Все началось с того, что мы разработали очень чувствительный тепловизионный модуль FLM640, который обладал чувствительностью не хуже 20 мК в диапазоне 8-12 мкм, что очень неплохо для неохлаждаемых болометрических камер. Производитель сенсоров обратился к нам и предложил инженерный образец из экспериментальной пластины болометрических детекторов с интегрированными поляризационными фильтрами. Для нас это было очень почетно, но в то же время понимания, что мы должны в итоге получить, не было. Технология и сама идея увидеть собственную поляризацию тепловых квантов-фотонов объектов, которые нас окружают, абсолютно новая, и опыта обработки такой информации у нас не было.
В данной статье мы постараемся показать вам поляризацию в тепловизионном диапазоне, и это пока первая и единственная статья на эту тему в рунете (по крайней мере, мы не смогли найти ничего похожего).
В нашем распоряжении была электроника ранее разработанного тепловизора FLM640, которая позволяла обеспечить чувствительность болометрического сенсора лучше 20 мК, и был переданный производителем поляризационный сенсор. Уникальность последнего состоит в том, что в группе из четырех пикселей на каждый пиксель нанесен поляризатор (каким образом нанесено — даже не пытайтесь спрашивать у нас, у производителя выпытать не удалось). Поляризация каждого фильтра отличается на 45 градусов. Итого у нас углы поляризации: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 градусов.
Обработка массива данных с сенсора — задача не в полной мере тривиальная. Если изначально мы ее решали «в лоб», то последняя версия обработки более похожа на алгоритм дебайеризации, когда в обработке каждого пикселя участвуют больше четырех окрестных пикселей. Но, к сожалению, следует отметить, что если по яркости (температуре) результирующее изображение имеет разрешение 640х512 элементов, то по углам поляризации все же в два раза хуже.
В результирующих видео присутствуют три изображения (слева направо): видео с обычного тепловизора, восстановленные углы поляризации, комплексированное изображение, где яркость — это тепловое излучение, а цвет — угол поляризации.
Собственно, результат лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать, поэтому специально для статьи мы записали показательные видео.
Стеклянная лампочка — отличный объект для демонстрации собственной поляризации. Стекло непрозрачно в диапазоне 8-12 мкм и отлично излучает тепло, которое оказывается поляризованным соответственно углу, с которым излучается.
Видео с плафоном демонстрирует, как поляризация позволяет отобразить поверхностную структуру объекта. Если бы на поверхности гладкого объекта были дефекты, то их можно было бы обнаружить из-за дефекта поляризации.
Плоские объекты излучают достаточно просто, но каждая грань под разным углом поляризации. В видимом диапазоне или тепловизионном диапазоне по одному кадру нельзя было бы сказать об угле грани. С учетом поляризации излучения это становится возможным.
Чистая металлическая пластина — сложный объект, она не хочет излучать, а пытается отразить тепло от других объектов. По центру маркером нанесен квадрат, эта часть (пластиковая) излучает чуть лучше.
Лед в стакане
Довольно интересно смотрится лед. В общем, поляризация подчеркивает поверхностные дефекты, даже незначительные. Есть предположение, что поляризация могла бы помочь в распознавании трещин во льду.
УАЗик
И отдельный кадр реального изображения с улицы.
Результаты и выводы
Мы смогли показать наиболее яркие моменты использования регистрации излучения объектов в диапазоне 8-12 мкм. Но так как мы являемся разработчиками радиоэлектронной аппаратуры, а не докторами наук в области фотометрии или оптики, нам сложно оценить возможности применения данного физического свойства и прибора.
Пока мы можем сказать, что поляризация позволяет рассказать о поверхности объекта.
Есть предположения (по результатам общения с производителем детекторов, коллегами на выставках и очень скудной информации в интернете), что эффект оценки поляризации излучающих и отражающих объектов можно использовать в следующих областях:
- Отличие собственного излучения от отражения (например, теплой машины от блика солнца в луже или от песка/камня)
- Поиск замаскированных объектов
- Поиск масляных пятен на поверхности воды
- Поиск дефектов
- Снятие 3D-геометрии объекта
- Обнаружение теплого объекта (тонущего человека) на поверхности воды, отделив солнечные блики от собственного излучения объекта
Можно ли увеличить чувствительность? Да, это возможно, но для этого нужно стабилизировать температуру камеры (заузить ее рабочую температуру) и провести дополнительные калибровки, мы пока этим не занимались, но потенциал такой есть.
