Så fungerar en värmekamera, steg för steg

1. Strålningen: allt som har temperatur lyser i infrarött

Ett föremåls atomer rör sig, och rörelsen sänder ut elektromagnetisk strålning. Hur mycket, och vid vilka våglängder, bestäms av temperaturen. Det är samma fysik som gör att en glödande spik lyser rött: vid 700 °C hamnar en liten del av strålningen i det synliga. Vid de temperaturer som finns i skogen, från −30 till +40 °C, ligger praktiskt taget all strålning i det infraröda, osynlig för ögat.

Två samband styr det mesta av vad en värmekamera ser:

• Wiens förskjutningslag säger var strålningen är som starkast: våglängden för toppen är 2898 µm·K delat med temperaturen i kelvin. Ett vildsvin på 38 °C (311 K) strålar som mest vid ungefär 9,3 µm. En frostig åker på −2 °C vid 10,7 µm. Båda ligger i bandet 8–14 µm, det långvågiga infraröda (LWIR).
• Stefan–Boltzmanns lag säger hur mycket: den totala utstrålningen växer med temperaturen upphöjt till fyra. Kring 0–40 °C betyder det att utstrålningen ökar med drygt en procent per grad. Det är de procenten sensorn mäter. En skillnad på 30 grader mellan djur och mark är enkel. En skillnad på 0,5 grad mellan blöt päls och blöt mark är svår, och där avgörs allt av sensorns känslighet (NETD).

Emissivitet är den tredje parametern. Den anger hur effektivt en yta strålar jämfört med en ideal "svart kropp" (emissivitet 1,0). Päls, hud, trä, jord, löv och vatten ligger kring 0,90–0,98 och beter sig som man väntar. Blank metall ligger kring 0,05–0,2: en plåtstolpe strålar nästan ingenting av sin egen värme utan speglar omgivningen, och ser därför ofta "kall" ut även om den är solvarm. Glas har hög emissivitet och är samtidigt ogenomskinligt i LWIR, så en bilruta visar sin egen yttemperatur, inte vad som finns bakom.

2. Optiken: en lins som inte är av glas

Vanligt glas släpper igenom synligt ljus men absorberar nästan allt vid 8–14 µm. Linsen i en värmekamera görs därför av germanium, ett halvmetalliskt grundämne som är ogenomskinligt för ögat men släpper igenom långvågigt infrarött. Germanium är dyrt och mjukt, så frontlinsen får en hård diamantliknande kolbeläggning (DLC) och antireflexskikt. Billigare kameror använder ibland kalkogenidglas, som är lättare att gjuta i serie men har sämre genomsläpp.

Objektivet beskrivs med två tal, precis som på en vanlig kamera:

• Brännvidd i millimeter (9,7, 19, 25, 35, 50, 60 mm). Längre brännvidd ger större bild av objektet på sensorn, alltså mer detalj på håll, men ett smalare synfält. Det är den siffra som bestämmer på vilket avstånd du kan avgöra vad du tittar på.
• F-tal, brännvidd delat med linsens diameter. f/1.0 är standard i jaktkameror, f/0.9 förekommer. Ett lägre f-tal släpper in mer strålning per pixel, vilket ger lägre brus. En sensors NETD anges nästan alltid vid f/1.0; samma sensor bakom f/1.2 presterar sämre än databladet.

De flesta objektiv från 19 mm och uppåt har manuellt fokus, eftersom skärpedjupet vid f/1.0 är litet. Ett föremål på 30 m och ett på 300 m kan inte vara skarpa samtidigt. Kameror med mycket korta brännvidder (9–10 mm) säljs som fokusfria: allt från några meter till oändligt är tillräckligt skarpt. Det är praktiskt i skog men begränsar detaljen på håll.

Hur synfältet beräknas, och vad brännvidden betyder i meter, går vi igenom i avsnittet Optik, synfält och räckvidd.

3. Sensorn: en mikrobolometer mäter uppvärmning, inte ljus

Sensorn i kameran är en mikrobolometer, en matris av små element (256×192, 384×288, 640×512, 1024×768 eller 1280×1024 stycken) tillverkad på en kiselbricka. Varje element är ett membran, ungefär 12 eller 17 µm i sida och en bråkdels mikrometer tjockt, som hänger på två smala ben över ett vakuumgap. Membranet är belagt med ett material vars resistans ändras kraftigt med temperaturen, oftast vanadinoxid (VOx) eller amorft kisel (a-Si).

När infraröd strålning träffar membranet absorberas den och membranet blir några tusendels grad varmare. Resistansen ändras, och den ändringen är signalen. Det är därför sensorn kallas okyld: den behöver inte kylas till kryogena temperaturer som fotondetektorer, utan arbetar vid rumstemperatur och mäter rena temperaturförändringar i sig själv.

Tre egenskaper hos elementen avgör vad kameran kan:

• Termisk tidskonstant. Membranet måste hinna värmas och svalna mellan två bildrutor. Typiska värden på 5–15 ms gör 50 Hz möjligt. Pressas tidskonstanten för hårt blir elementet mindre känsligt.
• Känslighet (NETD). Hur liten temperaturskillnad i scenen som ger en resistansändring större än bruset. Anges i millikelvin. Moderna VOx-sensorer ligger på 15–25 mK vid f/1.0.
• Pixelstorlek (pitch). 17 µm var länge standard, 12 µm dominerar nu och 10 µm finns. Mindre element ger mer detalj per millimeter brännvidd, men samlar också mindre strålning var för sig, vilket ställer högre krav på optik och bildbehandling.

Mer om upplösning, pixelstorlek och vad NETD faktiskt mäter finns i avsnittet Sensor, upplösning och NETD.

4. Utläsningen: från resistans till siffror

Under membranen, i kiselbrickan, sitter en utläsningskrets (ROIC, Read-Out Integrated Circuit). Den skickar en liten mätström genom varje element i tur och ordning, förstärker spänningen, och omvandlar den till ett tal, typiskt 14 eller 16 bitar per pixel. En 640×512-sensor ger drygt 327 000 sådana mätvärden per bildruta, 50 gånger i sekunden.

Mätströmmen värmer också elementet (självuppvärmning), och elementen är aldrig exakt lika stora, tjocka eller lika väl isolerade. Därför ger två element som tittar på samma temperatur olika råvärden. Det rättar nästa steg till.

5. Kalibreringen: klicket som gör alla pixlar lika

Råbilden från en mikrobolometer är ful: ett mönster av ljusare och mörkare pixlar och stråk, ovanpå den riktiga scenen. Orsaken är spridningen mellan elementen, och den driver dessutom när kamerahuset byter temperatur. Lösningen heter NUC, Non-Uniformity Correction. Kameran fäller in en liten slutare (en plåtbit med jämn temperatur) framför sensorn, läser av vad varje element visar när alla ser samma sak, och sparar skillnaden som en korrektionstabell. Tabellen dras sedan ifrån varje bildruta tills nästa kalibrering.

Det är slutaren du hör som ett klick, och det är därför bilden fryser en bråkdels sekund. Fabriksinställningen är ofta automatisk NUC efter tid eller temperaturdrift, men nästan alla kameror kan ställas på manuell eller halvautomatisk så att du själv utlöser den i ett lugnt ögonblick. Vissa tillverkare, till exempel HIKMICRO med HSIS, räknar fram korrektionen ur bildinnehållet och klarar sig utan slutare. Fördelen är tyst, oavbruten bild; priset är en mer räknekrävande algoritm som kan behöva lite bildrörelse för att hitta rätt.

Utöver NUC finns en fabrikskalibrering som kompenserar för sensorns och optikens temperatur (så att kameran visar rätt när den tas från en varm bil ut i −15 °C), och en tabell över döda pixlar som ersätts med medelvärdet av grannarna.

6. Bildbehandlingen: 16 bitar data blir 8 bitar bild

Sensorn levererar tal med stort omfång (tusentals nivåer), men displayen visar 256 gråtoner, och ditt öga skiljer ännu färre. Bildprocessorn måste alltså välja vilka temperaturskillnader som ska få kontrast. Det görs i flera steg, och det är här fabrikaten skiljer sig mest även med samma sensor:

1. AGC, automatisk förstärkningsreglering. Bestämmer vilket temperaturintervall som ska spännas ut över gråskalan. Enklaste varianten mappar bildens kallaste punkt till svart och varmaste till vitt. Bättre varianter använder histogramutjämning: de ger mest kontrast där flest pixlar ligger, så att en sval skog får struktur utan att ett varmt djur bränns ut.
2. DDE, digital detaljförstärkning. Ett lokalt kontrastfilter som lyfter kanter och små temperaturskillnader utan att förstärka bruset i jämna ytor. För mycket DDE ger en tecknad bild med ljusa kanter runt djuret; för lite ger en mjuk, platt bild.
3. Brusreducering i tid (medelvärde över flera bildrutor) och rum (filter som jämnar ut pixelbrus). Tidsfiltret ger lugnare bild i stillhet men kan ge släpande spår på snabba djur.
4. Palett. Gråskalan översätts till färger. White hot (varmt = vitt) är standard, black hot ger ofta bäst konturer i fukt, red hot/sepia markerar bara de varmaste delarna och ironbow visar hela intervallet i färg. Paletten tillför ingen information; den väljer vad ögat lätt ser.
5. Digital zoom och uppskalning. Bilden beskärs och skalas upp till displayens upplösning. Vid 2× på en 384-sensor återstår 192×144 riktiga pixlar. Interpolering och AI-uppskalning gör bilden mjukare, inte mer informativ.

När du jämför två kameror i butik är det ofta det här steget du bedömer, inte sensorn. Två kameror med identisk mikrobolometer kan se mycket olika ut beroende på hur AGC och DDE är avvägda.

7. Displayen och okularet: där bilden faktiskt blir till

Bilden visas på en mikrodisplay, oftast AMOLED/OLED med 1024×768 eller 1920×1080 pixlar och några millimeters diagonal, som du tittar på genom ett förstorande okular. OLED ger riktigt svart och hög kontrast, vilket passar termiska bilder, och drar lite ström. LCOS förekommer i enklare modeller.

Okularet har en dioptrijustering så att displayen blir skarp för just ditt öga. Det är ett separat fokus från objektivets, och den vanligaste orsaken till "suddig kamera" är att bara det ena är rätt inställt: ställ dioptrin tills menytexten är knivskarp, ställ sedan objektivet på avståndet till det du tittar på.

Grundförstoringen (till exempel 2,5×) är ett resultat av brännvidd, sensorstorlek och okularets förstoring. Den säger hur stort ett föremål ser ut jämfört med blotta ögat, men inte hur mycket detalj som finns, det avgör pixlarna på målet.

8. Vad en värmekamera inte kan

• Se genom glas. Fönster, bilrutor och glasögon är ogenomskinliga i LWIR. Tornfönstret måste vara öppet.
• Se genom vatten, dimma och tät vegetation. Vatten absorberar långvågigt infrarött effektivt. Regn och dimma sänker räckvidden kraftigt, en blöt granridå är en vägg. Gles vegetation och högt gräs släpper igenom en del, och där ser kameran ofta mer än ögat.
• Mäta avstånd. Bilden är tvådimensionell och ger inga djupledtrådar. Det som står bakom djuret syns bara om det har en annan temperatur. Därför har många modeller laseravståndsmätare.
• Identifiera. Att upptäcka något varmt går på många hundra meter. Att se att det är ett djur, vilket djur, och om det är en sugga med kultingar kräver många fler pixlar på målet. Mer om det under räckvidd.
• Fungera genom en varm lins. Immar eller fryser frontlinsen ser kameran sin egen is. Handvärme, regn och snö på linsen ger samma effekt. Håll linsskyddet på tills du behöver bilden.

9. Kyld eller okyld, och varför jaktkameror alltid är okylda

Det finns två familjer av värmekameror. Fotondetektorer (InSb, MCT, T2SL) räknar infraröda fotoner direkt och ger extremt låg NETD och hög bildfrekvens, men bara om de kyls till runt −200 °C med en liten Stirlingkylare. De används i militära system, flyg och forskning, kostar från några hundra tusen kronor och drar mycket ström.

Okylda mikrobolometrar mäter uppvärmning i stället för fotoner och fungerar vid rumstemperatur. De är billigare, tystare, tåligare och drar lite ström, till priset av högre NETD och begränsad bildfrekvens. Sedan 2010-talet har de blivit så bra att de täcker praktiskt taget allt civilt bruk: jakt, byggnadstermografi, industri, räddningstjänst, bilar och drönare.

Vi har en egen genomgång med fokus på databladet: Tekniken bakom termiska enheter, förklarat enkelt. Om termiska sikten, alltså värmekameror monterade på vapnet, skriver vår sajt Värmesikte.se.

Upplösning: fler pixlar ger bredare bild, inte längre

En mikrobolometer med 640×512 element är fysiskt större än en med 384×288, om pixlarna är lika stora. Bakom samma objektiv täcker den större sensorn en större del av bilden som linsen ritar upp, alltså ett bredare synfält. Detaljen per pixel, det som avgör hur långt bort du kan avgöra vad du ser, är däremot identisk, eftersom den bara beror på pixelstorlek och brännvidd.

Det bredare synfältet är värt pengar när du söker av marker eller går eftersök: färre drag med kameran, och lättare att hålla reda på var djuret tog vägen. Den andra vinsten är digital zoom. Zoom beskär bilden, så antalet riktiga pixlar som är kvar sjunker snabbt:

Tumregel: en 384-sensor är användbar till ungefär 2× digital zoom, en 640 till ungefär 4×. En 640 vid 4× visar lika många riktiga pixlar som en 384 vid 2,4×, med samma objektiv. Fler pixlar köper alltså zoomutrymme, inte räckvidd.

Vi räknar på samma sätt, med fältexempel, i 384 mot 640: skillnaden i praktiken.

Pixelstorlek: 12 µm mot 17 µm

Pixelstorleken (pixel pitch) är avståndet mellan två elements mittpunkter på sensorn, i mikrometer. Den bestämmer tillsammans med brännvidden hur stor bit av verkligheten varje pixel täcker:

en pixel täcker = pixelstorlek ÷ brännvidd × avstånd

Ett 50 mm-objektiv med 17 µm-pixlar ger alltså samma detalj som ett 35 mm med 12 µm. Den mindre pixeln "köper" 15 mm brännvidd, och det är skälet till att nya kompakta kameror med 35 mm ofta ser lika långt som äldre med 50 mm, med bredare synfält och lägre vikt på köpet.

Baksidan: ett mindre element fångar mindre strålning. Allt annat lika ger 12 µm något sämre känslighet än 17 µm, vilket tillverkarna kompenserar med bättre membranmaterial, f/0.9-optik och mer bildbehandling. Jämför därför aldrig NETD mellan en 12- och en 17 µm-sensor rakt av.

NETD: känsligheten, i millikelvin

NETD, Noise Equivalent Temperature Difference, är den temperaturskillnad i scenen som ger en signal lika stor som sensorns eget brus. Ligger skillnaden under NETD drunknar den i bruset; ligger den klart över syns den. Enheten är millikelvin (tusendels grad). Mäts normalt mot en svartkropp vid 25–30 °C, genom f/1.0-optik, vid 50 Hz. Ändras någon av de förutsättningarna ändras värdet, och det är därför tal från olika tillverkare sällan går att jämföra.

Tre fallgropar:

• Sensor-NETD mot system-NETD. Vissa anger sensorns värde från chiptillverkaren, andra det uppmätta värdet efter optik och bildbehandling (Pulsar skriver 'sNETD'). Samma kamera kan ha 40 mK sensor och 20 mK system. Jämför tal av samma sort.
• 'Under' och 'cirka'. '<25 mK' är ett tak, inte ett uppmätt värde. Två kameror med '<25 mK' kan ligga på 18 respektive 24.
• NETD är inte allt. En låg siffra hjälper bara om optiken släpper in strålningen och bildbehandlingen inte filtrerar bort den. En 18 mK-sensor bakom ett billigt objektiv kan ge sämre bild än 25 mK bakom bra glas.

Fördjupning: NETD och mK i termisk optik: vad det betyder.

Bildfrekvens: 50 Hz, 25 Hz eller 9 Hz

Bildfrekvensen anger hur många gånger per sekund sensorn läses av. 50 Hz är standard i jaktkameror och ger följsam bild när ett djur rör sig eller när du själv panorerar. 25–30 Hz märks som en lätt hackighet. 9 Hz, som gäller för de flesta mobiltillsatser och många byggnadstermografikameror, är begränsningen från exportregler för termisk teknik och räcker för stillbilder av en vägg men inte för att följa vilt.

Hög bildfrekvens kräver kort termisk tidskonstant i elementen, vilket i sin tur står i konflikt med känsligheten. Det är en av anledningarna till att en bra 50 Hz-sensor kostar mer än en 9 Hz med samma upplösning.

Vanadinoxid eller amorft kisel

Membranets material avgör hur mycket resistansen ändras per grad (temperaturkoefficienten, TCR) och hur mycket brus materialet själv ger. Vanadinoxid (VOx) har hög TCR och lågt 1/f-brus och dominerar i de bättre jaktkamerorna; de flesta tillverkare som anger "VOx" gör det som ett kvalitetsargument. Amorft kisel (a-Si) är enklare att tillverka i stora serier och finns i många prisvärda sensorer; skillnaden i färdig bild är i dag mindre än den var för tio år sedan, eftersom bildbehandlingen kompenserar mycket.

Viktigare än materialet är tillverkarens erfarenhet av att göra jämna matriser med få döda pixlar, och hur väl kamerans NUC hanterar driften. Det syns inte i databladet, men i bilden efter en timme i kyla.

Så läser du ett datablad på en minut

1. Pixelstorlek och brännvidd → hur mycket detalj på håll. Räkna cm per pixel på 100 m med formeln ovan.
2. Upplösning → hur brett, och hur mycket zoom bilden tål.
3. NETD, och vilken sort → hur mycket struktur som finns kvar i fukt.
4. Bildfrekvens → 50 Hz för jakt, annars hackig bild.
5. Display: typ och upplösning → OLED 1024×768 eller mer för långa pass utan trötthet.
6. Batteri: bytbart eller inbyggt, timmar vid vilken temperatur → kyla halverar ofta siffran.
7. Detektionsräckvidd → ett marknadsföringstal. Läs hur det räknas innan du jämför.

Brännvidd: den viktigaste siffran

Brännvidden är avståndet från linsens optiska centrum till sensorn när ett avlägset objekt är i fokus. Längre brännvidd ritar upp objektet större på sensorn. Eftersom sensorns pixlar har fast storlek betyder större bild fler pixlar över djuret, alltså mer detalj. Samtidigt får en mindre del av scenen plats på sensorn: synfältet smalnar.

F-tal: hur mycket strålning som når sensorn

F-talet är brännvidden delat med linsens fria diameter. F50/1.0 betyder 50 mm brännvidd och 50 mm öppning. Ett lägre f-tal (f/0.9) samlar mer strålning per pixel och ger lägre brus, vilket i praktiken sänker system-NETD. Ett högre (f/1.2) gör linsen billigare och lättare men sensorn presterar sämre än på databladet, som nästan alltid är mätt vid f/1.0.

Till skillnad från en dagkikare finns ingen vinst i att "blända ner". Linsen används alltid fullt öppen, och skärpedjupet är därför litet. Det är därför objektiv från cirka 19 mm och uppåt har fokusring, och varför du måste vrida på den när avståndet ändras från 40 till 200 m.

Synfält: så räknas det

Synfältet beror på två saker: sensorns fysiska bredd (pixlar × pixelstorlek) och brännvidden.

synfält (grader) = 2 × arctan( pixlar × pixelstorlek ÷ (2 × brännvidd) )
bildbredd på 100 m ≈ 200 × tan( synfält ÷ 2 )

Exempel: 384 × 12 µm = 4,61 mm sensorbredd. Med 35 mm brännvidd ger det 2·arctan(4,61/70) = 7,5°, alltså 13,2 m på 100 m. Samma sensor med 17 µm är 6,53 mm bred och ger 10,7°. Två kameror med "384 och 35 mm" kan alltså ha olika synfält, och två med olika brännvidd kan ha samma. Jämför alltid grader eller meter på 100 m, inte brännvidd.

Grundförstoring och digital zoom

Grundförstoringen (1,5×, 2,5×, 4×) anger hur mycket större ett föremål ser ut i okularet än med blotta ögat. Den följer av brännvidd, sensorstorlek och okular, och säger inget om detaljnivån. En 2,5× med 640-sensor visar samma detalj per meter som en 4× med 384 bakom samma objektiv; 384-kameran har bara mindre synfält som okularet förstorar mer.

Låg grundförstoring (1–2×) gör det lätt att gå med kameran uppe och att hitta tillbaka till ett djur som rört sig. Hög (4×+) ger lugnare detaljbedömning på håll men kräver stöd. Digital zoom lägger till 2×, 4×, 8× ovanpå, till priset av färre riktiga pixlar, se avsnittet om upplösning.

Räckvidd: detektion, igenkänning, identifiering

"Detektion upp till 1 800 m" är det tal som säljer, och det sämst definierade. Branschen använder Johnsons kriterier, en metod från 1950-talet som anger hur många linjepar (par av ljusa och mörka pixelrader) som måste täcka ett måls kritiska dimension för att en observatör ska klara en uppgift med 50 % sannolikhet:

Med formeln för hur stor bit en pixel täcker får vi avstånden. För ett vuxet vildsvin sett från sidan, kritisk dimension 1,0 m (kroppslängd), och 12 µm-pixlar:

Lägg märke till relationen: igenkänning sker på ungefär en fjärdedel av detektionsavståndet och identifiering på en sjättedel. Det ligger nära de tal som står på våra produktsidor. Vi skriver på varje produktsida ut tre tal, detektion, artbestämning och detaljbedömning, räknade på samma sätt, så att modellerna går att jämföra med varandra.

Vi förklarar räkningen i Detektionsavstånd: hur långt ser den egentligen?.

Laseravståndsmätare (LRF)

Eftersom en termisk bild saknar djup är inbyggd laseravståndsmätare en av de funktioner som gör störst praktisk skillnad: du vet om grisen står på 80 eller 140 m, och du kan avgöra om det du ser i kanten av fältet är ett rådjur på 200 m eller en hare på 60. Lasern är osynlig (905 nm klass 1) och mäter normalt till 600–1 000 m med ±1 m. Den fungerar sämre mot små mål, gles vegetation och i kraftigt regn, och den läggs till i vikt och storlek på huset.

Modeller med och utan LRF finns i de flesta serier. Jagar du på åtel med kända avstånd är den sällan värd pengarna; på vak över öppen mark och vid eftersök är den ofta det första du saknar.

Välja objektiv efter mark

Nästa steg: Värmekamera för jakt och Köpguiden. Osäker? Vi ger personlig rekommendation utifrån hur du jagar.