не безіменна, а цілком собі SanDisc, щоправда, 4-го класу.


Знизу є отвір із різьбою для встановлення на штатив, такого самого розміру, як у фототехніці.
Також там закріплений ремінець (темляк) на руку.


У руці прилад виглядає приблизно так.
Лежить зручно, але без батарейок здається дуже легким.


Маса приладу без елементів живлення — лише 227 грамів (в інструкції написано 320 грамів).


Кришка батарейного відсіку сидить дуже щільно, відкривається зсуванням униз.


З боків кришки є додаткові «зачепи», які фіксують її в закритому стані.
Для перевірки приладу купив чотири найдешевші лужні батарейки. Але скажу відразу: «їсть» він їх дуже активно. Тому краще використовувати NiMh акумулятори або переробити під літій.


Батарейки сидять дуже туго. Ні, точніше — ДУЖЕ туго. Вставляти краще спочатку пару, яка заходить усередину корпусу, а потім нижні дві.


Перше ввімкнення.
Під час увімкнення відображається заставка зі смугою завантаження ПЗ, після цього прилад переходить у останній встановлений режим. Тобто якщо у вас було налаштоване змішування, то саме в цьому режимі він і ввімкнеться — дуже зручно.


Під час роботи добре помітне невелике запізнення зображення з ІЧ-камери відносно камери видимого спектра.
Для прикладу я зняв коротеньке відео, де видно цей недолік, а крім того, показано процес завантаження, роботи, фотографування та вимкнення.


Якщо чесно, мене здивувала якість екрана, а точніше — його кути огляду.
Очікував, що зображення буде таким, як на старих РК-моніторах, коли нормально бачити можна лише дивлячись прямо на екран.
Але на практиці виявилося, що зображення чудово видно з усіх боків, крім погляду згори. Зліва, справа, знизу й прямо — усе чудово.
Крім того, екран дуже яскравий: за замовчуванням було встановлено мінімальну яскравість 10%, з нею цілком нормально працювати. Я виставив 30% — так мені здалося краще, а на 100% уже дуже яскраво.

Помітив, що після встановлення батарейок змінився розподіл ваги приладу: нижня частина стала важчою, і тримати його в руці стало набагато зручніше.


Оскільки пункти меню я вже описав раніше, одразу перейду до прикладів роботи.
Для початку — вбудована камера. Розумію, що вона потрібна лише для прив’язки реального зображення до термограми, але вигляд у неї, м’яко кажучи, сумний.
Причина в тому, що екран приладу має лише 320х240 пікселів, відповідно, і зображення з камери має таку саму роздільну здатність.
Для фотографування вона годиться лише умовно, але для роботи її цілком достатньо.
Баланс білого в камері, схоже, налаштований на природне освітлення, бо в приміщенні камера починає «зеленити».


Під час експлуатації з’ясувалося, що зображення з камер не збігаються.
Загалом це було передбачувано, адже камери розташовані не на одній оптичній осі, а одна над одною.
На практиці з’ясувалося, що оптимальна відстань становить близько 1-1.5м, а зі збільшенням відстані розбіжність зростає не надто сильно.
На фото я пройшовся всіма п’ятьма режимами відображення, а заразом зазирнув у морозилку (раз уже прийшов на кухню).
Коротко поясню, що відображено на екрані.
Угорі показано температуру в центрі зображення (центральний маркер), праворуч — заряд батареї.
Унизу показано мінімальну й максимальну температуру в кадрі. Два додаткові маркери (за потреби їх можна вимкнути) позначають ці точки. Але маркери на екрані однакові, тому за дуже малої різниці температур важко зрозуміти, де який.
По центру внизу показано поточний час, праворуч — смужку режиму кольорової палітри (пізніше продемонструю, як вона працює).

До речі, прилад досить точно показав температуру в морозильній камері, і я навіть скористався мікроліхтариком, вбудованим у тепловізор (без нього взагалі нічого не було видно).


Для наступного експерименту я приготував собі чашку кави з молоком і вирішив перевірити різні кольорові схеми. На жаль, поки експериментував і фотографував, кава охолола :(
Не знаю точної назви цих схем, але спочатку покажу ту, яка мені подобається найбільше.
Далі йдуть чорно-біла та чорно-біла негативна.


І ще дві кольорові схеми. Я не став робити фото всіх 5 варіантів, а обмежився максимальним змішуванням і повністю ІЧ.


Далі я вже експериментував із тим, заради чого його, власне, й купував.
Оскільки я займаюся різними блоками живлення та й просто різною електронікою, а, як відомо, усе це активно виділяє тепло, я вирішив, що одного лише безконтактного термометра мені замало — зручніше буде «бачити» все це наочно.
Для експерименту я взяв добре відомий багатьом блок живлення на 24 Вольти 4 Ампера й фотографував його з різних боків і в різних режимах.
Блок живлення попередньо прогрів струмом 3.5 Ампера.
На цих фото добре видно зміщення у вертикальній площині там, де накладається одне зображення на інше.


Вибачте за таку кількість фото, захопився :)


На цьому я поки що закінчу з фотографіями, інші фото будуть ще наприкінці огляду, а я займусь тим, що мені дуже подобається, — розбиранням.

Оскільки пристрій цікавий, я просто не міг не розібрати його. Скажу навіть більше: щойно я його отримав, то вже хотів подивитися, що там усередині, просто з цікавості.
Я, звісно, чудово уявляв, як його зібрано і що приблизно побачу всередині, але уявляти й помацати — це різні речі :))))
Річ у тім, що я звик оцінювати якість приладів і пристроїв не лише за роботою, а й за якістю складання.


Лише після всього цього я згадав, що не виміряв споживаний струм. Для мобільного пристрою це більш ніж важливо.
Деякі вимірювання мене трохи здивували.
1. У вимкненому стані прилад у діапазоні 200мА нічого не реєструє, тобто струм менший за 100мкА.
2. Струм споживання під час завантаження приладу — близько 144мА
3. У робочому режимі за яскравості 30% споживання змінюється в діапазоні 120-130мА
4. Зайшовши в меню, я спробував встановити яскравість 100%, але за значення понад 80% споживання перевищило 200мА, і прилад «зашкалив», тому залишив 80%
5. Спочатку я думав, що в режимі відображення меню налаштувань споживання менше, адже сигнал із камер не обробляється. Але з'ясувалося, що саме в меню споживання більше, ніж у робочому режимі.
Якщо в меню за яскравості 80% струм становив 193мА, то після переходу в робочий режим він упав до 166 мА.
6. А найекономнішим виявився режим тепловізора, коли звичайна камера вимкнена.
Ще під час роботи я помітив, що після переходу з режиму тепловізора в будь-який інший на частку секунди з'являється попереднє зображення. Виявляється, у цьому режимі звичайна камера вимкнена, і споживання помітно зменшується.
За яскравості 30% споживання падає до 81 мА, тож 6 годин роботи від нового комплекту якісних батарей цілком реальні.


Ну і наприкінці трохи фото різних предметів, які я зробив під час підготовки огляду.
Але спочатку — порівняльне фото до підняття камери та після.
Ліворуч — до, праворуч — після.


1,2 Робота електронного навантаження. Видно тепло від радіаторів, установлених усередині, хоча їх активно обдуває повітря. Корпус закритий.
3. Нагрівання кабелю 2.5мм.кв під струмом 20 Ампер.
До речі, помітив, що розподіл тепла вздовж кабелю видно досить добре.
4. Нагрівання контактів роз'єму з мого минулого огляду, струм близько 20 Ампер.


1,2. Максимальна заявлена температура вимірювання — 300 градусів. Насправді прилад вимірює приблизно до 320 градусів. На фото — вогник сигарети в попільничці.
Прилад постійно намагався показати перевантаження, тому довелося підбирати положення, щоб він показав максимум.
3, 4. Фотоапарат після недовгої фотосесії.
5. Таке зображення буде, якщо занести теплий прилад на балкон, коли надворі -20 градусів.
6. А так виглядає просто підлога без яскравих джерел тепла.


Ось, здається, і все. Тепер можна підбити невеликий підсумок.
Плюси
Прилад повністю справний
У роботі показав себе стабільно, жодних збоїв чи зависань не було
Є весь необхідний мінімум налаштувань.
Добротна, міцна конструкція
Можна записувати фото на карту пам’яті
Карта пам’яті в комплекті
Міцний чохол у комплекті.
Гарне пакування.
Ціна — дешевшого варіанта я не знайшов.

Мінуси
60х60 — це справді мінімальна роздільна здатність, краще мати хоча б 80х80, а по-справжньому комфортно має бути від 128х128.
Кнопка спуску все-таки трохи м’яка.
Зображення з камер не збігаються
Ліхтарик радше просто є, ніж працює, однозначно треба переробити.
Живлення від батарейок, акумуляторне було б набагато зручнішим.

Моя думка. Насправді цей прилад займає проміжне місце між просунутим ІЧ-термометром і простими тепловізорами. Частоти оновлення зображення 6 к/с більш ніж достатньо, для більшості вимірювань її вистачає з головою.
Якщо вибирати між тепловізором із вищою роздільною здатністю та більшою частотою кадрів, краще вибрати вищу роздільну здатність. Принаймні зараз я вибрав би саме так.
Я трохи розчарований. Звісно, я уявляв, який вигляд має зображення 60х60 пікселів, але насправді хотілося б більшого.
А що справді дратує, то це невідповідність зображень із камер.
Я, звісно, до цього пристосувався, але думаю доопрацювати конструкцію, додавши можливість регулювання.
Із плюсів тепловізора можна відзначити, що навіть такий простий варіант справді допомагає в роботі, особливо під час спостереження за змінами. Можна просто оглянути той самий блок живлення з різних боків і побачити розподіл тепла, холодні та гарячі зони.

Не знаю, чи допоможе комусь мій огляд, адже прилад дуже специфічний і навіть у такому простому виконанні доволі недешевий.

Передбачаю запитання: чому не взяти Seek Thermal, який має вищу роздільну здатність?
Ціни на пристрої приблизно однакові, мені хотілося готового рішення, а в разі купівлі Seek Thermal довелося б докупити ще й смартфон. Крім того, наскільки я зрозумів, він може працювати не з усіма смартфонами. А якщо додати до цього ще й складнощі з купівлею…
Загалом критерії були такі: повністю готове рішення, здатне показувати теплову картину об’єкта. Тепловізор, який я оглядаю, цим критеріям відповідає.

Як завжди, чекаю на запитання, доповнення та просто коментарі.
ІЧ-фотографії дещо одноманітні, але надалі, готуючи огляди, я планую використовувати цей прилад, тож фотографії ще будуть :)