Выбор тепловизора часто сводится к выбору разрешения сенсора и фокусного расстояния объектива, чтобы получить ту или иную дальность обнаружения цели. Например, в технических требованиях указывают: тепловизор с разрешением 640х480пикс и объектив 100мм.

Рассмотрим реальную ситуацию выбора тепловизионной камеры, когда все предлагаемые сенсоры имеют требуемое разрешение 640х480пикс на основе технологии аморфного кремния (aSi), шаг пикселя 17мкм и тепловую чувствительность (NETD) равную 50мК – данные параметры являются типовыми для современных длинноволновых микроболометров. Также все предложенные объективы имеют фокусное расстояние 100мм, но отличаются по относительному отверстию F. Параметры объективов следующие:

С учётом указанных параметров светосилы и светопропускания в ИК-диапазоне (от 8 до 12мкм), можно посчитать сколько процентов света пройдёт через объектив:

Освещённость на матрице с объективом F1.6 и светопропусканием 88% = (1/1.6)2 х 0.88 = 34%

Освещённость на матрице с объективом F1.4 и светопропусканием 88% = (1/1.4)2 х 0.88 = 49%

Освещённость на матрице с объективом F1.2 и светопропусканием 88% = (1/1.2)2 х 0.88 = 61%

Соответственно, можно показать, что тепловая чувствительность системы тепловизор + объектив изменится с паспортных 50мК до

	Пропускание ИК света	NETD системы
Объектив 1	34%	147мК
Объектив 2	49%	102мК
Объектив 3	61%	82мК

Таким образом паспортная чувствительность тепловизора 50мК сильно зависит от светопропускания объектива, и в нашем примере, в лучшем случае составляет 82мК (объектив 3) и в худшем случае – 147мК (объектив 1). То есть в результате тепловизор не сможет «увидеть температурную разницу» в 0.05 градуса, а лишь 0.08 ~ 0.15 градуса, что тоже, кажется, очень неплохо.

Как это повлияет на результат наблюдения? Если температурные контрасты велики, и наблюдаемый объект по температуре значительно отличается от фона, то все камеры одинаково хорошо покажут объект. Но если ситуация усложняется, то результаты начнут отличаться. Под усложнением ситуации наблюдения можно понимать: низкий тепловой контраст цели и фона, атмосферные осадки.

Внешний вид собранной установки для тестирования. Все объективы с фокусным расстоянием 100 мм, но с отличающимся F (слева направо объективы): F1.2, F1.4, F1.6. Можно заметить, как по цвету отражения различаются просветляющие/защитные покрытия объективов.

Для проведения тестирования потребовалось некоторое время, чтобы застать различные погодные условия и провести соответствующие съёмки.

Вид области наблюдения в видимом спектре. Дождь. Изображения получены в сухую тёплую погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 соответственно.

Можно заметить, что в целом все объективы обеспечивают достаточное качество изображения, чтобы вести наблюдение. При этом объектив F1.4 не обеспечивает большой резкости на ближнем плане. Наиболее детализированная картинка с объективом F1.2 – это можно заметить по детализации проводов на заднем плане и по деталям на крыше здания на ближнем плане. В данной ситуации разница между объективами не является критической.

В дождь картина меняется. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2:

В дождь возникает два негативных эффекта для наблюдения в ИК-спектре. Во-первых, дождь создаёт «препятствие» на пути прохождения ИК-света, а во-вторых, вода сравнивает температуру окружающей среды, тем самым уменьшая тепловой контраст.

Можно заметить следующее:

• при меньшем относительном отверстии F1.6 значительно снижается контраст изображения;
• объекты с низким тепловым контрастом плохо различимы – столбов на заднем фоне почти не видно;
• визуально изображение при F1.2 более понятно для оператора, чем F1.6 или F1.4.
• изображение значительно хуже, чем в ясную погоду.

Другой ракурс в сухую солнечную погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 соответственно:

Есть незначительная разница в изображении, но в целом это не влияет на восприятие и анализ тепловизионного изображения.

Для полноты представления разницы между объективами не хватило выборки в различную погоду.

Тем не менее, можно сделать следующие выводы :

• чувствительность (NETD) тепловизионной камеры всегда ниже, чем чувствительность микроболометра;
• достаточные температурные контрасты обеспечивают качественную картинку даже при изменении относительного отверстия объектива от F1.2 до F1.6;
• качество тепловизионного изображения значительно снижается в плохих погодных условиях, при этом объектив с большим относительным отверстием всё же обеспечивает лучшую картинку по сравнению с меньшим относительным отверстием.

Тепловизионный объектив F50

Тепловизионный объектив F50 - самый дальнобойный сменный объектив, предназначенный для установки на тепловизионные монокуляры Pulsar Helion XP28 и Pulsar Helion XP38. Длина фокусного расстояния в 50 мм обеспечивает техническую возможность для комфортных наблюдений на дальних дистанциях. При использовании именного этого объектива вы сможете распознать цель ростом 1,7 метра (олень или человек) на дистанции 1800 метров, что в условии крайне плохой видимости является неоспоримым преимуществом перед другими оптическими приборами.

Оптическое увеличение тепловизора Pulsar Helion XP с помощью объектива F50 составляет 2,5х, но, применяя плавный цифровой зум в пределах 2х-8х, можно добиться максимального увеличения прибора на уровне 20 крат. Поле зрения на расстоянии в 100 метров составляет 21 метр. Использование сменных объективов на одном тепловизионном приборе значительно расширяет функциональные возможности прибора. Так при необходимости быстро отыскать тепловой объект на большой площади при небольшом удалении лучше воспользоваться короткофокусным сменным объективом, а при поиске целей на значительном удалении все прелести раскроет объектив F50.

Внимание! После физической смены объектива для корректной работы тепловизора вам необходимо в меню прибора выбрать соответствующее значение «50». Теперь ваш тепловизионный монокуляр будет работать корректно, изображение удаленных объектов будет высокого качества.

Нужны ли дополнительные объективы для тепловизора?

При покупке тепловизора, этот вопрос каждый задаёт себе сам и сам же отвечает на него руководствуясь доступной информацией. Со своей стороны попробуем расширить количество той самой информации, чтобы выбор покупателя был более обоснованный.

Итак, зачем нужны дополнительные линзы/объективы?
Качество снимка зависит от нескольких параметров, но в первую очередь от качества тепловизионной матрицы её чувствительности и размера, а также от параметров объектива.
В первую очередь именно технические характеристики тепловизионной матрицы и объектива и определяют качество снимка. Как правило, сменить матрицу на большую не представляется возможным, поэтому остаются только сменные или дополнительные объективы которые повышают качество снимка. Я с изрядной долей скепсиса отношусь к заявлениям о том, что недостатки матрицы и объектива можно решить с помощью дополнительной программной обработки, и тем самым получить большее, чем это возможно исходя из аппаратных средств.

К примеру:
Матрица 384x288 с объективом 20⁰ обеспечивает пространственное разрешение: 0,91 мрад. Матрица 160х120 с таким же объективом 20⁰ обеспечивает разрешение в 2,2 мрад.
Иными словами на расстоянии 100 метров тепловизор с матрицей 384х288 может различить объект размером 9,1х9,1 см, в то время как для матрицы 160х120 минимальный объект должен иметь размеры не менее чем 22х22 см!
Очень оптимистично звучит возможность добиться разрешения 9x9 см, при том, что качество исходных, пусть даже сотни снимков, не лучше чем 22х22 см.
Очевидно, что опция «сверхразрешение» может несколько улучшить качество снимка, особенно в случае «естественного» дрожания рук, но возможность сделать чудо, увеличив разрешение в два раза, остается как минимум под сомнением.

Таким образом остается один естественный путь расширения эффективной дальности или области съёмки - дополнительные объективы. К стандартному объективу предлагают опционально два объектива - широкоугольный и узкоугольный.

Широкоугольный объектив , как правило, используется в случае необходимости съемки большой области с относительно небольшого расстояния. Не столь популярен как узкоугольный, так как всегда можно объединить серию стандартных снимков в панорамное изображение, тем более что широкоугольный объектив расширяет область съемки за счет снижения детализации, а это устраивает немногих.

Узкоугольный (телеобъектив) объектив применяют в том случае, когда важна высокая детализация относительно небольшого объекта удаленного на приличное расстояние. Здесь никакими программными ухищрениями нельзя решить задачу - нужен специальный объектив. В моей практике был случай, когда нужно было провести съёмку трубы ТЕЦ5 (высота over200м), в этом случае такой объектив был просто необходим.

Здание (удаление около 150 метров)	Тепловизор Ti175	Тепловизор Ti175
	Тепловизор Ti395	Тепловизор Ti395 с матрицей (384х288), узкоугольная линза 45мм
Крыша (удаление около 50 метров)	Тепловизор Ti175 с матрицей (160х120), стандартная линза	Тепловизор Ti175 с матрицей (160х120), узкоугольная линза 45мм
	Тепловизор Ti395 с матрицей (384х288), стандартная линза	Тепловизор

Разработка, расчет и производство инфракрасных (ИК) объективов для тепловизионных систем, работающих в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм, а также для оптических датчиков, работающих в ИК диапазоне, являются важным направлением деятельности компании. Предприятие проектирует и изготавливает инфракрасные (ИК) объективы (в том числе атермальные объективы), как серийно в стандартном исполнении, так и по техническому заданию заказчика, а также осуществляет расчет и изготовление других оптических сборок для ИК техники, среди которых:

• тепловизионные объективы для неохлаждаемых тепловизионных камер на основе микроболометрических матриц диапазона 8…12 мкм. Это наиболее распространённый тип систем, что обусловлено эффективным для передачи тепловизионного изображения спектральным диапазоном, оптимальной практичностью матричных приемников, не требующих охлаждения и холодной диафрагмы, а также относительно невысоким уровнем цены такого устройства;
• тепловизионные объективы для охлаждаемых тепловизионных камер, работающих в диапазоне 3…5 мкм. На основе подобных систем создаются тепловизоры с повышенным сочетанием требований к характеристикам и конструктивному исполнению. Это наиболее сложный тип инфракрасных систем, но вместе с тем обладающий наилучшими возможностями по обнаружению и идентификации объектов наблюдения;
• ИК объективы для одно- и несколько-элементных сенсоров, работающих в среднем и ближнем ИК диапазонах, в основном 3...5 мкм. Обычно это простые системы, в составе которых несложная ИК оптика и датчик, основной задачей которого является формирование сигнала, а не передача изображения.

Инфракрасные объективы находят свое применение в тепловизионных системах различного класса:

• оборонные (носимые и стационарные тепловизоры, тепловизионные прицелы, оптико-локационные станции, приборы целеуказания и прицелы наземной техники);
• технологические (приборы теплового контроля технологического и строительного назначения, пирометры);
• для обеспечения безопасности (тепловизионные камеры контроля периметра, границы, противопожарные системы).

В зависимости от поставленных задач мы разрабатываем инфракрасные (ИК) объективы всех указанных классов, среди которых особо выделяются атермальные ИК объективы. ИК оптика для тепловизоров среднего и дальнего диапазонов имеет свою специфику, выражающуюся в особенностях термооптических характеристик используемых оптических материалов, таких как монокристаллы германия, кремния, поликристаллические селенид и сульфид цинка, монокристаллы фторидов металлов. В большинстве случаев ИК объектив содержит линзы из германия, обладающего высоким и нелинейным температурным коэффициентом показателя преломления. Ввиду этого, ИК оптика подвержена расфокусировкам при изменении температуры, и одно из решений проблемы - термокомпенсированная конструкция, перемещающая линзу или группу линз относительно приемника в зависимости от температуры. Немногие компании предлагают атермальные объективы из-за необходимости разрабатывать сложную конструкцию, зачастую используемую в суровых условиях механических и ударных нагрузок. По Вашему техническому заданию мы сделаем расчет и разработку атермального ИК объектива на заказ. Оптика для тепловизора разрабатывается и изготавливается в различных исполнениях с применением особо твердых защитных покрытий, OEM-исполнении, с облегченной по массе конструкцией.