Wie können IR-Kameras Dinge sehen, die kälter sind als die Kamera?

Ich habe gelesen, dass nur kaltblütige Tiere IR-Sicht entwickeln, um warme Beute zu erkennen, weil ein Säugetier sich mit seiner eigenen Hitze blenden würde und nichts sehen könnte.

Aber ich habe eine FLIR-Kamera gesehen, die bei Raumtemperatur arbeitet und in der Lage ist, warme und kühle Stellen an Wänden abzubilden, um Stellen zu finden, an denen die Isolierung fehlt. Offensichtlich ist es nicht geblendet, wenn Sensor, Linsen und Gehäuse alle Raumtemperatur haben, und es ist in der Lage, kühlere Stellen problemlos abzubilden.

Wie funktioniert das? Warum ist die populäre Erklärung falsch?

Wärme wahrzunehmen ist nicht dasselbe wie IR-Sicht. Sehen arbeitet nahe der Quantengrenze. Menschen können zum Beispiel nur vielleicht zehn Photonen erkennen, einige Tiere sollen das um den Faktor ein paar besser machen. Bei dieser Photonenzahl ist thermisches Rauschen limitierend. Wenn wir nicht an dieser Grenze arbeiten müssen, können wir den thermischen Hintergrund mitteln und dann kann das SNR immer groß genug sein, um ein Signal zu erkennen. Ein wärmefühlendes Tier wird wahrscheinlich in der Lage sein, Beute aus einer Entfernung von einigen Metern zu erkennen, während das Sehen bei gleicher Quellenhelligkeit es ihm ermöglichen würde, hunderte Male weiter zu sehen.
Wärmewahrnehmung über IR wie bei einer Grubenotter; nicht, sagen wir, die Wärmequelle durch Konvektion der so erwärmten Luft bemerken.
Ja, das ist viel weniger empfindlich als das Sehen, was, wie Sie richtig beobachten, daran liegt, dass der Hitzehintergrund das erreichbare SNR begrenzt. Man kann unsere IR-Bewegungssensoren wahrscheinlich mit der sensorischen Leistung von Tieren vergleichen, die diese Sinne haben, und es könnte sich herausstellen, dass sie von ähnlicher Leistung sind. Was ich nicht weiß, ist, ob das schon nahe an der physikalischen Grenze ist, aber es könnte nahe sein.
Nur als Anhaltspunkt: Die Mindesttemperatur, die unsere FLIR-Kamera messen kann, liegt bei -40 °C, also ~60 °C unter der Sensortemperatur.
Denken Sie daran, dass wechselwarme Tiere auch Zimmertemperatur haben, oder eigentlich eher darüber, weil ihr Körper Wärme produziert. Sie regulieren ihre Temperatur nur nicht auf ein konstantes Niveau, und sie arbeiten kühler als warmblütige Kreaturen. Sie befinden sich also in Bezug auf die interne Wärme tatsächlich in einer ähnlichen Position wie die FLIR-Kamera und sind möglicherweise schlechter dran. Trotzdem eine gute Frage.

Antworten (3)

Durch den Vergleich des Signals mit dem Hintergrund.

Angenommen, Sie erhalten 10 IR-Photonen vom Kamera- und Objektivhintergrund, aber zusätzlich 5 von der Quelle, dann können Sie die Quelle immer noch erkennen.

Es gibt eine ganze Wissenschaft der Signalverarbeitung, um Signale zu erkennen, die viel schwächer als der Hintergrund sind. Vor allem in der IR-Astronomie.

Allerdings werden Kameras in der IR-Astronomie oft ziemlich kalt gehalten. Und wenn weltraumgestützten IR-Teleskopen das Kühlmittel ausgeht, bedeutet dies im Allgemeinen das Ende der Mission.
@ChrisWhite, warum nicht einfach Passivstrahler verwenden, wie es jede anständige KSP-Raumstation tun würde?
@JanDvorak Es hängt alles von den besonderen Anforderungen der Mission ab. Manchmal können Passivstrahler es einfach nicht schneiden. Ich wäre nicht überrascht, wenn es Fälle gäbe, in denen passive Kühler in Betracht gezogen würden, aber eine ausreichende passive Kühlung zur Erfüllung der Signal-Rausch-Anforderungen wäre zu schwer gewesen. (Und sie haben auch Grenzen, wie kalt sie werden können, was für einige Programme von Bedeutung sein kann.)
Einige Infrarot-Instrumente zur Erdbeobachtung werden überhaupt nicht gekühlt, und der größte Teil des Signals ist Eigenemission. Die Kalibrierung kümmert sich darum, das zu subtrahieren.
@Jan JWST wird größtenteils passiv sein, aber dies hängt von einem hochkomplexen sich entfaltenden Sonnenschild ab. Dies bringt es nur auf 40 K, gut genug für nahes IR. Das Mittel-IR-Instrument ist auf eine aktive Kühlung bis auf 6 K angewiesen – besser als eine Versorgung mit flüssigem Helium, aber sehr kostspielig mit Strom. Es wird keine Fern-IR-Wissenschaft leisten, da dies kältere Temperaturen erfordert.
Es wurde ein Design für ein passiv gekühltes IR-Teleskop vorgeschlagen. IIRC selbst bei L2 könnte es auf 20-40K sinken. Es war ein sehr komplexes Design einer Reihe von frei schwebenden Schilden

In der Astronomie wird der Hintergrund von der Kamera selbst als "Dunkelstrom" bezeichnet und entfernt, indem zuerst eine Aufnahme bei geschlossenem Verschluss für beispielsweise eine halbe Stunde gemacht wird und diese Zählungen dann von den tatsächlichen Beobachtungen subtrahiert werden, die auf die Belichtungszeit normalisiert sind eines gegebenen Bildes.

Manchmal, wenn Sie wegen schlechten Wetters am Teleskop gelangweilt sind, können Sie sogar mehrere Dunkelbelichtungen machen und sie hinzufügen, nur um bessere Statistiken zu erhalten.

Vielleicht hätte das ein Kommentar sein sollen…
@pela "Dark Current" wird allgemein für das thermisch im Detektor erzeugte Signal verwendet. Es gibt einen zusätzlichen thermischen Hintergrund von Instrument, Optik, Teleskop und Atmosphäre. Sie werden normalerweise getrennt behandelt, da ihre Rauscheigenschaften/-statistiken unterschiedlich sind.
@MartinBeckett: Es ist einige Jahre her, dass ich selbst an Teleskopen beobachtet habe, und ich sehe, dass Sie einen optischen Hintergrund haben, also werde ich nicht mit Ihnen streiten, aber wenn ich mich an meine Datenreduktion erinnere, subtrahieren wir dunkle, systematische Abweichungen (kleine Zahl jedem Pixel hinzugefügt, um Zählwerte positiv zu halten) und Ausleserauschen. Das heißt, wir behandeln die von Ihnen erwähnten Hintergründe nicht separat, denke ich. Vielleicht liegt es daran, dass es vom Detektorrauschen dominiert wird?
@pela es hängt von der Wellenlänge / Detektortechnologie ab. Sie subtrahieren einen dunklen Rahmen, um den thermischen Hintergrund des Detektors (klassischer Dunkelstrom) herauszunehmen, und hacken dann vielleicht den Himmel oder eine kalte Last, um den atmosphärischen und thermischen Hintergrund des Teleskops zu bewältigen. Mein Hintergrund liegt im nahen IR, wo der Dunkelstrom des Detektors dominiert, also ist es viel einfacher
Okay, vielleicht ist die Technik bei den von mir verwendeten Teleskopen einfacher, da sie aus den 70er und 80er Jahren stammen (zB das 1,5m auf La Silla und das 2,5m auf La Palma). Wir setzen das endgültige Bild einfach gleich (roh – [Bias+dark+read-out]) / (Flat-Field), wobei das Flat-Field die unterschiedliche Empfindlichkeit des Pixels berücksichtigt.

Ich bin mir nicht sicher, ob es am besten ist, diese alte Frage wiederzubeleben oder eine neue zu stellen, aber hier geht es:

Ist es nicht so, dass der Sensor IR in Richtung der Szene emittiert, genauso wie die Szene IR in Richtung des Sensors emittiert?

Wenn der Sensor eine Szene bei einer niedrigeren Temperatur betrachtet, kühlt dies den Sensor . Der Sensor emittiert mehr Energie in Richtung der Szene, als die Szene in Richtung des Sensors emittiert.

Das Kameragehäuse und das Objektiv haben einen niedrigen Emissionsgrad , sodass sie nicht genug Wärmeenergie abstrahlen, um diesen Effekt zu übertönen. Der Sensor hat einen hohen Emissionsgrad – das muss er, weil er eingehendes IR mit hoher Effizienz absorbieren muss , anstatt es wegzureflektieren.

Dieselbe Argumentation funktioniert, wenn Sie ein einzelnes Sensorpixel und den entsprechenden kleinen Bereich der Szene betrachten. So kann eine Wärmebildkamera Objekte abbilden , die kälter sind als sie selbst.

So kühlt auch der Boden in einer klaren Nacht unter die Lufttemperatur ab. Der Himmel sieht sehr kalt aus, und da der Boden Wärme auf ihn abstrahlt, strahlt der Himmel nicht annähernd so viel Wärme zurück. Das Ergebnis: Der Boden kann so kalt werden, dass sich Frost ansammelt, selbst wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt, ohne dass ein einziges Gesetz der Thermodynamik gebrochen wird!

Wie können IR-Kameras Dinge sehen, die kälter sind als die Kamera?
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