En innføring i termiske produkters bestanddeler.
Skrevet av Dr. Dag A. Karlsen og Hans-Ivar Mellesmo
Et termisk kamera består av:
Objektiv, termisk (varme) sensor, behandlingselektronikk, strømkilde, display, okular og selve ‘huset’.
Det termiske kameraet lager ikke bilder fra det synlige lyset, men konstruerer bilder fra varmestråler direkte fra objektet (den infrarøde delen av det det elektromagnetiske spekteret som stråler fra objektet). Alle objekter gir fra seg varme, og moderne IR-kamera er svært følsomme. Om du legger hånden et øyeblikk på et bord eller vindu for deretter å fjerne den, vil kameraet straks gi deg et «avtrykk» av den varme hånden.
Bemerk at mens en «vanlig nattkikkert» også benytter IR-stråler, så er dette indirekte IR-stråler fra verdensrommet/solen/IR-kilde som treffer objektet og så går til kikkerten. Et «varmekamera» eller termisk kamera/kikkert benytter strålen som går direkte fra objektet til kikkerten. IR-kameraet vil derfor virke selv i et rom av bly der ingen stråling kommer inn. Mange har – uten å vite det – IR-optikk i huset i form av bevegelsesdetektorer der linsen er en primitiv Fresnellinse. Målsøkende våpen som anti-fly-raktetter benytter alltid avansert IR-optikk og sterkt nedkjølt bildesensor (ofte i kombinasjon med radar/laser mm).
Et IR-termisk/varmekamera sender ikke ut noe form for lys/elektromagnetisk stråling. Det simpelheten registrerer kroppsvarmen fra dyr, mennesker, og andre objekter.
Uansett plattform er det her snakk om helt vanlig elektromagnetisk stråling. Men mens synlig lys ligger i området 450 nm til 750 nm, er IR-strålene lengre i bølgelengde; fra 750 nm til 2500 nm. Den lengre bølgelengden gjør at strålene ikke så lett stoppes av røykpartikler i eksempelvis branner. Man vil eksempelvis lett oppdage et dyr eller en person som skjuler seg inne i et kratt med løvfrie kvister. Man ser aldri gjennom et termisk kamera, men på en skjerme (se under) der et bilde gjenskapes fra innkommende IR-stråler.
Kvaliteten på bildet er særlig avhengig av 3 faktorer; objektiv, prosessering, og kvalitet på displayet. Samt hvordan disse «harmonerer».
Et termisk kamera står gjerne oppført med en rekke spesifikasjoner. Disse spesifikasjonene vil gi en viss informasjon, men forteller ikke så mye om sluttproduktet. Det er en kombinasjon av de ulike faktorene som bestemmer kameraets egenskaper og hvor godt dette er. Det er viktig å huske at det ikke bare er enkeltspesifikasjoner som er viktige, men hvordan disse og det som ikke nevnes fungerer sammen optimalt for å gi et best mulig bilde og bruksegenskaper. Dette blir som i et orkester. Det nytter ikke bare å ha en fremragende solist – alt må passe sammen. Med 20 års erfaring med og bruk av nattoptikk, mener vi Pulsar har lyktes godt i dette øyemed.
Objektiv
Objektivets oppgave er å samle opp og fokusere den infrarøde strålingen til IR-sensoren. De fleste håndholdte termiske kameraene som brukes i dag har manuell fokusering. En generell regel er at jo større diameter på objektivet, jo lenger kan kameraet detektere. Her gjelder som for alle objektiver at arealet øker med kvadratet av radiusen, og at større arealet av linsen fanger mer varme-stråling. Eksempelvis vil et 50 mm objektiv samle 4 ganger så mye varmestråler som et 25 mm objektiv. I praktisk bruk ser vi at dette typisk vil øke deteksjons-avstanden av dyr som rev og rådyr med en faktor på 3-4. Man bruker andre grunnstoffer i objektivene på termisk kameraer, gjerne silisium (Si) eller germanium (Ge). Dette fordi ordinære objektiver reflekterer for mye av IR strålingen. Med riktig utformet objektiv, kan et slikt IR-objektiv overføre opp imot 100% av innfallende stråling til sensoren. Det er også påkrevd med coating, da IR-strålene ellers vil bli reflektert (tilsvarende det som gjelder for synlige lys i en vanlig kikkert).
Bemerk at IR-kamera har generelt mindre synsvinkel enn vanlig optikk. Dette betyr at du må venne deg til å panorere mer enn du kanskje tror sammenlignet med vanlig optikk. Det er også lite å vinne på høy forstørrelse, da dette raskt går ut over synsopplevelsen. En del IR-kamera har digital zoom – ala vanlig digitalkamera – noe som kan gi mer detaljerer av f.eks gevir m.m. Men bildet blir samtidig mer kornete, med mindre avansert prosessering motvirker dette i noen grad (jfr «Image Bost». Se under).
Sensor
Omtrent som for et vanlig digitalkamera (med CCD/CMOS-brikke) må innkommende stråler fra objektivet registreres på en matrise av sensorer med individuelle piksler. De fleste håndholdte IR-kameraer har en sensor som kalles mikrobolometer. Dette er egentlig en spesiell CMOS brikke som er optimalisert for IR lys, mens vanlige CCD/CMOS brikker for vanlige kameraer forsøkes konstruert for å være ufølsomme for IR-lys. Mikrobolometeret er en robust, rimelig, ikke-kjølt varmedetektor med lang levetid.
Et mikrobolometer består av mange ulike bestanddeler. Antall piksler forteller om hvor høy oppløsning kameraet har. Ett kamera med høy oppløsning, vil i utgangspunktet samle mer informasjon og gi flere detaljer i bildet (høyre oppløsning). I tillegg er størrelsen på hele spektret av piksler en viktig faktor. I løpet av de siste årene har det stadig kommet flere og bedre sensorer på markedet. Sensorer med flere piksler, og sensorer med mindre piksel størrelse.
Vi tar for oss de vanligste som i dag blir brukt i Pulsar sine produkter. De to første bokstavene er betegnelsen som Pulsar bruker, deretter antall piksler i sensorens bredde og høyde, og til slutt pikselens størrelse i micrometer.
- XM 320 × 240 µ12
- XQ 384 x 288 µ17
- XP 640 x 480 µ17
- XG 640 x 480 µ12
- XL 1024×768 µ12
I tillegg blir oppfriskningsfrekvensen også oppgitt, f.eks 50Hz. Det vil si at kameraet oppgraderer seg 50 ganger pr. sekund. Med denne frekvensen vil ikke kameraet virke tregt ved panorering.
Et par generelle regler:
- Jo flere piksler, jo mere følsom er sensoren, og jo bedre blir bildet.
- Når pikselstørrelsen reduseres, kan man sette pikslene tettere. Det vil si at det blir flere piksler per arealenhet, som igjen vil gi et bilde med høyere oppløsning. Det er også en ulempe med små piksler, da de i utgangspunktet er noe mindre følsomme for IR-strålene og gir litt høyere temperaturstøy.
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)
Jo lavere NETD, jo bedre. Tallet gir ett uttrykk for den termiske følsomheten, og blir som regel oppgitt i mK (milliKelvin). Verdien indikerer den minste temperaturforskjellen som IR-kameraet klarer å skille mellom. Jo mindre temperaturstøy som kommer fra den infrarøde detektoren, desto mindre temperaturforskjeller kan detekteres av det infrarøde kameraet.
På de første, og mange av dagens modeller fra Pulsar, har NETD en verdi på 50mK. Deretter kom sensorer med 40mK. Dagens toppmodeller har en NETD på 25mk eller lavere, og har gjerne et «Pro» i navnet.
Prosessering
Bildesensoren avleses som en matrise som på et vanlig CCD/CMOS bildebrikke, og helst 50 ganger i sekundet. Signalene må så behandles for å skille ytre og indre støy fra signifikante signaler. Det ligger mye gode algoritmer i dette, og slik utvikles stadig. Eksempelvis vil Pulsars «Image Boost» i betydelig grad øke kontrasten og gi et skarpere bilde. Husk likevel at ingen prosessorer kan trylle. Det er uansett viktig å ha best mulig optikk og sensor.
Etter at dataene fra sensoren er blitt prosessert blir de sendt til en skjerm (indre eller ytre).
Bakgrunnsjustering
Dette er nok den viktigste prosessorfunksjonen, og bør enten være rask-manuell (med ett tastetrykk) eller automatisk. Dette er rett og slett kameraets måte å justere støy mot signal og gjøres mot terrenget. På noen kamera kan det være en del drift i denne i løpet av ett til to min, på dyrere kamera mindre drift og mindre behov for «re-justering». Man kan tenke på dette som en eksponeringskontroll på et fotografiapparat. Moderne algoritmer blir stadig bedre og raskere.
Displayet
(mest vanlige typer) – «skjermen som viser bildet»
- LCD Liquid Crystal display – flytende-krystall-skjerm
- LCOS Liquid Crystal on Silicon – flytende krystaller på silikon
- LED Light-emitting Diode – lys diode
- OLED Organic Light-emitting Diode – organisk lysdiode
AMOLED Active Matrix Organic Light Emitting Diodes – aktiv matrise organisk lysdiode. Gir mulighet for opptil 8 fargepaletter (som på Pulsar Axion XQ) optimalisert for ulike bruksområder fra maksimal deteksjonsavstand (sepia) til temperaturnyanser på objektet (ultramarine). Mens vanlig «hot-white» gir meget god deteksjon på lang avstand og var det vanligste tidligere, vil man normalt se mer av omrisset og detaljer på dyr med «hot-black». «Hot-red» er utmerket for å spare nattsynet.
Her bør man tenke på behovet man har kontra flotte farger. Fargen er uansett lagt på etter varmesignaturen. Svart/hvitt og gråtoner fungerer helt greit, men det kan være fint med en valgbar rødfarge.
Pulsar bruker LCOS display kun på de to rimeligste Axion modellene. Et relativt rimelig og godt fungerende display. Ulempen er at krystallene begynner å flyte langsommere jo kaldere det er – displayet blir «tregere». Normal nedre bruks temperatur for dagens LCOS display er ca. minus 10 grader. AMOLED displayet som Pulsar benytter i de fleste produktene, har en nedre bruks temperatur på minus 25 grader.
Generelt kan man si at de dyre display gir mulighet for ulik farge for de ulike temperaturnivåene og de har bedre oppløsning samt «gråtoner».
Okularet
Okularets oppgave er å sørge for at man ser skjermen på riktig vis. Det finnes også kamera uten okular (akkurat som for video-kamera/digitalkamera), og bildet vises direkte på en større ekstern skjerm. Dette er greit for tekniske kamera til dokumentasjon av varmetap i hus, leting etter mennesker osv, men er upraktisk for jegere og observatører av ville dyr da skjermen avgir lys. Den utvendige skjermen forbruker også mye strøm. Batteriene holder vesentlig lenger om man benytter innvending skjerm og okular.
Utganger
Mange IR-kamera har egen utgang for ekstern video-opptaker, eller opptaksmulighet og lagring internt på de dyrere modellene. Internt er helt klart mer praktisk i nattemørke og kulde.
Praktisk bruk – oppstartstid & Batterier
En viktig praktisk faktor er oppstartiden, som var lang i gamle konstruksjoner men er vesentlig raskere i moderne. Starttiden har blant annet å gjøre med stabilisering av sensoren. Et IR-kamera bruker vesentlig mer strøm enn en nattkikert.
Gode batterier og enkelt utbytte er egenskaper du vil verdsette. Ekstra utskiftbare oppladbare batterier som på f.eks. Pulsar Axion bør medbringes på lengere turer, og du vil verdsette USB-ladeinngangen fra normale ladebanker.
Litt om Bruksområder – brukererfaring
IR-varme-kamera benyttes til å finne folk i terreng, typisk fra helikopter/fly, lokalisere folk i sjøen, finne mennesker i brannområder/hus (kameraet ser i noen grad gjennom røyk, tynne stoffer, teltvegger mm), til jakt og viltstell, finne lekkasjepunkter for varme i hus-isolering, eller for eksempelvis å vurdere om passasjerer fra et fly har ekstra varm panne (feber/Covid mm).
For jakt og viltstell benyttes kameraene med fordel om natten eller på morgensiden fordi varme objekter som steiner m.m. da er avkjølt. Bruk om dagen er mulig i overskyet vær, men ikke i direkte sol fordi solen varmer opp for mange objekter.
På reinsdyrjakt kan man i gråvær oppdage reinsdyr på 1-1,5 km i gråvær med en 50 mm og til dels lengre under optimale forhold (tørr luft). Regn og snø reduserer rekkevidden.
Med varmekamera bør man skille mellom det å oppdage på maksimal avstand (deteksjon) og det å kunne identifisere, som krever meget kortere avstand.
Skuddavstander med IR-kikkertsikter bør begrenses (maks 80-120m). Man har begrenset forstørrelse og oppløsning sammenlignet med en topp optisk kikkert i dagslys. Dette kan medføre at det eksempelvis er vanskelig å avgjøre kjønn på hjortedyr på lenger avstander. Poenget med mørket/nattjakt er nettopp kontrollerte skudd på kortest mulig hold på ustressede dyr.
IR-kamera gir dårlig oppfatning av avstand og dybde i terrenget. IR-bildet er alltid avvikende fra normale optiske bilder. Eksempelvis virker rådyr å ha kortere bein (de tynne beina avgir lite varme). IR-kamera ser inn i busker og kratt, og det er viktig å huske at pinner og kvister kan forekomme som mindre synlige, men kan likevel gi stort kulebaneavvik.
Mange erfarne brukere vil heller legge penger i antall millimeter på objektivet og bedre bildebrikke enn fargedisplay, selv om det siste er flott å se på og det er klart at fargepalettene i eksempelvis en Pulsar Axion XQ bidrar til bedre deteksjon og synsopplevelse. Driver du jakt/viltstell i skogsterreng vil en 25-30mm kunne dekke dit behov. Fordelen er rimeligere pris, mindre og lettere kikkert, og større synsvinkel. Man oppdager likevel rådyr/rev helt greit ut til 300-700m. Reinsdyrjegeren bør vurdere en et større objektiv, eksempelvis 40-50mm.