Hőképalkotó optikák – minden, amit a hőkamerákról tudni kell

Egy átlagos ember akkor láthat legelőbb hőkamerás felvételeket, legyen az videó vagy fotó, ha érdeklődik egy szakértő módszereiről az energiatakarékossági igazolvány kiállításánál. Ez másképp van a vadászoknál és akik hivatásból viselnek fegyvert: Itt ez a technológia abban segít, hogy felkutassák és megfigyeljék a vadat és a lehetséges támadókat. Ebben a cikkben összefoglaljuk a legfontosabb információkat a hőkamerákkal kapcsolatban.

Írta: Dr. Hans Gerhard Heuser és Andreas Wilhelmus / VISIER

A vadászok itt egy Pulsar Helion hőkamerát használ a megfigyeléshez.

De mielőtt belekezdenénk a műszaki alapokba, engedjetek meg egy megjegyzést: Természetesen a hőkamerákat (angolul: Thermal Imaging Cameras) használhatjuk az éjszakai megfigyelésre is, tehát éjjellátóként. Létrejött azonban egy homályos elválasztódás az éjjellátók és a hőkamerák között, ezért átvesszük ezt a szokást is.

A hőkamerák műszaki alapjai:

 

Az éjjellátókkal ellentétben a hőkamerák egy teljesen más elvet használnak a fizikai testek megfigyelésére (itt tárgyal vagy élőlények) és, hogy képet alkossanak ezekről. Az éjjellátók a vetített sugarak testekről való visszaverődését használják ki. Ez az éjszakai maradékfény is lehet vagy egy rendelkezésre álló fényvető (az emberi szem számára láthatatlan) fénye. Az utóbbi általában az IR tartományban van.

A hőkamerák ellenben a fizikai testek saját hősugárzásából alkotnak képet vagy még jobban kifejezve: a test változó erősségű sugárzása, de ugyanazon test hőmérsékleti különbségei is. Az egész azért működik, mert minden test elektromágneses sugarakat bocsájt ki (lead) és nyel el (felvesz). És a hősugárzásnál is az elektromágneses sugárzás egy fajtájáról van szó.

Egy nagy hatótávolságú Pulsar hőkamerával felvett vaddisznócsorda.

Itt az is figyelemreméltó, hogy egy fizikai test még közvetlenül az abszolút nulla pont elérése előtt is (0°K = -273,15°C) rendelkezik egy bizonyos belső energiával. Az atomokban lévő elektronok rezegnek, amik a testet alkotják. Ezek a mozgások az elektromágneses mező forrásai, mivel az elektromágneses hullámok is mindig akkor keletkeznek, amikor a töltetek gyorsulnak. Az emelkedő hőmérsékletnél az elektronok gyorsabban rezegnek és így a sugárzás energiája is növekszik. Magas hőmérsékletnél az emittált sugárzás egy része az elektromágneses spektrum tartományában helyezkedik el: Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az energiában gazdag, rövid hullámhosszú kék fény része. Ezt a jelenséget akkor is megfigyelhetjük, ha egy vasrudat felhevítünk: Izzani fog sötétből a világos piroson keresztül a sárgáig és fehérig, minél melegebb lesz. Ez azt jelenti tehát, hogy egy test normál hőmérsékleteknél is „izzik”. Csak ezt szabad szemmel nem lehet látni, mert a hosszúhullám tartományban (infravörös) játszódik le, méghozzá a mekrométeres tartományú hullámhosszokon kb. 3,5 - 15 μm (közepes és hosszúhullám tartományú infravörös).

Egy terrier a Leupold LTO Tracker-rel megfigyelve a Black-Highlight üzemmódban - 3° C-ban, ezért a világos háttér.

A termografikus érzékelők műszaki fejlődése:

A technika, aminek segítségével kihasználhatjuk ezeket a hullámhossz tartományokat a megfigyelő készülékekhez, viszonylag új. Ellenben a testek hősugárzás érzékelésének kezdete már a 19. századig nyúlik vissza. Ugyanúgy, mint az emberi szem a hagyományos optikai eszközök sem tudják érzékelni a hősugárzást. Ezért új komponenseket kellett fejleszteni ehhez. Ez főként az optikákat és az érzékelőket érinti. Az üvegből készült objektívek elnyelik a megfelelő hősugárzást. A fénymegtörő üvegfajták helyett ezért például kősó vagy cinksó kristályok kerültek szóba. Ezeknek a sókristályoknak azonban van egy nagy hátránya: Érzékenyen reagálnak a nedvességre. Ezért jelenleg főként félvezető anyagokból készült optikákat használnak, lehetőleg germániumból. Ez természetesen jóval drágábbá teszi az egészet.

Egyes hőkamerák különböző választható színpalettákat kínálnak a hőkép megjelenítésére. Felül látható a Leupold belépő szintű készülékének hat üzemmódja, ezek azonban a gyártó által javítva lettek illusztrálási céllal.

Érzékelőként úgynevezett bolométereket használnak, amiket szintén a 19. században találtak fel. A bolométereket idővel továbbfejlesztették mikrobolométerekké, ami rájuk eső hőképet észlelik és jelként továbbítják megjelenítésre egy kijelzőre. Egy bolométer elektromosságot vezető, félvezető anyagokból áll, amik különböző ellenállás értékeket mutatnak különböző hőmérsékleteknél, úgynevezett termisztorok. Itt NTC ellenállásokról van szó. Itt az NTC "Negative Temperature Coefficient - negatív hőmérsékleti együtthatót” jelent, tehát: ezeknél az elektromos vezetőknél az ellenállás csökken a hőmérséklet növekedésével. Azonban, hogy folyamatosan bevetésre készen legyen a kívánt célra, a besugárzott hőt adott esetben el kell vezetni. A nagyon érzékeny érzékelőket ezért hűtik. A hagyományos hőkamerák mikrobolométerei hűtés nélkül is működnek szobahőmérsékleten, de szükségük van egy hőmérsékletstabilizálásra és időről-időre kalibrálni kell őket, hogy az érzékelők elkerülhetetlen termikus sodródását kompenzálják. A modern kameráknál kézzel bekapcsolhatjuk a kalibrálást. Eközben azonban nem stabil a kép. Időközben azonban a csúcsmodellek kalibrálási idejét annyira lerövidítették, hogy alig tart 1/4 másodpercig és így a megfigyelés közben is elviselhető. Némelyik készüléknél választhatunk automata, félautomata vagy a felhasználó által kézzel végrehajtott külső kalibrálás közül. A legjobb esetben így a kalibrálást akkor is végrehajthatjuk, amikor éppen nem használjuk a kamerát megfigyeléshez/észleléshez.

Amit a hőkamerák felbontásáról tudni kell:

A képminőségnél döntő szerepe van az érzékelők felbontásának, méghozzá egyrészt a mikrobolométer hőmérsékletfelbontása, másfelől szintén a mikrobolométer helyi képfelbontása. A hőérzékenységet veszik figyelembe a zajjal szemben és Kelvinben adják meg, ez azt jelenti, hogy a határérzékenység az a hőmérsékletkülönbség, amit még éppen meg lehet különböztetni a zajtól. Ez általában 1 Kelvin alatt van (vagy ha így ismerősebben hangzik: egy fok alatt, a Celsius skálával való összetévesztés itt jelentéktelen, mivel mindkét skálán egyezik a fokonkénti hőmérsékletkülönbség).

Az érzékelő egyes képelemei közötti távolságot pixeltávolságnak nevezzük. Minél kisebb a távolság az egyes hőérzékeny elemek között egy érzékelőben, annál magasabb a lehetséges felbontás az érzékelő egy adott méreténél. Ennél kisebb is lesz azonban az energia, ami az egyes diódákra esik. Az átlagos vadász számára még megfizethető kereten belül lévő készülékek 25 μm, 17 μm és újabban 12 μm pixeltávolságúak.

A Liemke Milan 35 majdnem 8.000,- €-ba kerül és a civil részlegen csúcskategóriás készüléknek számít. 12 μm pixeltávolságú érzékelővel rendelkezik, aminek felbontása 640x480 pixel, nagyítása 2-8x, súlya pedig 400 g alatt van.

Különböző okok miatt nem előnyös egyre kisebb pixeltávolságú érzékelőket gyártani. Az egyre kevesebb pixelenkénti energia probléma mellett az olyan problémák, mint a zaj is növekszik, a felbontást fizikai okok miatt sem lehet tetszőlegesen növelni. Ez a hullámok hajlása miatt van, amik a megjelenítő objektív nyílásától függően egy ideális vagy kevésbé ideális pontból egy elmosódott és elhajlott szeletté alakulnak. Mivel a fényhullámokkal ellentétben jóval a hosszúhullám tartományban dolgozunk, hamarabb elérjük a határokat. Az érzékelők felbontása 384x288 - 640x480 pixel a népszerűbb készülékeknél. A különböző gyújtótávolságú optikákkal együtt adódnak a képmező méretei a megfigyelt képmezőnek. Ugyanúgy, mint a digitális fényképészetnél is, itt is ugyanazok az elvek érvényesek az érzékelő nagysága és nagyítás valamint az objektív gyújtótávolságának viszonylatára. Végszó: Látószög és formafaktor. Az adatlapok olvasásánál azonban nagyon oda kell figyelni, hogy az érzékelő felbontását nézzük és ne a kijelző felbontását. Ha kényelmesen akarunk mozgó dolgokat megfigyelni egy hőkamerával, akkor fontos, hogy a képfrissítés magas legyen. Ez azt jelenti, hogy az érzékelő egy másodperc alatt olyan gyakran alkosson egy új képet, hogy a mozgatás miatt ne döcögjön a kép. Nem rég még kényelmetlen 4 Hz-es változatok is voltak a piacon, manapság már 25 - 50 Hz-es készülékek gondoskodnak a kényelmes megfigyelésről.

A nagyigényű készülékek - tehát az olyan hőkamerák, amik a mozgó megfigyelésre is alkalmasak és nem csak észlelésre - ára 1.000,- és 5.000,- € között helyezkedik el. Felfelé alg találni határt egészen a katonaság által használt készülékekig, ezeknek azonban a civil felhasználó számára nincs sok értelme és gyakran nem is elérhetőek.

Azt is meg kell említeni, hogy nem csak olyan készülékeket lehet gyártani, amik a távoli (hő) infravörös sugárzást jelenítik meg, hanem a hosszabb hullámú sugárzást használják a milliméteres tartományban. Ebben az a különleges előny rejlik, hogy a milliméteres hullámok a falakon és más akadályokon is áthatolnak és a normál esetben láthatatlan objektumokat is érzékelhetik. Ezt a technológiát alkalmazzák az aknakereső készülékekhez és a még mindig nyilvános vitatémában álló, reptereken használt testszkennereknél is. Azt azonban hozzá kell tenni, hogy itt még egy ígéretes fejlesztés elejénél járunk.

Milyen vezérlési lehetőségek vannak a hőkameráknál?

Az általános hőkamera tulajdonságok után most már érdekesek a vezérlési lehetőségek is. Ezek azonban készülékfüggőek és az esetleges kényelem gyakran az árban is meglátszik. Majdnem az összes készülék kínál olyan lehetőséget, hogy észlelt, hőt sugárzó objektumot a képernyőn világosan vagy sötéten jelenítenek meg. Itt a „hot-white - meleg fehér” illetve „hotdark - meleg fekete” vagy másképp "white-hot" ill. "blackhot” kifejezésről beszélünk. A white-hot az alap üzemmód. A szituációtól függ, hogy melyiket választjuk, de általában csak ízlés kérdése. Emellett egyes készülékeknél van színes üzemmód is, ami az objektum különböző hőmérséklettartományait színesen jeleníti meg. Itt gyakran egy egész paletta színt beállíthatunk. Ez inkább egy hőprofil megjelenítésénél hasznos.

Az ilyen színes hőkamera megjelenítések egyáltalán nem alkalmasak a vadak azonosítására és bírálására.

Az élesítés és a nagyítás beállítása általában úgy történik, mint a többi ismert kameránál. Gyakran változtatható a megjelenítés nagysága a digitális nagyítással. Ez azt jelenti, hogy a szoftver felnagyítja a képet. A felismerhetőség ezáltal nem lesz mindig jobb, csupán a benyomás változik ennek megfelelően. Ezt tartsuk észben, hogy a gyártó által agyon dicsért x-szeres digitális nagyítást ne értékeljük túl.

Egyes készülékeknél az érzékelő hibás pixeleit kitakarhatjuk egy szoftver segítségével. Szintén fontos a képkontraszt és a világosság beállítása, mert egyrészt szituációtól függően, és így a környezet karakterisztikától, az objektumok jobban vagy kevésbé emelkednek ki a háttérből. Egyes készülékek itt lehetőséget kínálnak a fokozatmentes finomhangolásra vagy választhatunk különböző előre beállított beállításból. A szem azon tulajdonsága, hogy hozzászokik a képen a legvilágosabb részhez, egyes esetekben akadályozhatja a képmegítélést, ez ellen is tehetünk.

A FLIR HS 324 Pro az 5000 euros árával a belépő és középkategóriás készülékek között helyezkedik el. 2x digitális nagyítással rendelkezik és 320x240 felbontású hőképeket ad.

Az alapfunkciók közé tartozik a menüben a dátum és idő beállítása, nyelvválasztás, mértékegységek, készülék információk és a készülékben található memóriakártya formatálása. A gyártótól számíthatunk nagyon kényelmes felvevő funkciókra is. Ezek a különböző felbontású fényképektől a videókig terjednek. A különböző felvevő készülékekkel való csatlakoztatás is hol kényelmes, hol nem. Gyakran a kamerákba egy memóriakártya van beépítve, amin tárolhatjuk a képeket és a videókat. Más készülékek rendelkeznek USB csatlakozással vagy akár WLAN-nal és így a képet át tudják vinni mondjuk egy okostelefonra.

Egyes készülékek olyan funkcióval is rendelkeznek, amit a vadászok a céltávcsöveknél ismernek, mégpedig egy objektum távolságának becslése egy célkereszt sáv segítségével. A céltávcsövekben legtöbbször fix célkeresztek vannak vagy a legjobb esetben pontok láthatóak a látómezőben, meghatározott távolságban egymástól. Ellenben egyes készülékekben bekapcsolható segédvonalak találhatóak, amik eltolhatóak. Ha behatárolunk vele egy látható objektumot, akkor közvetlenül leolvashatjuk a távolságot.

Belépőszint: A kb. 14 cm hosszú és 200 g súlyú Leupold LTO Tracker 999,- €-ba kerül 6x digitális nagyítással rendelkezik, az érzékelőjének felbontása pedig 206x156 pixel. Inkább csak a vad megkeresésére alkalmas, mint a beazonosítására.

Melyiket vegyük? Tanácsok a hőkamera vásárláshoz.

Vásárlás előtt először legyünk tisztában azzal, hogy főként mire fogjuk használni. Legtöbbször vadászathoz használják a hőkamerákat. Itt át kell gondolni az alábbiakat: 

  • Milyenek a viszonyok a vadászterületen?
  • Inkább az erdőben vadászunk kisebb távolságokon vagy nyílt terepen akarunk beazonosítani vadakat és utána becserkészni?

Eszerint jön a látómező, objektív és így nagyítás. Akinek hatótávolságra van szüksége, annak nagyítás kell lehetőleg magas pixelszámmal. A digitális nagyítás értékéről már beszéltünk. Mint ahogy az éjjellátóknál is, itt is kritériumnak számítanak az észlelés, felismerés, azonosítás. Ezek az értékek gyakran meg vannak adva az adatlapokon.

Újonnan mutatták be a SHOT Show 2018-on: A Pulsar Accolade XP50 640x480-as felbontással és akár 1.800 m-es felismerési távolsággal.

A legtöbb felhasználónál természetesen a gazdaságosság is döntő szerepet játszik a vásárlásnál. Nem kellene elévült szabványokba fektetni, inkább a legújabb technológiákba. Természetesen jelenleg a 12 μm-es pixeltávolság felé mozog a trend a civil területen, az elérhetőség még áttekinthető és árban magasan van, de a fejlődés gyorsan halad. Az áramellátásra is figyelni kell. Drága elemeket használ a készülék vagy olcsó akkumulátorokat is használhatunk. Talán egy külső akkumulátor vagy powerbank? Továbbá a kényelmi szempontok mindig emelik az árat, tehát egy pontos elemzés segít, mire van szükségem és miről tudok lemondani, a költségek optimalizálásában.

Végül még egy tanács:

Itt is érvényes az a jelige, mint az éjjellátóknál: Ne papír szerint vásároljunk, hanem hasonlítsuk össze a készülékeket a gyakorlatban. A legtöbb kereskedőnél van erre lehetőség. Egy összehasonlító megítélés is segíthet a kiállításokon és szakmai bemutatókon a saját igények meghatározásában. De vigyázat: Egy olyan próbánál, amit nem a végleges felhasználási területen végzünk, fennáll a hibás megítélés veszélye.

Hozzászólások nincsenek engedélyezve