A TERMOKAMERA, AVAGY A CSÖRGŐKÍGYÓ STRATÉGIÁJA Sokszor használjuk a „fényképezés infravörös tartományban” kifejezést, ami után rögtön magyarázkodni kényszerülünk, hogy melyik tartományra is gondoltunk. Az ún. „közeli” IR vagy a „távoli” IR tartományra? Ez alkalommal egy igazi kuriózumot, egy távoli IR tartományban működő hőkamerát vizsgálhattunk meg. Ráadásul ez az első hazai fejlesztésű hőkamera. Mi is ez a „távoli” IR? Szemünk a 380nm és 780nm közötti elektromágneses sugárzásra érzékeny. Ezt a tartományt nevezzük „fény”-nek.
1. ábra A látható spektrum színei
Ez a nekünk olyan kedves szivárványcsík (1. ábra) látszólag az elektromágneses spektrum elenyésző kis intervallumát jelenti (2. ábra). Nekünk, az emberiségnek és az élővilágnak az életet.
2. ábra Az elektromágneses spektrum
Figyelmünket fordítsuk a Sir William Herschel által 1800-ban felfedezett infravörös (IR) tartományra. A 3. ábrán bemutatjuk az elektromágneses hullámok Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság által ajánlott felosztását. Természetesen, ez a felosztás is, mint minden kategorizálás önkényes. (Mások máshogy definiálják az alábbi tartományokat, de ezzel most ne törődjünk.)
TARTOMÁNY Látható tartomány Közeli infravörös tartomány Közepes infravörös tartomány Távoli infravörös tartomány
KEZDETE 380nm 780nm 1400nm 3µm
VÉGE 780 nm 1400nm 3000nm 1000µm
3. ábra A látható és az infravörös hullámhossz-tartományok
Jogosan kérdezhetjük, szemünk miért ilyen kis intervallumban és miért pont itt érzékel? A megoldás kulcsa a Nap Az egyedfejlődés során, a „földfelszíni nappali élet” versenyszámban az a látási stratégia győzött, amely jól alkalmazkodott a Nap sugárzási spektrumához. A Nap sugárzási spektrumának maximuma kb. 500nm körül van és a 380nm-780nm tartományban bocsátja ki sugárzásának kb. 50%-át (az ultraibolya tartományban kb. 1/6-od részét, a közeli- és távoli IR tartományban kb. 1/3-ad részét). Elégedetten állapíthatjuk meg, szemünkre nem lehet különösebb panasz, ráadásul érzékenységi görbéjének maximuma még közel is esik a Nap sugárzási maximumához, a zöld színhez. Ezért fontos nekünk embereknek és az állatok jelentős részének az a fenti szivárványcsík. Természetesen, ez a tény még nem zárná ki, hogy más hullámhosszokon, akár az IR tartományban is érzékeljünk. Ne legyünk telhetetlenek, amit az egyedfejlődés elspórolt, majd pótolja maga az ember. Más stratégiák Ne legyünk igazságtalanok és ne felejtsük el, a látható tartományon túl is van „élet”, a szó legszorosabb értelmében. Az ember táplálékszerzés a nappali és földfelszíni életre összpontosult, de vannak más stratégiát (és tegyük hozzá: sikeres stratégiát!) követő állatok, amelyek éjszaka vadásznak. Ilyen például a csörgőkígyó. A csörgőkígyónak a zsákmányállatot úgy kell kiválasztani a környezetből, hogy az ne láthassa a támadót. Az egerek, pockok nem látnak a sötétben, de hogy lehet őket meglátni? Hogy is lát a csörgőkígyó? A hőmérsékleti sugárzás A hőmérsékleti sugárzás rejtélyét Max Planck oldotta meg 1900 decemberében. (A kedves Olvasó engedje meg, hogy utaljunk arra az érdekes tényre is, hogy a hőmérsékleti sugárzás problematikája volt az egyik „jelentéktelen” probléma, amely megoldása megváltoztatta a XX. század fizikáját. A hőmérsékleti sugárzás rejtélyének kulcsa egy nagyon nagy kaput nyitott ki, a kvantumfizika kapuját. Ezért lehet ma tranzisztor, mikroprocesszor, számítógép, mobiltelefon, GPS, digitális fényképezőgép és bizony-bizony ez az újság is…) A Planck-féle hőmérsékleti sugárzási törvény értelmében minden test, hőmérsékletétől függően, elektromágneses sugárzást bocsát ki. A 4. ábrán egy 37˚C (310K) hőmérsékletű ember által kibocsátott elektromágneses sugárzás spektrumát ábrázoltuk. Bejelöltük a látható tartomány intervallumát is. Jól látható, hogy ebben az esetben több mint 1 nagyságrenddel nagyobb hullámhosszakról van szó.
4. ábra 37˚C (310K) hőmérsékletű ember által kibocsátott elektromágneses sugárzás (a szivárványcsík a látható tartományt jelöli)
A csörgőkígyó technológiája A csörgőkígyó olyan különleges „szemmel” rendelkezik, amely a távoli IR sugárzást képes érzékelni. Így éjszaka pontosan azokat a környezeténél melegebb hőmérsékletű rágcsálókat látja kitűnően, amelyekkel táplálkozik.
5. ábra Patkányok képe, ahogy a csörgőkígyó láthatja Mi a különbség? Ha hagyományos fényképezőgéppel infravörös tartományban fényképezünk, akkor mindig a közeli infravörös tartományról, illetve még ennél is szűkebb tartományról van szó. A 6. ábrán egy modern CCD szenzor érzékenységi görbéjét mutatjuk be. Jól látható, hogy kb. 1000nm-nél (1µm-nál) a Si alapú CCD érzékenysége annyira lecsökken, hogy az IR tartomány hosszabb hullámhosszain már nincs sok értelme a képkészítésnek.
6. ábra FCB-EX480BP Sony gyártmányú kamera CCD érzékelőjének spektrális görbéje
Itt ténylegesen arról van szó, hogy a digitális fényképezőgép vagy videokamera spektrális érzékenységi karakterisztikáját teljesen kihasználjuk, ugyanis a Si félvezető eszközök eredendően érzékenyek a közeli IR tartományban is. A színhelyes képalkotáshoz az IR sugárzást át nem engedő szűrőt kell eléjük szerelni, hogy az emberi szem karakterisztikájának megfelelő korrekt képet kaphassunk. A professzionális kamerákban ezt a szűrőt el is lehet távolítani. Általában erre éjszakai felvételek esetén van szükségünk, abból a praktikus célból, hogy a lehető legtöbb fényt „begyűjthessük”. Esetleg az is elképzelhető, hogy szereztünk valahonnan egy „láthatatlan” fényű IR fényforrást (valahol 800nm-900nm között) és ezt akarjuk kamatoztatni éjszakai állatok megfigyelésénél vagy máshol… Ugyanakkor speciális hatások elérése érdekében nappali felvételek esetén is szükségünk lehet -megfelelő szűrő alkalmazásával- a közeli IR tartományú fényképezésre. A távoli IR sugárzás A távoli IR tartomány az egészen más. Itt elsősorban két tartományban (3µm-5µm és 8µm-14µm) szoktunk fényképezni. Egyik sem véletlen, ugyanis a levegőben ezekben az intervallumokban kiváló áteresztési „hajlandóság”, ún. atmoszférikus ablak mutatkozik. (A többi helyen a CO, CO2, H2O, O3 elnyelik a sugárzást.) Fontos megértenünk, hogy ebben az esetben nem arról van szó csupán, hogy egy kicsit hosszabb hullámhossz tartományban fényképezünk! A hagyományos fényképezésnél általában az a megszokott, hogy egy önmagában nem világító tárgyat, természetes vagy mesterséges fényben lefényképezünk. Ekkor a fényképen a kapott képet a tárgyak spektrális fényvisszaverő képessége határozza meg. Ha termokamerát használunk, akkor a helyzet bonyolultabb. Ebben a tartományban a testeknek saját „fényük” is van (5. és 6. ábra). Ez a saját „fény”, a hőmérsékleti sugárzásból ered. Ez függ a lefényképezendő test hőmérsékletétől, anyagi- és felszíni minőségétől.
Ez utóbbi értékétől függ, hogy egy adott objektum esetén, mennyire a saját hőmérsékletének sugárzása vagy a körülötte lévő többi tárgy által rásugárzott sugárzás visszaverődése a domináns. (Sajnos, itt már be kell vallanunk, hogy maga a termokamera, termovízió megnevezés nem korrekt, hiszen nem csak a vizsgált test hőmérsékletétől függ annak termovíziós képe. A helyes megnevezésnek „távoli tartományú IR kamerá”-nak vagy „infravízió”-nak kellene lennie!) Ezzel a technológiával teljesen más világba léphetünk. Ráadásul, az általános termovíziós rendszerek legtöbbje a mérési tartomány (pl. 8µm-12µm) összesített jelét méri, így a kapott kép monochrom. Ez lehetőséget teremt denzitástól függő „hamis színek” alkalmazására is. Ez művészi kifejezése is lehet érzéseinknek, de akár műszakilag is nagyon fontos lehet, mivel az adott színekhez hőmérsékleti értékeket rendelve megkaphatjuk egy tárgy hőmérsékleti térképét. (folytatjuk…) dr. Nagy Tamás Rajz: Nagy Ákos
