Soğutmasız bir termal görüntüleme kamerasında, kızılötesi algılama elemanları, oda sıcaklığında çalışan bir ünitede bulunur. Termal görüntüleme cihazlarının daha yaygın bir türü olan soğutmasız sistemler sessiz çalışır ve hemen etkinleştirilebilir. Soğutmalı termal görüntüleme cihazlarının dedektörleri, onları yaklaşık 77K’ye (-196°C) soğutan bir ünitede bulunur. Kriyojenik olarak soğutulan bu sistemlerin bileşenlerinin soğutulmasının bir sonucu olarak yüksek çözünürlüğe ve hassasiyete sahip olsa da, soğutmasız tip termal kameralardan daha pahalıdır ve belirli periyotlarla bakım yapılmayı gerektirir. Özellikle uzun menzilli gözetlemeler, sınır güvenliği, gaz kaçağı tespiti vb uygulamalarında soğutmalı tip termal kameralar daha efektiftir.
Soğutmalı sensöre sahip termal görüntüleme cihazları, soğutmasız tip sensöre göre avantajlara sahiptir. Ancak, oldukça pahalıdır. Modern bir soğutmalı termal görüntüleme kamerasının görüntü sensörü, cryocooler olarak bilinen bir soğutucu ile entegredir ve sensör sıcaklığını kriyojenik sıcaklık değerlerine düşürür.
Sensör sıcaklığındaki bu azalma, termal olarak indüklenen gürültüyü, görüntülenen sahneden gelen sinyalin seviyesinin altına düşürmek için gereklidir.
Cryocooler’lar, mekanik hareketli parçalara sahiptir ve gaz contalarını yavaş yavaş geçen helyum gazına sahiptir. Cryocooler için 10.000-13.000 saatlik çalışma süreleri sonunda değiştirilmesi gerekmektedir.
Soğutmalı termal görüntüleme kameraları, sahne sıcaklığındaki küçük farklılıklara karşı en hassas kamera türüdür. Nesneler arasındaki en küçük sıcaklık farklarını algılayabilir. Kara Cisim fiziği nedeniyle termal kontrastın yüksek olduğu spektrumda MWIR bandında görüntü oluşturur. Termal kontrast ne kadar yüksekse hedefi tespit etmek o kadar kolay olur.
Soğutmasız tip kızılötesi kamera görüntü sensörü, kriyojenik soğutma ünitesine ihtiyaç duymaz. Soğutmasız tip görüntü sensörü mikro bolometre tabanlıdır. Sahnedeki sıcaklık değişimi bolometrenin sıcaklığında da değişime neden olur, elektrik sinyaline dönüşümü ve resme dönüşümü sağlanır. Soğutmasız tip sensörler LWIR bantta 8-14 mikron metre dalga boyunda çalışacak şekilde tasarlanmıştır.
Uygulama senaryosuna bağlı olarak soğutmalı tip ya da soğutmasız tip termal görüntüleyici seçmek gerekmektedir. Seçim tamamen ihtiyaç duyulan uygulama tipine bağlıdır.
Anlık sıcaklık farklılıklarını görmek istiyorsanız, en iyi resim kalitesine ihtiyaç duyuyorsanız, yüksek hızlı uygulamalara sahipseniz, çok küçük sıcaklık farklılıklarını ölçme ihtiyacınız varsa, termal olayları elektromanyetik spektrumun spesifik bir parçasında görselleştirmek istiyorsanız, soğutmalı tip termal görüntüleme cihazı doğru seçim olur.
Kıyaslama Örnekleri :
Yüksek hız :
32km/s hızla dönen bir tekerleğin yakalama sonuçlarına bakalım. Üstteki görüntü soğutmalı tip termal görüntüleme kamerası ile yakalanmıştır. Alttaki resimde araç tekerleğinin patinaj yaptığı gibi bir algı oluşurken, üstteki soğutmalı tip kameradan yakalanan görüntüde durumun böyle olmadığı net olarak anlaşılmaktadır. Bu soğutmalı tip kameranın çok hızlı yakalama hızının bir sonucudur. Motion blur efekti, soğutmalı tipte görülmemektedir.
Hassasiyet :
Soğutmalı tip termal kameraların gelişmiş hassasiyetinin sunduğu değeri tam olarak anlamak genellikle zordur. 50mK hassasiyetli soğutmasız termal kameranın, 20mK hassasiyetli soğutmalı termal kameraya kıyasla faydasını nasıl hissediyorsunuz ? Bu karşılaştırmayı daha iyi anlayabilmek için, elimizi bir duvar üzerine birkaç saniyeliğine koyalım. Termal bir el izi oluşturalım. Ilk iki resim, el kaldırıldıktan hemen sonraki el izini göstermektedir. Ve ikinci görüntü grubu, yaklaşık 2 dk sonra termal el izinin imzasını gösteriyor.
Soğutmalı tip termal kamera, el izinin termal imzasının çoğunu görebilirken, soğutmasız tip kameralar yalnızca el izinin kısmi kalıntılarını gösterir. Soğutmalı tip termal kamera, soğutmasız tip termal kameralardan daha küçük sıcaklık farklarını ve daha uzun süreler boyunca net bir şekilde algılayabilir. Bu, soğutmalı tip termal kameranın hedefiniz hakkında daha iyi ayrıntılar sunacağı ve en ufak termal anormallikleri bile tespit edebileceği anlamına gelir.
Soğutmasız tip termal kameralar genellikle benzerleri olan soğutmalı tip termal kameralardan çok daha ucuzdur. Soğutmasız tip termal kameraların sensörü, kriyo-soğutuculara ihtiyaç duymaz.
Soğutmasız termal kameralar daha az hareketli parçaya sahiptir ve benzer çalışma koşulları altında soğutmalı tip kameralara göre daha uzun hizmet ömrüne sahiptir. Güvenlik uygulamaları, herhangi bir tehdidi kaçırma olasılığını önlemek için genellikle kameraların sürekli çalışmasını gerektirir. Soğutmalı tip termal kameralar genellikle 1-2 yıllık kullanımdan sonra servis gerektirirken, soğutmasız tip kameralar yıllarca kesintisiz çalışabilir.
Soğutmasız Tip mi, Soğutmalı Tip mi?
Soğutmasız tip termal kameraların birçok avantajını saymamıza rağmen, ne zaman, hangi uygulamada soğutmalı tip ya da soğutmasız tip kullanmalıyız sorusu akla geliyor. Soğutmalı tip termal kameraların kullanılması hangi durumlarda uygun olur ? Cevap : mesafe 5km’ye veya daha fazlasına ulaştığında, soğutmalı tip termal kameralara dayalı termal görüntüleme sistemleri daha uygun maliyetli hale gelebilir.
“Sistemler” kelimesine dikkat edelim. – kamera, görüntüleme “sisteminin” yalnızca bir bileşenidir. Uzun menzilli soğutmasız tip termal kamera sisteminin en büyük maliyet etkenlerinden biri lenstir. Etkili menzil gereksinimleri arttıkça, soğutmasız kamera sistemleri için lensler o kadar büyük ve pahalı hale gelir ki, bunun yerine eş değer odak uzaklığına sahip bir soğutmalı tip kamera belirlemek daha ucuz olabilir.
Flir HRC-S, Indium Antimonide (InSb) soğutmalı sensörü ile termal görüntüleme kamerası için bir örnektir.
Soğutmalı tip sistemin maliyeti, kısa odak uzunluklu lensin olduğu sistemlerde, soğutmasız tip sistemlere göre daha yüksektir.
Soğutmasız tip sistemlerde uzun odak uzunluklu lensler niçin pahalıdır ?
Önemli bir diğer parametre olan f/değeri ile ilgisi vardır. f/değeri, lensin ışık toplama gücünü belirler ve bu kamera sisteminin hassasiyetini etkiler. Bir lensin odak uzunluğu arttıkça, sistem f/değerini sabit tutmak için ön lens elemanının çapı da arttırılmalıdır. Soğutmasız tip termal kamera, soğutmalı tip bir termal kamerayla karşılaştırılabilir hassasiyete sahip olması için düşük bir f/değerine (tipik olarak 1.4-2) sahip olmalıdır. Yüksek f/değerleri, soğutmasız tip kameralarda, kamera hassasiyetini azaltır.
Bir optik sistemin f/değeri, lens odak uzunluğunun, ön lens elemanının çapına oranıdır. 500mm odak uzunluklu bir f/2 lens, 250mm ön lens eleman çapına sahip olmalıdır. Bu ön lens elemanı çok pahalıdır ve germanyum için üretilebilirlik limitlerine yaklaşır.
Sonuç :
Uzun menzilli termal kızılötesi gözetleme uygulamaları, uzun odak uzunluklu lensler gerektirir ve lenslerin maliyeti, soğutmasız tip sistemlerde maliyet – lens odak uzunluğu ile doğru orantılı olarak artarken, soğutmalı tip sistemlerde daha yavaş bir artış seyreder. Soğutmalı tip bir kameranın core maliyeti, soğutmasız bir core’a göre çok daha yüksek olsa da, soğutmasız tip sistem maliyeti (core+lens) 300mm ve üzeri lens odak uzunluğu gerektiren sistemlerde, soğutmalı tip sistemin maliyetini aşıyor.
İnsan boyutundaki hedeflerin çok uzun mesafelerde faydalı bir şekilde görüntülenebilmesi için 350mm’yi aşan lens odak uzunlukları gerektirir. Bu nedenle, insan boyutundaki (1.8m x 0.5m) hedeflerin kilometrelerce uzaklıktaki mesafelerde görüntülenmesi için, soğutmalı tip sistem daha ucuz olabilmektedir.
Cryocooler – kriyo-soğutucuların 10.000-13.000 saatlik kullanım ömrü de ayrıca düşünülmelidir. Cryocooler’ın 2 yılda bir servise ihtiyacı varsa ve maliyeti toplam sistemin %10’u ise, soğutmalı tip sistemin 4 yıllık maliyeti, 1.2x olmaktadır.
Kaynakça :
https://www.flir.com/discover/rd-science/cooled-or-uncooled/
