Ludzkie oko przystosowane jest do odbierania jedynie wąskiego zakresu promieniowania elektromagnetycznego. W związku z tym to, co widzimy, jest jedynie wycinkiem otaczającego nas świata. Dlatego wprowadzenie rejestratorów podczerwieni pozwoliło na zrozumienie zjawisk fizycznych i chemicznych w znacznie pełniejszym zakresie, nawet w warunkach całkowitej ciemności. W jaki sposób działa kamera termowizyjna i dlaczego ułatwia pracę w tak wielu profesjach?
Światło widzialne dla człowieka
Wszystko, co znajduje się w przyrodzie, wytwarza lub odbija promieniowanie. Promieniowanie to nie jest jednak identyczne i różni się długością fali oraz częstotliwością. Parametry te mają ogromny wpływ na często zupełnie odmienne właściwości danego rodzaju promieniowania. Każde promieniowanie zawiera się w zakresie widma fal elektromagnetycznych, klasyfikujące je w zależności od długości fali lub jej częstotliwości.
Największą długością, a zarazem najniższą częstotliwością odznaczają się fale radiowe, najkrótsze są zaś fale promieniowania gamma. Światło, które zdolne jest odebrać ludzkie oko znajduje się mniej więcej w połowie tego zakresu i niestety dla nas, stanowi bardzo niewielką jego część. Człowiek jest bowiem zdolny do odbierania fal o zakresie jedynie od 380 do 780 nm. Mimo że otoczeni jesteśmy ogromem zakresu fal, widzimy więc jedynie odbite światło słoneczne.
Podczerwień i ultrafiolet – gdzie znajdują zastosowanie?
Chociaż promieniowanie podczerwone oraz ultrafioletowe znajdują się niemal równie blisko zakresu światła widzialnego, charakteryzują je zupełnie inne właściwości. Podczerwień jest znana również pod nazwą promieniowania cieplnego, gdyż skupia się na cieple oddawanym przez każde ciało w otoczeniu. Każdy przedmiot, którego temperatura przekracza zero bezwzględne, emituje promieniowanie podczerwone. Promieniowanie to różni się jednak zakresem, co jest wykorzystywane w rejestratorach podczerwieni.
Im dane ciało ma wyższą temperaturę, tym fale o większej częstotliwości i mniejszej długości emituje. Długość tych fal znajduje się jednak w przedziale od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie podczerwone znajduje niezwykle szerokie zastosowanie. Używane jest do ochrony i monitorowania obiektów w warunkach ograniczonej widoczności (tu zastosowanie znajdują noktowizory), w pożarnictwie znacznie ułatwia zlokalizowanie źródła ognia, a w budownictwie pozwala na przykład na weryfikację szczelności termoizolacji budynków.
Promieniowanie ultrafioletowe cechują z kolei odwrotne parametry niż w przypadku podczerwieni – posiada ono większą częstotliwość, a jego fala jest krótsza. Oznacza to zakres długości fali między 10 nm, a 400 nm. Dodatkowo, w odróżnieniu od fal podczerwonych jest ono promieniowaniem jonizującym, co oznacza, że tak jak promieniowanie gamma czy rentgenowskie jest zdolne do odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. Ultrafiolet podobnie jak podczerwień występuje wszędzie i można go podzielić na 3 zakresy, które różnią się szkodliwością wpływu na organizmy żywe. Są to UV-A, UV-B oraz UV-C.
Słońce emituje każdy z tych zakresów, jednak UV-C pochłaniany jest całkowicie przez ziemską atmosferę, a UV-B przez warstwę ozonową Ziemi, ale jedynie częściowo. Promieniowanie UV-B jest niezwykle ważne w syntezie witaminy D3 w organizmie ludzkim, gdyż bez niego proces ten nie zachodzi, co może doprowadzić nawet do poważnych chorób układu kostnego. Ultrafiolet znajduje również wiele innych zastosowań – powoduje fluorescencję wielu związków chemicznych, co wykorzystywane jest m. in. w weryfikacji oryginalności banknotów. UV-C posiada również silne właściwości bakteriobójcze, stąd lampy UV służące dezynfekcji.
Co widzi kamera termowizyjna?
Mimo wspólnej nazwy, ze zwykłą kamerą ma ona niewiele wspólnego. Musi ona odbierać jedynie promieniowanie w zakresie światła IR (infrared). O ile zasada odbioru promieniowania jest podobna jak w przypadku aparatów analogowych, w kamerze termowizyjnej nie może jednak zostać zastosowany obiektyw szklany, gdyż szkło nie przepuszcza podczerwieni. W praktyce oznacza to, że promieniowanie podczerwone przechodzi przez obiektyw germanowy i trafia na detektor podczerwieni, w którym każdy piksel odbiera fale podczerwone i rejestruje ich zakres. Następnie obraz ulega obróbce w wyniku której pojedyncze piksele są oddawane w zakresie światła widzialnego, od odcieni granatu, aż po czerwień i biel. Im więcej ciepła, a zatem promieniowania podczerwonego emituje dany obiekt, tym bardziej w odcienie czerwieni będzie wchodzić wygenerowana partia obrazu. Z kolei im przedmiot jest chłodniejszy, tym jego barwa będzie bardziej zbliżona do odcieni niebieskiego.
Kiedy wzrasta ilość promieniowania IR i jak to wykorzystać?
Promieniowanie podczerwone zależy od ilości energii zgromadzonej przez organizm. Im więcej energii, tym zaś większa temperatura danego ciała. Oznacza to, że powierzchnia o większej temperaturze, będzie emitować fale o krótszej długości i większej częstotliwości oraz energii. Dlatego właśnie niezależnie od występowania światła widzialnego (zdjęcia w podczerwieni możemy wykonywać w całkowitej ciemności, uzyskując ten sam obraz), można dokładnie określić w sposób zdalny temperaturę powierzchni. Kiedy ta temperatura będzie wyższa, a wyświetlany obraz przybierze jaśniejsze barwy? Na przykład w budownictwie w przypadku uszczelniania okien.
Jeśli na zdjęciu wykonanym z zewnątrz temperatura wokół okiennicy będzie punktowo wyższa, oznacza to, że izolacja cieplna jest nieszczelna. Podobnie dzieje się w przypadku sprawdzania instalacji elektrycznej. Wyższa temperatura danego fragmentu układu może doprowadzić nawet do pożaru, a jej detekcja mogłaby być niezwykle trudna bez użycia kamery termowizyjnej. Bardzo chętnie po detektory podczerwieni sięga się również w nowoczesnym myślistwie. Polowania na zwierzynę często odbywają się w nocy oraz na terenach zalesionych, a lunety odbierające podczerwień pozwalają na wykrycie zwierzyny z położenia oraz odległości niedostępnych bez użycia tak specjalistycznego sprzętu.