| الوصف: |
Infrared (IR) camera enables to measure the temperature of an object without contact. As a result, a thermal image is created, and it is usually visualized by colours/contrast representing different temperature values. Originally, IR cameras were developed for military and surveillance purposes. As the features of IR cameras evolved and cost decreased, the application field expanded also to other areas such as industry and medicine. This thesis work is conducted on requirements and desires of medical technology company Imaqen Ltd. The aim was to acquire a better understanding of different IR camera technologies, compare those to each other on paper and carry out measurements, where the ability of the IR cameras to detect fast effects is tested and the noise levels of the cameras are determined. On this ground, one could find the most suitable IR camera to a future application of the company. Among other things, spectral range, sensitivity and response time of IR cameras depend on the material and technology of the detector. These properties influence e.g. in which temperature range the camera is working, how small temperature differences can be distinguished and how fast effects can be detected. The real functionality of an IR camera is revealed only in practical testing, so in addition to theoretical study, five different IR cameras were tested. Three cameras were cooled photovoltaic (PV) detectors, which measure the temperature of an object by counting incident photons. Two cameras were microbolometers (MB), which operation is based on variation in temperature of sensing elements of the detector. The aim was to measure how well the cameras are detecting heat effects lasting only a couple of milliseconds. A tech-nical phantom was built for the measurement, where a rotating plate with a small hole was adjusting the time a warm object behind it was visible. By increasing the angular velocity of the plate, the time of the heat effect was reduced to 2.7 ms. Noise level of the camera affects how small temperature differences the camera can distinguish. Therefore, the characteristic noise level of every camera was calculated, and this was compared to the NETD (noise-equivalent temperature difference) value provided by the manufacturer. MBs are not suitable for detecting heat effects that last only a couple of milliseconds due to their long response time i.e. the thermal time constant of the sensing element. The PV detectors on the other hand are very suitable for fast recognition tasks as their response time is short. However, an aliasing effect was discovered because of a too low frame rate. This can be a limiting factor when the effect time decreases and if the frame rate of the camera cannot be increased. All the noise levels were higher than values provided by the manufacturers, especially with MBs. This difference of noise levels between MB and PV detectors makes the latter more suitable for detecting small temperature differences on a scene. Based on the results and theory, one can conclude that PV detectors have better fast recognition and noise features than MBs. However, cost and size of MBs are considerably reduced compared to PV detectors. This can turn out to be a selection criterion if the minimum requirements are fulfilled. There are still other detectors used in IR cameras e.g. quantum well infrared photodetector, which were not tested in this work. Thus it would be beneficial to reproduce these tests with a larger variety of different IR detector technologies; only then more precise conclusions about the best detector could be made. Sometimes a trade-off between some features must be made, for example, it has to be decided if a fast response time is more important than high sensitivity with a large resolution. The application will set the requirements for optimal features of the IR camera. Therefore, different cameras cannot be put in order without knowing what the target application is. Lämpökamera mahdollistaa kohteen lämpötilan mittaamisen ilman kontaktia. Sillä saadaan kohteesta lämpökuva, jossa värit/sävyt edustavat eri lämpötiloja. Alun perin lämpökameroita käytettiin ja kehitettiin sotilas- ja valvontakäyttöön. Kameroiden hintojen laskiessa ja ilmaisimien ominaisuuksien parantuessa sovellusalue on laajentunut myös muun muassa teollisuuteen ja lääketieteeseen. Tämä diplomityö on toteutettu terveysteknologia-alan yrityksen, Imaqen Oy:n tarpeita ja toiveita varten. Tavoitteena oli parantaa ymmärrystä eri lämpökamerateknologioiden ominaisuuksista sekä vertailla näitä keskenään niin teoriassa kuin käytännössä. Lähtökohtana oli toteuttaa mittaus, jossa vertaillaan eri kameroiden kykyä havaita nopeita ilmiöitä sekä määrittää kameroiden kohinatasot. Työn tavoitteena oli edesauttaa yrityksen päätöksentekoa tulevaisuuden laitehankintoja ajatellen. Käytetystä ilmaisinmateriaalista ja –teknologiasta riippuen muun muassa lämpökameroiden spektrivaste, herkkyys sekä vasteaika vaihtelevat. Nämä ominaisuudet vaikuttavat esimerkiksi siihen, millä lämpötila-alueella kameralla pystytään kuvaamaan, kuinka pieniä lämpötilaeroja pystytään erottamaan ja kuinka nopeita ilmiöitä havaitsemaan. Todellinen toiminta paljastuu kuitenkin vasta käytännön testeissä. Teoreettisen tarkastelun lisäksi työssä suoritettiin testit viidelle eri lämpökameralle. Kolme kameroista oli jäähdytettyjä fotojännitekameroita, joiden kohteen lämpötilan mittaus perustuu kohteesta saapuvien fotonien laskemiseen. Lisäksi testattiin kaksi jäähdyttämätöntä mikrobolometria, joiden toiminta perustuu ilmaisinmateriaalin lämpötilan vaihteluun. Tavoitteena oli testata, kuinka hyvin eri kamerat havaitsevat lämpöilmiöitä, jotka ovat nopeimmillaan muutaman millisekunnin mittaisia. Tätä varten rakennettiin testijärjestelmä, jossa lämpölähteen näkymisaikaa kameralle säädettiin pyörivän reikälevyn avulla. Pyörimisnopeutta kasvattamalla saatiin lämpöilmiötä lyhennettyä aina 2,7 millisekuntiin asti. Kameran kohinataso vaikuttaa siihen, kuinka pieniä lämpötilaeroja kameralla pystytään havaitsemaan. Tämän vuoksi jokaiselle kameralle määritettiin sen ominainen kohinataso, jota verrattiin kameravalmistajan ilmoittamaan NETD-arvoon (noise-equivalent temperature difference). Mikrobolometrit eivät sovellu millisekunnin luokkaa olevien lämpöilmiöiden havaitsemiseen niiden pitkän vasteajan vuoksi, joka riippuu materiaalin termisestä aikavakiosta. Fotojännitekameroissa vasteaika on lyhyt, joten ne soveltuvat nopeiden ilmiöiden havaitsemiseen. Tuloksissa havaittiin kuitenkin taajuuksien laskostumista liian matalan kuvanottotaajuuden vuoksi. Tämä voi muodostua rajoittavaksi tekijäksi ilmiönopeuden kasvaessa, jos kameran kuvanottotaajuutta ei pystytä nostamaan. Kohinatasot olivat kaikilla kameroilla valmistajien ilmoittamia arvoja korkeammalla, erityisesti mikrobolometreilla. Ero mikrobolometri- ja fotojännitekameroiden kohinatasojen välillä tekee fotojännitekameroista soveltuvampia pienten lämpötilaerojen havaitsemiseen. Tulosten ja teorian perusteella voidaan todeta, että fotojännitekamerat ovat sekä nopeus- että kohinaominaisuuksiltaan mikrobolometreja parempia. Mikrobolometrien koko sekä kustannukset ovat kuitenkin fotojännitekameroita huomattavasti pienemmät. Tämä voi osoittautua valintakriteeriksi, jos kuvattavan kohteen asettamat vaatimukset täyttyvät. On kuitenkin olemassa myös muita lämpökameroissa käytettyjä ilmaisimia, kuten kvanttikaivoilmaisin, joita ei tämän työn aikana päästy testaamaan. Vaaditaan siis testien toistamista laajemmalla otannalla eri ilmaisinteknologioita, jotta tarkempia johtopäätöksiä parhaasta lämpökamerasta pystytään tekemään. Osa kameran ominaisuuksista vaatii myös kompromissien tekemistä. Täytyy esimerkiksi päättää, onko tärkeämpää kuvausnopeus vai pienten lämpötilaerojen havaitseminen suurella resoluutiolla. Käyttökohde asettaa vaatimukset optimaaliselle kameralle, eikä lämpökameroita voida siis asettaa paremmuusjärjestykseen tietämättä ensin, mitä ollaan kuvaamassa. |
