La polarización se usa en muchas áreas, la más famosa de las cuales es la separación de pares estéreo en películas 3D de algunos televisores y salas de cine, esto es polarización circular. Al fotografiar, se utilizan filtros polarizadores para eliminar el resplandor espurio debido al efecto cuando la luz se polariza por reflejo. Pero casi no hay información sobre la polarización de los fotones que emitimos y los objetos que nos rodean. En Internet, prácticamente no encontrará información y ejemplos de cómo se ve la verdadera radiación polarizada de los objetos.
Todo comenzó con el hecho de que desarrollamos un módulo de imagen térmica muy sensible VLM640, que tenía una sensibilidad no peor de 20 mK en el rango de 8-12 mkm, lo cual es muy bueno para cámaras bolométricas no enfriadas. El fabricante del sensor recurrió a nosotros y propuso una muestra de ingeniería de una placa experimental de detectores bolométricos con filtros polarizadores integrados. Fue muy honorable para nosotros, pero al mismo tiempo no entendimos lo que deberíamos obtener al final. La tecnología y la idea en sí de ver nuestra propia polarización de quanta-fotones térmicos de los objetos que nos rodean son completamente nuevos, y no teníamos experiencia en el procesamiento de dicha información.
En este artículo trataremos de mostrarle la polarización en el rango de imágenes térmicas, y este es el primer y único artículo sobre este tema en RuNet (al menos no hemos podido encontrar nada similar todavía).
Entonces, comencemos ...
A nuestra disposición estaba la electrónica de la cámara termográfica VLM640 desarrollada anteriormente, que permitió proporcionar una sensibilidad de un sensor bolométrico mejor que 20 mK y un sensor de polarización transmitido por el fabricante. La singularidad de este último radica en el hecho de que en un grupo de cuatro píxeles se aplica un polarizador a cada píxel (¿cómo se aplica? Ni siquiera intente preguntarnos, el fabricante no pudo sacarlo). La polarización de cada filtro difiere en 45 grados. Total tenemos ángulos de polarización: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 grados.
Procesar una matriz de datos desde un sensor no es una tarea completamente trivial. Si inicialmente lo resolvimos "de frente", entonces la última versión del procesamiento es más similar al algoritmo de desbyerización, cuando más de cuatro píxeles vecinos están involucrados en el procesamiento de cada píxel. Pero, desafortunadamente, debe tenerse en cuenta que si bien el brillo (temperatura) de la imagen resultante tiene una resolución de elementos de 640x512, los ángulos de polarización son aún dos veces peores.
El video resultante contiene tres imágenes (de izquierda a derecha): video de una cámara termográfica convencional, ángulos de polarización reconstruidos, imagen integrada, donde el brillo es radiación térmica y el color es el ángulo de polarización.
En realidad, es mejor ver el resultado una vez que leerlo cien veces, por lo tanto, grabamos videos indicativos especialmente para el artículo.
BombillaUna bombilla de vidrio es un excelente objeto para demostrar su propia polarización. El vidrio es opaco en el rango de 8-12 micras e irradia perfectamente calor, que se polariza de acuerdo con el ángulo con el que se emite.
SombraUn video con un techo de plástico demuestra cómo la polarización le permite mostrar la estructura de la superficie de un objeto. Si hubiera defectos en la superficie de un objeto liso, podrían detectarse debido a un defecto de polarización.
Contenedor de metal pintadoLos objetos planos emiten de manera bastante simple, pero cada cara en un ángulo de polarización diferente. En el rango visible o el rango de imagen térmica, no se puede decir un cuadro sobre el ángulo de la cara. Dada la polarización de la radiación, esto se hace posible.
Placa de metalUna placa de metal puro es un objeto complejo, no quiere irradiar, pero está tratando de reflejar el calor de otros objetos. Se traza un cuadrado en el centro con un marcador, esta parte (plástico) irradia un poco mejor.
Hielo en un vasoEl hielo se ve bastante interesante. En general, la polarización enfatiza los defectos superficiales, incluso los menores. Existe la sospecha de que la polarización podría ayudar a identificar grietas en el hielo. Pero todavía es solo otoño, aunque no hace tanto frío, no hay hielo y no podemos verificar la suposición en la práctica =).
Y un marco separado de una imagen real de la calle.
UAZUn pequeño párrafo en forma de agradecimiento a nuestro programador.Inicialmente, grabamos y procesamos el video en matlab. Tal "representación" matemática requirió mucho tiempo y no permitió evaluar el video en tiempo real. Un intento de transferir el procesamiento en tiempo real a una PC nos permitió obtener una frecuencia de visualización de 4 cuadros por segundo, y al agregar un filtro posterior al procesamiento, la velocidad de cuadros se redujo a uno por segundo. La única salida es transferir el procesamiento en directx a los sombreadores, no se puede decir que todo salió bien, pero para nosotros todavía parece sorprendente que incluso la tarjeta de video integrada acepte y procese 50 cuadros por segundo. Ilya - los trabajadores del hierro te respetan =)
pd: si alguien de la respetable comunidad habr me dice si es posible (y cómo) recuperar el video del sombreador para guardarlo en avi, estaríamos muy agradecidos. "
Resultados y conclusiones:
Pudimos mostrar los momentos más vívidos del uso del registro de radiación de objetos en el rango de 8-12 μm. Pero, dado que somos desarrolladores de equipos electrónicos, y no doctores en ciencias en el campo de la fotometría o la óptica, nos resulta difícil evaluar las posibilidades de usar esta propiedad física y dispositivo.
Si bien podemos decir que la polarización nos permite hablar sobre la superficie del objeto.
Existen suposiciones (basadas en los resultados de la comunicación con el fabricante del detector, colegas en exposiciones e información muy escasa en Internet) de que el efecto de evaluar la polarización de los objetos emisores y reflectores se puede utilizar en las siguientes áreas:
- La diferencia entre la radiación intrínseca y la reflexión (por ejemplo, una máquina caliente del resplandor del sol en un charco o de arena / piedra)
- Busca objetos enmascarados
- Busque manchas de aceite en la superficie del agua.
- Búsqueda de defectos
- Eliminar geometría de objetos 3D
- Detección de un objeto caliente (una persona que se está ahogando) en la superficie del agua, separando el resplandor solar de la radiación del propio objeto.
¿Es posible aumentar la sensibilidad? Sí, es posible, pero para esto es necesario estabilizar la temperatura de la cámara (para reducir su temperatura de funcionamiento) y realizar calibraciones adicionales, todavía no lo hemos hecho, pero existe un gran potencial.
Quizás después de leer el artículo tenga la idea de que sería interesante filmar: escriba los comentarios, discuta e intente implementar.
Esperamos que este artículo sea interesante, y pudimos contar y mostrar algo nuevo que no habíamos encontrado antes. Me gustaría agradecer a Alexei, quien desarrolló el aparato matemático para el procesamiento de imágenes y preparó el video, Ilya, quien transfirió casi todo el procesamiento a los sombreadores, al equipo de NPK Photonika por la oportunidad de trabajar con un detector único, pero "Ver lo invisible" es al menos interesante y emocionante