ลองนึกภาพว่าสามารถ "มองเห็น" การรั่วไหลของก๊าซที่ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมและอันตรายด้านความปลอดภัย เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซด้วยแสง (OGI) ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้โดยการมองเห็นการปล่อยก๊าซที่ไม่สามารถมองเห็นได้ เทคโนโลยีวิศวกรรมขั้นสูงนี้ซึ่งอยู่ไกลจากนิยายวิทยาศาสตร์และอิงตามหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด กำลังกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการปกป้องสิ่งแวดล้อม
โดยพื้นฐานแล้ว กล้อง OGI เป็นกล้องถ่ายภาพอินฟราเรดหรือกล้องถ่ายภาพความร้อนรุ่นพิเศษ องค์ประกอบพื้นฐานของกล้องเหล่านี้ ได้แก่ เลนส์ ตัวตรวจจับ อิเล็กทรอนิกส์ประมวลผลสัญญาณ และช่องมองภาพหรือหน้าจอสำหรับการแสดงภาพ สิ่งที่ทำให้กล้องเหล่านี้แตกต่างจากกล้องอินฟราเรดทั่วไปคือการใช้ตัวตรวจจับควอนตัมที่ไวต่อความยาวคลื่นการดูดซึมก๊าซเฉพาะ ซึ่งรวมกับเทคโนโลยีการกรองแสงที่ไม่เหมือนใครที่ช่วยให้สามารถ "จับภาพ" การรั่วไหลของก๊าซได้
กล้อง OGI ใช้ตัวตรวจจับควอนตัมที่ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก โดยทั่วไปประมาณ 70 เคลวิน (-203°C) ข้อกำหนดนี้เกิดจากฟิสิกส์พื้นฐาน: ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนในวัสดุตรวจจับมีพลังงานเพียงพอที่จะกระโดดไปยังแถบนำไฟฟ้า ทำให้วัสดุเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิเย็นจัด อิเล็กตรอนจะสูญเสียความคล่องตัวนี้ ทำให้วัสดุไม่นำไฟฟ้า ในสถานะนี้ เมื่อโฟตอนของพลังงานเฉพาะกระทบตัวตรวจจับ พวกมันจะกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า สร้างกระแสไฟฟ้าที่แปรผันตามความเข้มของการแผ่รังสีที่ตกกระทบ
กล้อง OGI มักใช้ตัวตรวจจับควอนตัมสองประเภท ขึ้นอยู่กับก๊าซเป้าหมาย:
พลังงานโฟตอนต้องเกินพลังงานช่องว่างของวัสดุตรวจจับ (ΔE) เพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนอิเล็กตรอน เนื่องจากพลังงานโฟตอนมีความสัมพันธ์ผกผันกับความยาวคลื่น ตัวตรวจจับอินฟราเรดคลื่นสั้น/กลางจึงต้องการพลังงานที่สูงกว่าตัวตรวจจับคลื่นยาว ซึ่งอธิบายว่าทำไมตัวตรวจจับคลื่นยาวจึงต้องการอุณหภูมิในการทำงานที่ต่ำกว่า
เพื่อให้คงสภาพแวดล้อมเย็นจัดที่จำเป็น กล้อง OGI ส่วนใหญ่ใช้เครื่องทำความเย็นสเตอร์ลิง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้รอบสเตอร์ลิงเพื่อถ่ายเทความร้อนจากปลายเย็น (ตัวตรวจจับ) ไปยังปลายร้อนเพื่อการกระจายความร้อน แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพสูง แต่เครื่องทำความเย็นสเตอร์ลิงก็เพียงพอต่อความต้องการในการระบายความร้อนของตัวตรวจจับกล้องอินฟราเรด
เนื่องจากตัวตรวจจับแต่ละตัวในอาร์เรย์ระนาบโฟกัส (FPA) แสดงความแตกต่างเล็กน้อยในเกนและออฟเซ็ต ภาพจึงต้องมีการสอบเทียบและการแก้ไขความสม่ำเสมอ กระบวนการสอบเทียบหลายขั้นตอนนี้ ซึ่งดำเนินการโดยอัตโนมัติโดยซอฟต์แวร์กล้อง ช่วยให้มั่นใจได้ถึงเอาต์พุตการถ่ายภาพความร้อนคุณภาพสูง
กุญแจสำคัญในการตรวจจับก๊าซเฉพาะของกล้อง OGI อยู่ที่แนวทางการกรองสเปกตรัม ตัวกรองแถบแคบที่ติดตั้งด้านหน้าตัวตรวจจับ (และระบายความร้อนไปพร้อมๆ กันเพื่อป้องกันการแลกเปลี่ยนการแผ่รังสี) อนุญาตให้รังสีความยาวคลื่นเฉพาะผ่านไปเท่านั้น สร้างแถบการส่งผ่านที่แคบมาก ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าการปรับตัวทางสเปกตรัม
สารประกอบก๊าซส่วนใหญ่แสดงการดูดซึมอินฟราเรดที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น โพรเพนและมีเทนแสดงจุดดูดซึมที่แตกต่างกันที่ความยาวคลื่นเฉพาะ ตัวกรองกล้อง OGI สอดคล้องกับจุดดูดซึมเหล่านี้เพื่อเพิ่มการตรวจจับพลังงานอินฟราเรดที่ดูดซึมโดยก๊าซเป้าหมาย
ตัวอย่างเช่น ไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่ดูดซับพลังงานใกล้ 3.3 ไมโครเมตร ดังนั้นตัวกรองที่อยู่ตรงกลางที่ความยาวคลื่นนี้จึงสามารถตรวจจับก๊าซได้หลายชนิด สารประกอบบางชนิด เช่น เอทิลีน มีแถบดูดซึมที่แข็งแกร่งหลายแถบ โดยเซ็นเซอร์คลื่นยาวมักจะพิสูจน์ได้ว่ามีความไวมากกว่าทางเลือกคลื่นกลางสำหรับการตรวจจับ
ด้วยการเลือกตัวกรองที่อนุญาตให้กล้องทำงานได้เฉพาะภายในความยาวคลื่นที่ก๊าซเป้าหมายแสดงจุดดูดซึมที่แข็งแกร่ง (หรือหุบเขาการส่งผ่าน) เทคโนโลยีจะช่วยเพิ่มการมองเห็นก๊าซ ก๊าซจะ "ปิดกั้น" การแผ่รังสีพื้นหลังมากขึ้นในบริเวณสเปกตรัมเหล่านี้
กล้อง OGI ใช้ลักษณะการดูดซึมอินฟราเรดของโมเลกุลบางชนิดเพื่อมองเห็นในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ FPA และระบบออปติคัลของกล้องได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษให้ทำงานภายในแถบสเปกตรัมที่แคบมาก (หลายร้อยนาโนเมตร) ทำให้มีความสามารถในการเลือกที่ยอดเยี่ยม เฉพาะก๊าซที่ดูดซับภายในบริเวณอินฟราเรดที่กำหนดโดยตัวกรองเท่านั้นที่สามารถตรวจจับได้
เมื่อถ่ายภาพฉากที่ไม่มีการรั่วไหล วัตถุพื้นหลังจะปล่อยและสะท้อนรังสีอินฟราเรดผ่านเลนส์และตัวกรองของกล้อง ตัวกรองจะส่งผ่านเฉพาะความยาวคลื่นเฉพาะไปยังตัวตรวจจับ ทำให้เกิดภาพความเข้มของการแผ่รังสีที่ไม่ได้รับการชดเชย หากมีกลุ่มก๊าซอยู่ระหว่างกล้องกับพื้นหลัง และดูดซับรังสีภายในแถบผ่านของตัวกรอง จะมีรังสีน้อยลงไปถึงตัวตรวจจับผ่านกลุ่มก๊าซ
สำหรับการมองเห็นกลุ่มก๊าซ จะต้องมีความแตกต่างของคอนทราสต์การแผ่รังสีระหว่างกลุ่มก๊าซกับพื้นหลัง โดยพื้นฐานแล้ว รังสีที่ออกจากกลุ่มก๊าซต้องแตกต่างจากรังสีที่เข้าสู่กลุ่มก๊าซ เนื่องจากมีการสะท้อนรังสีโมเลกุลจากกลุ่มก๊าซน้อยมาก ปัจจัยสำคัญจึงกลายเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่เห็นได้ชัดระหว่างกลุ่มก๊าซกับพื้นหลัง
ด้วยการทำให้การรั่วไหลของก๊าซที่มองไม่เห็นมองเห็นได้ เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซด้วยแสงจึงมีส่วนช่วยอย่างมากต่อความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการปกป้องสิ่งแวดล้อม ช่วยป้องกันอุบัติเหตุ ลดการปล่อยมลพิษ และสร้างสภาพแวดล้อมที่สะอาดและปลอดภัยยิ่งขึ้น
ลองนึกภาพว่าสามารถ "มองเห็น" การรั่วไหลของก๊าซที่ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมและอันตรายด้านความปลอดภัย เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซด้วยแสง (OGI) ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้โดยการมองเห็นการปล่อยก๊าซที่ไม่สามารถมองเห็นได้ เทคโนโลยีวิศวกรรมขั้นสูงนี้ซึ่งอยู่ไกลจากนิยายวิทยาศาสตร์และอิงตามหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด กำลังกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการปกป้องสิ่งแวดล้อม
โดยพื้นฐานแล้ว กล้อง OGI เป็นกล้องถ่ายภาพอินฟราเรดหรือกล้องถ่ายภาพความร้อนรุ่นพิเศษ องค์ประกอบพื้นฐานของกล้องเหล่านี้ ได้แก่ เลนส์ ตัวตรวจจับ อิเล็กทรอนิกส์ประมวลผลสัญญาณ และช่องมองภาพหรือหน้าจอสำหรับการแสดงภาพ สิ่งที่ทำให้กล้องเหล่านี้แตกต่างจากกล้องอินฟราเรดทั่วไปคือการใช้ตัวตรวจจับควอนตัมที่ไวต่อความยาวคลื่นการดูดซึมก๊าซเฉพาะ ซึ่งรวมกับเทคโนโลยีการกรองแสงที่ไม่เหมือนใครที่ช่วยให้สามารถ "จับภาพ" การรั่วไหลของก๊าซได้
กล้อง OGI ใช้ตัวตรวจจับควอนตัมที่ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก โดยทั่วไปประมาณ 70 เคลวิน (-203°C) ข้อกำหนดนี้เกิดจากฟิสิกส์พื้นฐาน: ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนในวัสดุตรวจจับมีพลังงานเพียงพอที่จะกระโดดไปยังแถบนำไฟฟ้า ทำให้วัสดุเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิเย็นจัด อิเล็กตรอนจะสูญเสียความคล่องตัวนี้ ทำให้วัสดุไม่นำไฟฟ้า ในสถานะนี้ เมื่อโฟตอนของพลังงานเฉพาะกระทบตัวตรวจจับ พวกมันจะกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า สร้างกระแสไฟฟ้าที่แปรผันตามความเข้มของการแผ่รังสีที่ตกกระทบ
กล้อง OGI มักใช้ตัวตรวจจับควอนตัมสองประเภท ขึ้นอยู่กับก๊าซเป้าหมาย:
พลังงานโฟตอนต้องเกินพลังงานช่องว่างของวัสดุตรวจจับ (ΔE) เพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนอิเล็กตรอน เนื่องจากพลังงานโฟตอนมีความสัมพันธ์ผกผันกับความยาวคลื่น ตัวตรวจจับอินฟราเรดคลื่นสั้น/กลางจึงต้องการพลังงานที่สูงกว่าตัวตรวจจับคลื่นยาว ซึ่งอธิบายว่าทำไมตัวตรวจจับคลื่นยาวจึงต้องการอุณหภูมิในการทำงานที่ต่ำกว่า
เพื่อให้คงสภาพแวดล้อมเย็นจัดที่จำเป็น กล้อง OGI ส่วนใหญ่ใช้เครื่องทำความเย็นสเตอร์ลิง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้รอบสเตอร์ลิงเพื่อถ่ายเทความร้อนจากปลายเย็น (ตัวตรวจจับ) ไปยังปลายร้อนเพื่อการกระจายความร้อน แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพสูง แต่เครื่องทำความเย็นสเตอร์ลิงก็เพียงพอต่อความต้องการในการระบายความร้อนของตัวตรวจจับกล้องอินฟราเรด
เนื่องจากตัวตรวจจับแต่ละตัวในอาร์เรย์ระนาบโฟกัส (FPA) แสดงความแตกต่างเล็กน้อยในเกนและออฟเซ็ต ภาพจึงต้องมีการสอบเทียบและการแก้ไขความสม่ำเสมอ กระบวนการสอบเทียบหลายขั้นตอนนี้ ซึ่งดำเนินการโดยอัตโนมัติโดยซอฟต์แวร์กล้อง ช่วยให้มั่นใจได้ถึงเอาต์พุตการถ่ายภาพความร้อนคุณภาพสูง
กุญแจสำคัญในการตรวจจับก๊าซเฉพาะของกล้อง OGI อยู่ที่แนวทางการกรองสเปกตรัม ตัวกรองแถบแคบที่ติดตั้งด้านหน้าตัวตรวจจับ (และระบายความร้อนไปพร้อมๆ กันเพื่อป้องกันการแลกเปลี่ยนการแผ่รังสี) อนุญาตให้รังสีความยาวคลื่นเฉพาะผ่านไปเท่านั้น สร้างแถบการส่งผ่านที่แคบมาก ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าการปรับตัวทางสเปกตรัม
สารประกอบก๊าซส่วนใหญ่แสดงการดูดซึมอินฟราเรดที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น โพรเพนและมีเทนแสดงจุดดูดซึมที่แตกต่างกันที่ความยาวคลื่นเฉพาะ ตัวกรองกล้อง OGI สอดคล้องกับจุดดูดซึมเหล่านี้เพื่อเพิ่มการตรวจจับพลังงานอินฟราเรดที่ดูดซึมโดยก๊าซเป้าหมาย
ตัวอย่างเช่น ไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่ดูดซับพลังงานใกล้ 3.3 ไมโครเมตร ดังนั้นตัวกรองที่อยู่ตรงกลางที่ความยาวคลื่นนี้จึงสามารถตรวจจับก๊าซได้หลายชนิด สารประกอบบางชนิด เช่น เอทิลีน มีแถบดูดซึมที่แข็งแกร่งหลายแถบ โดยเซ็นเซอร์คลื่นยาวมักจะพิสูจน์ได้ว่ามีความไวมากกว่าทางเลือกคลื่นกลางสำหรับการตรวจจับ
ด้วยการเลือกตัวกรองที่อนุญาตให้กล้องทำงานได้เฉพาะภายในความยาวคลื่นที่ก๊าซเป้าหมายแสดงจุดดูดซึมที่แข็งแกร่ง (หรือหุบเขาการส่งผ่าน) เทคโนโลยีจะช่วยเพิ่มการมองเห็นก๊าซ ก๊าซจะ "ปิดกั้น" การแผ่รังสีพื้นหลังมากขึ้นในบริเวณสเปกตรัมเหล่านี้
กล้อง OGI ใช้ลักษณะการดูดซึมอินฟราเรดของโมเลกุลบางชนิดเพื่อมองเห็นในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ FPA และระบบออปติคัลของกล้องได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษให้ทำงานภายในแถบสเปกตรัมที่แคบมาก (หลายร้อยนาโนเมตร) ทำให้มีความสามารถในการเลือกที่ยอดเยี่ยม เฉพาะก๊าซที่ดูดซับภายในบริเวณอินฟราเรดที่กำหนดโดยตัวกรองเท่านั้นที่สามารถตรวจจับได้
เมื่อถ่ายภาพฉากที่ไม่มีการรั่วไหล วัตถุพื้นหลังจะปล่อยและสะท้อนรังสีอินฟราเรดผ่านเลนส์และตัวกรองของกล้อง ตัวกรองจะส่งผ่านเฉพาะความยาวคลื่นเฉพาะไปยังตัวตรวจจับ ทำให้เกิดภาพความเข้มของการแผ่รังสีที่ไม่ได้รับการชดเชย หากมีกลุ่มก๊าซอยู่ระหว่างกล้องกับพื้นหลัง และดูดซับรังสีภายในแถบผ่านของตัวกรอง จะมีรังสีน้อยลงไปถึงตัวตรวจจับผ่านกลุ่มก๊าซ
สำหรับการมองเห็นกลุ่มก๊าซ จะต้องมีความแตกต่างของคอนทราสต์การแผ่รังสีระหว่างกลุ่มก๊าซกับพื้นหลัง โดยพื้นฐานแล้ว รังสีที่ออกจากกลุ่มก๊าซต้องแตกต่างจากรังสีที่เข้าสู่กลุ่มก๊าซ เนื่องจากมีการสะท้อนรังสีโมเลกุลจากกลุ่มก๊าซน้อยมาก ปัจจัยสำคัญจึงกลายเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่เห็นได้ชัดระหว่างกลุ่มก๊าซกับพื้นหลัง
ด้วยการทำให้การรั่วไหลของก๊าซที่มองไม่เห็นมองเห็นได้ เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซด้วยแสงจึงมีส่วนช่วยอย่างมากต่อความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการปกป้องสิ่งแวดล้อม ช่วยป้องกันอุบัติเหตุ ลดการปล่อยมลพิษ และสร้างสภาพแวดล้อมที่สะอาดและปลอดภัยยิ่งขึ้น
