Imágenes térmicas:hacer visibles los detalles ocultos

Nos encantan los cálidos rayos del sol de verano, disfrutamos de refrescarnos con una bebida fría o un refrescante chapuzón en la piscina. Apreciamos el toque cálido de otra persona, disfrutamos de un té caliente o una cálida chimenea en invierno. Sentimos la temperatura, pero no podemos "verla" con nuestros ojos.

Las cámaras termográficas hacen visible esta parte del espectro electromagnético que está oculta a nuestros ojos. Dado que prácticamente todos los objetos de nuestro entorno emiten radiación térmica, las cámaras termográficas pueden producir una imagen del entorno incluso en la oscuridad absoluta. Cuando se utiliza para seguridad y vigilancia, poco queda oculto para una cámara termográfica.

Con una calibración radiométrica completa, estos generadores de imágenes no solo pueden hacer visibles las diferencias de temperatura, sino también proporcionar una medición de temperatura absoluta. Una cámara termográfica con un sensor VGA y una velocidad de fotogramas de 60 Hz puede proporcionar más de 18,4 millones de mediciones de temperatura individuales por segundo.

Miniaturización y optimización del rendimiento

La producción de una cámara termográfica sencilla que visualice el calor (es decir, detecte y traduzca la distribución relativa del calor de una escena bajo consideración en una imagen visualizada) ya no es lo último en tecnología. Puede personalizar su iPhone con un complemento de cámara termográfica por menos de $200. El verdadero desafío técnico comienza con las crecientes demandas de sensibilidad y precisión de medición (mostrar las diferencias de temperatura más pequeñas o medir las temperaturas con la mayor precisión posible) mientras se miniaturiza la cámara termográfica y se siguen satisfaciendo las necesidades de rendimiento del mercado en general.

Los principales fabricantes de cámaras termográficas de hoy en día combinan la NETD (diferencia de temperatura equivalente al ruido) más baja y la mejor precisión de medición de temperatura en un solo dispositivo. Históricamente, estas cámaras de alto rendimiento eran sensibles y precisas, pero también grandes y pesadas. Aquí es donde las tendencias de miniaturización e integración de sistemas abren nuevas aplicaciones para las cámaras termográficas.

Cada vez más aplicaciones utilizan cámaras termográficas, vinculándolas con otros sensores, como cámaras de video en color o sensores LiDAR. Las aplicaciones son diversas y van desde cámaras de vigilancia inteligentes para seguridad pública y privada hasta automatización de edificios; desde el control del proceso de fabricación hasta las ayudas para los servicios de extinción de incendios y salvamento; desde soluciones de visión nocturna para vehículos autónomos hasta mantenimiento predictivo.

Parámetros clave de rendimiento

Tan diversas como son estas aplicaciones, también lo son los requisitos para la miniaturización de la tecnología de imágenes térmicas y la integración del sistema:las características de medición, los detectores, la óptica, las interfaces de datos, las carcasas y otros parámetros de diseño y fabricación deben optimizarse para la aplicación específica. Sin embargo, la fácil integración en soluciones de sistemas específicos de la aplicación es un desafío particular para muchos OEM e integradores de sistemas, ya que las potentes cámaras termográficas a menudo solo se ofrecen como productos estándar con capacidad de configuración limitada.

Las cámaras termográficas más efectivas están diseñadas para superar estos desafíos y llenar exactamente este vacío en el mercado. Tres áreas donde el rendimiento de la cámara termográfica y la facilidad de integración se ven afectados son el detector, las capacidades radiométricas de la cámara y las funciones ópticas y eléctricas que se ofrecen.

La tecnología de detección avanzada reduce constantemente el espaciado de píxel a píxel. Esta tendencia ha sido impulsada en gran medida por la industria de los teléfonos móviles y ha sido más evidente en las cámaras visibles, pero también ha ayudado a mejorar las cámaras termográficas. Cuanto menor sea el tamaño de píxel del detector, manteniendo o mejorando la sensibilidad (NETD) y el rendimiento del ruido, más eficaz será una cámara termográfica. El paso más pequeño generalmente admite menor potencia, restricciones de diseño mecánico más pequeñas y, por lo general, puede acomodar ópticas f / # más lentas (más tamaño del sistema y ahorro de peso). Además, los FPA de paso de píxel más pequeño también permiten cámaras termográficas de mayor resolución sin una penalización significativa en tamaño, peso y potencia.

Las propiedades de rendimiento radiométrico incluyen la expansión de las mediciones de región de interés (ROI) únicamente a mediciones radiométricas completas en cada píxel de la FPA, precisión de medición de temperatura mejorada y rangos de temperatura objetivo extendidos.

La competencia extrema del mercado en las industrias de los juegos, la realidad virtual y aumentada, los teléfonos inteligentes, las telecomunicaciones y los vehículos autónomos ha aumentado drásticamente las capacidades de procesamiento electrónico al tiempo que reduce la huella de los componentes y el consumo de energía. Como resultado, los diseñadores de cámaras termográficas tienen una gama más amplia de opciones de componentes electrónicos para elegir que no existía hace varios años. La variedad más amplia de opciones de componentes también facilita el diseño y la integración de sistemas más compactos, más eficientes y de mayor rendimiento. Mientras tanto, las técnicas de fabricación óptica y optomecánica también han avanzado, lo que permite a los diseñadores reemplazar la óptica convencional con óptica no tradicional para reducir aún más el tamaño y el peso de los subconjuntos ópticos. Estas tendencias más amplias de la industria, junto con los continuos avances en detectores y radiométricos dentro del segmento de imágenes térmicas, pueden ofrecer a los OEM e integradores de sistemas una amplia gama de flexibilidad cuando la cámara termográfica adecuada es compatible con estas opciones.

Muestra de mercado de cámaras termográficas radiométricas

La Tabla 1 resume una serie de parámetros de rendimiento clave para cinco cámaras termográficas radiométricas actuales con un formato de píxel QVGA.

Para ilustrar algunos de los parámetros clave de rendimiento identificados en la sección anterior, nos centramos en la primera entrada de la tabla, JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha es una familia de cámaras infrarrojas compactas, "plug and play", que ofrecen una variedad de opciones de configuración estándar, como formato de video (VGA o QVGA), velocidad de cuadro, obturador mecánico u operación sin obturador estable a largo plazo, múltiples interfaces de comunicación estándar (USB, GigE y CMOS) y opciones de lentes para permitir campos de visión de imágenes de 5 a 60 grados.

Los generadores de imágenes son totalmente funcionales como dispositivos independientes, pero han sido diseñados para facilitar la integración en aplicaciones OEM (fabricante de equipos originales). El enfoque de "caja de herramientas" de EVIDIR de las opciones de configuración disponibles se emplea para una fácil personalización. Opciones como lentes, obturador, formato de video e interfaz de comunicación son modulares, lo que permite al cliente mezclar y combinar para adaptarse mejor a su aplicación.

Las versiones QVGA y VGA del generador de imágenes y de los generadores de imágenes radiométricas comparten interfaces mecánicas, ópticas, eléctricas y de comando comunes para permitir una fácil actualización y minimizar el tiempo de desarrollo del OEM. Los generadores de imágenes se construyen alrededor de matrices de plano focal de microbolómetro no refrigerado de píxeles de 12 μm de última generación e imágenes térmicas estables y uniformes con un estándar NETD superior a 30 mK. El núcleo del generador de imágenes es una pila de dos placas que consta de la matriz de plano focal (integrada en un conjunto de circuito impreso) y la placa del procesador.

El formato de salida nativo del generador de imágenes es CMOS y los integradores OEM pueden utilizar este formato para minimizar el tamaño y la potencia o seleccionar una placa de interfaz para convertir la salida a los formatos de imagen estándar deseados (por ejemplo, USB o GigE). Las versiones CMOS del generador de imágenes consumen <950 mW para un generador de imágenes QVGA que funciona a 60 Hz. El ensamblaje de la carcasa de aluminio de la cámara mide 20 mm × 30 mm × 30 mm y pesa 27 g sin lente. Hay varios adaptadores de lentes que permiten utilizar una multitud de lentes disponibles en el mercado para adaptarse mejor a la aplicación. Las cámaras radiométricas obtienen una calibración mejorada pero, por lo demás, son idénticas a las versiones de imágenes.

Resumen

Las cámaras termográficas de última generación de hoy en día ofrecen a los OEM una alternativa de mayor rendimiento y menor costo a las cámaras térmicas y radiométricas QVGA y VGA anteriores en el mercado. Cuando se diseña adecuadamente, la personalización de la cámara termográfica permite a los OEM adaptar la cámara para que se adapte mejor a su aplicación y minimizar los costos.

Las mejoras continuas de la industria proporcionarán a los clientes exactamente el producto adecuado para sus necesidades, incluidos sensores SXGA (1280 × 1024) con paso de 12 μm, sensor XGA mejorado (1024 × 768) y tecnología VGA (640 × 480), mejora de resolución, sub-tramas, zoom electrónico digital (e-zoom) y estabilización de imagen electrónica, operación con obturador o sin obturador, frecuencias de cuadro seleccionables adicionales e interfaces eléctricas opcionales como CameraLink.

Este artículo fue escrito por el Dr. Daniel Brenner, MBA, División de Luz y Óptica, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Alemania). Para obtener más información, haga clic aquí .