נכתב ע"י :  שמשון סיני –  Electronic Design.

 

אם תשאלו איש הייטק 'מה היא מצלמה תרמית?', הוא ידע בד"כ לומר שזו מצלמה שחשה בפילוג טמפרטורות של האוביקט המצולם. אבל אם תשאלו על סוגי מצלמות תרמיות, לרוב הוא יופתע מהשאלה כי לא ידוע לו על חלוקה שכזו. ובכן, יש גם יש.

נתן לחלק את משפחת המצלמות התרמיות ( מכונות גם אינפראדום או Infrared ובקיצור IR) בדרכים שונות ורבות. אני בחרתי להתמקד בהבחנות שכדאי לקורא הבלתי מקצועי להכיר במידה ויזדקק יום אחד למצלמה שכזו. אבל בטרם ניכנס לפירוט בענין סוגי המצלמות התרמיות, צריך להבין לפחות על קצה המזלג את המשמעות הפיזיקלית של המונח 'תרמי'. כולם יודעים שמדובר בחום וקרינה חומנית אבל מה היא קרינה חומנית?

 

אם אומר כאן שבמובנים רבים מצלמת וידאו תרמית אינה שונה מהותית ממצלמת וידאו רגילה, שכולנו מכירים, ומצלמת באור נראה, רבים ירימו גבה. אכן, מבחינה פיזיקלית יש דמיון רב בין השתיים כי קרינה חומנית, אשר חיישן המצלמות התרמיות רגיש אליה, היא בסה"כ קרינה אלקטרומגנטית ממש כמו קרני האור, אשר חיישן מצלמת הוידאו (CCD  , CMOS  ) רגיש אליהן. כל ההבדל בין השתיים הוא שמדובר בתחומי אורכי גל שונים – האחד הוא התחום הנראה לעין האנושית והשני אינו נראה לעין האנושית. התחום הנראה הינו  ~ 0.4 – 0.7 µm  ואילו תחום האינפראדום מוגדר כ0.7 – 14 µm   ( ראה גם גרף  Blackbody radiation  במאמר הנ"ל).

תחום האינפראדום מתחלק לתתי-תחומים כפי שנראה בהמשך.

מובן שמבחינה הנדסית פרקטית ההבדל הנ"ל אינו קטן כלכך ובניית מצלמה תרמית מורכבת ומסובכת בהרבה מזה של מצלמת אור נראה.

מדוע, אם-כן, מצלמות האינפראדום נקראות גם מצלמות תרמיות? התשובה לכך נעוצה בעובדה פיזיקלית נוספת שמוסברת גם היא במאמר הנ"ל: כל גוף שהטמפרטורה שלו מעל האפס המוחלט מקרין קרינה אלקטרומגנטית בכל ספקטרום אורכי הגל ולכן מבחינה פיזיקלית הוא נחשב ל 'חם'. כמו-כן הוא מחזיר קרינה חיצונית שפוגעת בו (אלא אם-כן הוא 'גוף שחור'). אלא שבמקרים רבים קרינה זו חלשה מדי בתחום הרגישות של העין האנושית או חיישני האור הנראה, כגון קרינה שמקרין הגוף האנושי בחושך, אבל היא חזקה במידה מספקת עבור החיישנים הרגישים לתחום האינפראדום. על כן מקובל לומר שחיישנים אלה חשים כביכול את הטמפרטורה של הגוף.

 

מה בין מצלמה תרמית ומצלמת אינפראדום – IR ?

בחזרה לסוגי המצלמות התרמיות. יש להבחין תחילה בחלוקה ראשונה שמבחינה בין המונחים Thermal camera ו-  IR Camera . אמנם המונחים 'אינפראדום' ו 'תרמי' בעניננו הינם מונחים מקבילים, ובכל זאת מקובל להשתמש בהם בהקשרים מעט שונים הקשורים באפליקציות שונות למצלמות אלה.

לעיתים אנו משתמשים במצלמה רק במטרה להבחין בפילוג טמפרטורות של האוביקט המצולם כדי לזהות איזורים בעלי טמפרטורה שונה, כגון בזיהוי נקודות hot spot  בכרטיס אלקטרוני. במקרה זה מקובל לכנות את המצלמה 'מצלמה תרמית'. בד"כ התוכנה של מצלמה כזו תספק לנו על גבי המוניטור מפה טופוגרפית צבעונית ( צבעים מלאכותיים – pseudo color ) של פילוג הטמפרטורות + ציון תחום הטמפרטורות שמייצג כל צבע. לרוב צבע אדום מיצג טמפרטורה גבוהה וצבע כחול מיצג טמפרטורה נמוכה.

במקרים אחרים אנו רוצים להשתמש במצלמה כמצלמת דימות, ממש כמו מצלמת וידאו רגילה. רק שכאן מדובר ברגישות לאינפראדום. במקרה זה מקובל לכנות את המצלמה 'מצלמת IR '.

 

מצלמות IR

קיימת תת-חלוקה שמחלקת את מצלמות ה- IR  לסוגים שונים על-פי רגישותן לתת-חלוקה של ספקטרום אורכי גל של ה-IR . מקובל לחלק ספקטרום זה לשלושה תתי תחומים:

NIR (Near IR) :  0.7 – 3 µm

MWIR (Middle wave IR):    3 – 5 µm

LWIR (Long wave IR):  5 – 14 µm

מאחר וחיישני ה-CCD  וה CMOS  של מצלמות הוידאו לאור נראה רגישים גם לחלק מתחום ה-NIR אזי במידה ויש צורך בתחום זה משתמשים בד"כ במצלמות רגילות עם תוספת פילטר אופטי שמסנן את התחום הנראה. על-כן מעטות המצלמות הייעודיות לתחום זה.

תחום ה- MWIR  היה עד לא מזמן התחום הפופולרי ביותר למצלמות IR הודות לחיישנים רגישים מאוד וטובים מאוד שפותחו לתחום זה, כגון Indium-Antimonite, Cadmium-Telluride, Platinum-Silicide  . אולם המצלמות הפועלות בתחום זה זקוקות לקירור מאסיבי של החיישן באמצעות מערכת מסורבלת ויקרה שמשתמשת בחנקן ועל-כן הן יקרות מאוד.

תחום ה- LWIR  היה בעבר הרחוק פופולרי מאוד. פופולריות זו ירדה עד לפני כעשור ומאז חזרה ועלתה שוב. בעבר הרחוק החיישנים היו רגישים לתחום ה- LWIR בלבד ולכן המצלמות ( שנקראו FLIR  ) פעלו בעיקר בתחום זה. גם הן נזקקו לקרור חנקן ובנוסף הן נזקקו למערכת אופטומכנית מתוחכמת ומסורבלת ולכן הן היו גדולות, מסורבלות ויקרות מאוד. מאוחר יותר פותחו חיישני ה- MWIR  המצוינים ולכן ה-LWIR  נזנח, אבל לפני כעשור פותחו חיישני LWIR  שאינם זקוקים לקירור כלל (חיישן בולומטרי) והודות לכך קרנן של מצלמות אלה עלתה שוב. כים נתן ליצר מצלמות קטנות וזולות לאין שיעור ממצלמות ה- MWIR  .

 

ראה גם … 

בקר טמפרטורה סופר מדויק