Тепловизор на базе цифровой камеры Nikon 1 J1

Для программы исследования воздействия термоядерной плазмы на конструкционные материалы первой стенки в установках-имитаторах на базе цифрового фотоаппарата Nikon 1 J1 был создан тепловизионный прибор. Эта модель выбрана по причине наличия режимов видеозаписи с частотой 400 и 1200 к/с, что обеспечивает разрешение по времени в 2,5 и 0,83 мс. Кроме того он способен снимать видео высокого разрешения с частотой 60 к/с, что обеспечивает разрешение по времени на уровне 17 мс. Внешний вид фотоаппарата представлен на рисунке 3.

Серийный фотоаппарат содержит сборку светофильтров, которая полностью отсекает инфракрасное излучение и существенно ослабляет видимое красное. Это необходимо для приведения кривой чувствительности фотоаппарата к таковой у человеческого глаза. Спектр пропускания светофильтров Nikon 1 J1, измеренный с помощью спектрометра Avantes AvaSpec-2048, представлен на рисунке 4. Эти фильтры обеспечивают близость кривой чувствительности фотоаппарата к глазу человека. Однако максимум спектра теплового излучения твёрдых тел, как правило, приходится на инфракрасную область. Соответственно, для повышения чувствительности прибора аппарат подвергся переделке: сборка светофильтров была изъята, а матрица, для компенсации изменения хода световых лучей, вызванного отсутствием фильтров, была передвинута на 0,7 мм в сторону объектива.

Рис.4: спектр пропускания светофильтров фотоаппарата Nikon 1 J1

Кроме того матрица покрыта массивом цветных светофильтров красного, зелёного и синего цветов, необходимых для создания цветного изображения. Все эти фильтры в большей или меньшей степени пропускают инфракрасное излучение, а потому не являются препятствием для измерений. Более того, как будет показано дальше, они способствуют расширению диапазона измеряемых температур.

Прибор на выходе даёт цветное цифровое изображение в формате JPEG в случае статичных изображений и MOV – в случае видеозаписей.

Цифровые изображения состоят из множества отдельных элементов – пикселей. Каждый пиксель изображения – это равномерно окрашенный квадрат. Цвет квадрата задаётся тремя числами, принимающими значения от 0 до 255. Эти числа задают яркость свечения красного, зелёного и синего канала соответствующего участка компьютерного монитора при просмотре изображения. В дальнейшем эти числа будут именоваться «яркость цветовой компоненты», как это принято в цифровой фотографии. Физически они являются определённой монотонно возрастающей функцией от числа фотонов, поглощённых соответствующим элементом матрицы фотоаппарата, с учётом работы усилителя сигнала, встроенного в АЦП матрицы. Сама функция заложена в программу фотоаппарата и открыто производителем не публикуется.

Число фотонов, поглощённых элементом матрицы, линейно возрастает с увеличением времени освещения матрицы, т.е., в терминологии фотографии, с увеличением выдержки, обозначаемой буквой «t».

Вторым фактором, определяющим число фотонов, является объектив. С увеличением диаметра его диафрагмы квадратично возрастает собирающая площадь и, соответственно, энергия излучения. Кроме того, чем больше фокусное расстояние объектива – тем больше размер изображения исследуемого объекта. И тем по большей площади матрицы распределяется его излучение. Соответственно, на каждый элемент матрицы попадает меньше фотонов. Т.к. размер изображения линейно возрастает с увеличением фокусного расстояния, его площадь зависит от фокусного расстояния квадратично, а значит энергия, приходящаяся на элемент матрицы, обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния. Отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру диафрагмы в фотографии называется «числом диафрагмы» и обозначается буквой «F», которая пишется перед числом. Например, «F2.0» означает, что фокусное расстояние объектива в 2 раза больше эффективного диаметра диафрагмы. Таким образом, число фотонов, поглощённых элементом матрицы, обратно пропорционально квадрату числа диафрагмы

Усилитель сигнала, встроенный в АЦП, является линейным прибором. Коэффициентом его усиления можно управлять через меню камеры, регулируя параметр «чувствительность», измеряемый в единицах ISO и, зачастую, обозначаемый буквами «ISO», например, «ISO-100». Увеличение значения чувствительности в определённое число раз в такое же число раз увеличивает коэффициент усиления и равносильно увеличению в такое же число раз выдержки. Стоит, однако, учесть, что при этом увеличивается уровень шумов изображения. Это связано как с несовершенством электроники, так и с фундаментальным шумом, вызванным дискретностью света, который тем больше, чем меньше число фотонов, поглощённых элементом изображения.

По причинам, описанным выше, число фотонов, поглощённых элементом матрицы, пропорционально отношению t/F², а значения яркостей цветовых компонент зависят от этого отношения, умноженного на чувствительность, т.е. ISO* t/F². Изображения, полученные при одинаковой величине ISO* t/F², будут одинаковыми, за исключением уровня шумов (а также «смазывания» движения и степени размытия объектов, не находящихся в плоскости фокусировки).

На данный момент обработка результатов измерений этим прибором происходит вручную. Для определения температуры по изображению, полученному с прибора, необходимо открыть его в фоторедакторе. В своей работе мы использовали бесплатный редактор с открытым исходным кодом GIMP 2.6. Используя инструмент «пипетка» необходимо определить значения яркости цветовых компонент интересующих участков изображения. Используя градуировочные графики, соответствующие данным настройкам (данному значению ISO* t/F²) по этим значениям определить температуру. Градуировочные графики даны в Приложении.

Ввиду различной чувствительности элементов матрицы фотоаппарата различных цветов к инфракрасному излучению, при одной температуре снимаемого объекта значения цветовых компонент разных каналов будут существенно различными. Это позволяет существенно расширить динамический диапазон измерений: когда один цветовой канал уже приближается к насыщению (значение цветовой компоненты более 200), другие каналы ещё находятся в диапазоне наибольшей линейности (значение цветовой компоненты в диапазоне 50-200). Соответственно, для измерений желательно выбирать те каналы, значения цветовых компонент которых находится в диапазоне от 50 до 200 и, если таковых несколько, усреднять полученные по ним значения температуры.

Современных фоторедакторы дают широкие возможности по обработке изображений. Так, например, используя инструмент «выделение по цвету» можно нанести на изображение изолинии температур. Пример такой обработки изображения приведен на рисунке 5.