Teplotní kompenzace mikrobolometrického obrazového snímače a implementace funkce automatického ostření

Abstract

Diplomová práce se zabývá nastavením mikrobolometrického obrazového snímače použitého v nechlazené, dlouhovlnné infračervené kameře a následným použitím snímaného obrazu pro ostření kamery. Protože výstupní signál z použitého mikrobolometrického senzoru je možné ovlivnit nastavením pěti vstupních parametrů (dobou integrace, velikostí integračního kondenzátoru a velikostí třech řídících napětí V_A, V_B a V_off), provedl jsem se v první části experimentální měření a zdokumentování vlivu všech těchto parametrů na výstupní signál snímače. Vliv všech těchto parametrů jsem současně měřil v závislosti na externím vlivu okolní teploty. Na základě těchto měření jsem poté navrhl dvě metody stabilizace teplotní závislosti mikrobolometrického senzoru. První metoda je vhodná pro aplikace, které pouze zobrazují dopadající infračervené záření (např. puškohled). Protože tato metoda nemá vliv na nehomogenitu zesílení jednotlivých pixelů obrazového snímače, je obraz získaný z kamery subjektivně kvalitnější. Druhá metoda kompenzace vnější teploty je určena pro přesný výpočet a zjištění teploty předmětu snímaného kamerou (radiometrie). Tato metoda kompenzace nastavuje parametry senzoru tak, aby tělesa, která vyzařují stejná množství energie, byla zobrazována vždy stejnou výstupní hodnotou bez ohledu na teplotu okolí. V druhé části jsem se zabýval využitím získaného obrazu ze snímače pro ostření kamery. Zde jsou popsány a porovnány metody výpočtu ostrosti obrazu a popsány algoritmy, které lze na základě ostrosti obrazu použít pro hledání nejlepšího zaostření kamery.

Thermal cameras, non-contact devices that convert infrared energy into a visual image, have a broad sphere of application ranging from epidemiology to building and construction. The objectives of this master thesis are to first develop a process of setting up a microbolometer infrared detector used in uncooled, long-wave infrared cameras and second to use the resultant image for camera focusing purposes. As the output signal from the used microbolometric detector can be influenced by adjusting five input parameters (integration time, integration capacitor size and three controlled voltages V_A, V_B and V_off), an experimental measurement assessing influence each of these parameters was performed. Simultaneously, these measurements were assessed for their dependence on ambient temperature, where a strong dependence was found. Based on these results, two compensation methods of ambient temperature dependence were designed. The first method is suitable for an application that only displays incident infrared radiation, an example of which may be a digital riflescope. Because this method does not amplify the influence of individual pixels of the image sensor on nonuniformity, the image obtained from the camera is subjectively better. The second method is intended for accurate calculation and determination of the temperature of the captured object (radiometry) for industry and research purposes. This compensation method adjusts the sensor parameters in the way that subjects emitting the same amount of energy are always displayed with the same output value, regardless of ambient temperature. Further, methods to assess sharpness of an image were researched and based on experimental evaluation the Prewit derivation evaluated with the threshold sum was found to bring the best results. Lastly, four algorithms allowing to find the maximum sharpness were evaluated, and based on secondary research, the hill search algorithm was selected as the best option.