Imagen térmica: revelando detalles ocultos para análisis preciso

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

Los imagers térmicos hacen visible el espectro invisible

Los imagers térmicos hacen visible esta parte del espectro electromagnético que está oculta a nuestros ojos. Como virtualmente cada objeto en nuestro entorno emite radiación térmica, los imagers térmicos pueden producir una imagen del entorno incluso en oscuridad absoluta. Cuando se usan para seguridad y vigilancia, poco queda oculto para un imager térmico.

Con calibración radiométrica completa, estos imagers no solo pueden hacer visibles las diferencias de temperatura, sino proporcionar una medición absoluta de temperatura. Un imager térmico con sensor VGA y tasa de frames de 60 Hz puede dar más de 18.4 millones de mediciones individuales de temperatura por segundo.

Miniaturización y optimización de rendimiento

Producir un imager térmico sencillo que visualice calor (es decir, detecte y traduzca la distribución relativa de calor de una escena bajo consideración en una imagen mostrada) ya no es estado del arte. Puedes accesorizar tu iPhone con un accesorio de imager térmico por menos de $200. El verdadero desafío técnico comienza con las demandas crecientes en sensibilidad y precisión de medición — mostrar las diferencias de temperatura más pequeñas o medir temperaturas lo más precisamente posible — mientras simultáneamente se miniaturiza el imager térmico y aún se satisfacen las necesidades de rendimiento del mercado más amplio.

Los fabricantes líderes actuales de imagers termográficos combinan tanto el NETD (Diferencia de Temperatura Equivalente de Ruido) más bajo como 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 están abriendo nuevas aplicaciones para imagers térmicos.

Cada vez más aplicaciones usan imagers térmicos, vinculándolos con otros sensores, como cámaras de video a 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 control de procesos de manufactura hasta ayudas para bomberos y servicios de rescate; desde soluciones de visión nocturna para vehículos autónomos hasta mantenimiento predictivo.

Parámetros clave de rendimiento

Tan diversas como estas aplicaciones son, también lo son los requisitos para tecnología de miniaturización e integración de sistemas de imagers térmicos — características de medición, detectores, ópticas, interfaces de datos, carcasas y otros parámetros de diseño y fabricación deben optimizarse para la aplicación específica. Sin embargo, la fácil integración en soluciones de sistema específicas de aplicación es un desafío particular para muchos OEMs e integradores de sistemas, ya que los poderosos imagers térmicos a menudo solo se ofrecen como productos estándar con configurabilidad limitada.

Los imagers térmicos más efectivos están diseñados para superar estos desafíos y llenar exactamente este vacío en el mercado. Tres áreas donde el rendimiento del imager térmico y la facilidad de integración se ven afectados son en el detector, capacidades radiométricas del imager, y las características ópticas y eléctricas que se ofrecen.

Tecnología avanzada de detectores: pitch de píxel reducido

La tecnología avanzada de detectores está reduciendo constantemente el espaciado píxel a píxel. Esta tendencia ha sido impulsada principalmente por la industria del teléfono móvil y ha sido más evidente en cámaras visibles pero ha ayudado a mejorar los imagers térmicos también. Cuanto menor el pitch de píxel del detector — manteniendo o mejorando la sensibilidad (NETD) y rendimiento de ruido — más efectivo es un imager térmico. Un pitch menor generalmente soporta menor potencia, restricciones de diseño mecánico más pequeñas, y usualmente puede acomodar ópticas f/# más lentas (ahorro adicional de tamaño y peso del sistema). Adicionalmente, FPAs de menor pitch de píxel también permiten imagers térmicos de mayor resolución sin penalización significativa en tamaño, peso y potencia.

Rendimiento radiométrico: de ROI a medición completa

Las propiedades de rendimiento radiométrico incluyen expansión de mediciones solo en Región de Interés (ROI) a mediciones radiométricas completas en cada píxel del FPA, precisión de medición de temperatura mejorada y rangos de temperatura objetivo extendidos.

Avances en electrónica y óptica: más opciones para diseño compacto

La competencia extrema en industrias de gaming, realidad virtual y aumentada, smartphone, telecom y vehículos autónomos ha aumentado dramáticamente las capacidades de procesamiento electrónico mientras reducía huella de componente y consumo de energía. Como resultado, los diseñadores de imagers térmicos tienen una gama más amplia de opciones de componentes electrónicos para elegir que no existían hace varios años. La mayor variedad de opciones de componentes también facilita el diseño e 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 ópticas convencionales con ópticas no tradicionales para reducir aún más el tamaño y peso de subensamblajes ópticos. Estas tendencias industriales más amplias, junto con avances continuos en detectores y radiometría dentro del segmento de imagen térmica, pueden ofrecer a OEMs e integradores de sistemas una amplia gama de flexibilidad cuando el imager térmico adecuado soporta estas opciones.

Muestra de mercado: imagers radiométricos térmicos actuales

La Tabla 1 resume una serie de parámetros clave de rendimiento para cinco imagers radiométricos térmicos actuales con formato de píxel QVGA.

Para ilustrar algunos de los parámetros clave de rendimiento identificados en la sección anterior, nos enfocamos en la primera entrada de la tabla, el JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha es una familia de imagers infrarrojos compactos, "plug and play", que ofrecen una variedad de opciones de configuración estándar como formato de video (VGA o QVGA), tasa de frames, obturador mecánico o operación sin obturador estable a largo plazo, múltiples interfaces de comunicación estándar (USB, GigE y CMOS) y opciones de lente para permitir campos de visión del imager de 5 grados a 60 grados.

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

Las versiones QVGA y VGA tanto del imager como de los imagers radiométricos comparten interfaces mecánicas, ópticas, eléctricas y de comando comunes para permitir actualización fácil y minimizar tiempo de desarrollo OEM. Los imagers están construidos alrededor de arrays de plano focal de microbolómetro sin enfriar de 12 µm de píxel, estado del arte, con imágenes térmicas estables, uniformes, con mejor de 30 mK NETD estándar. El núcleo del imager es una pila de dos placas consistiendo en el array de plano focal (integrado en un ensamblaje de circuito impreso) y placa de procesador.

El formato de salida nativo del imager es CMOS y los integradores OEM pueden utilizar este formato para minimizar tamaño y potencia o seleccionar una placa de interfaz para convertir la salida a formatos de imagen estándar deseados (ej. USB o GigE). Las versiones CMOS del imager consumen <950mW para un imager QVGA corriendo a 60Hz. El ensamblaje de carcasa de aluminio del imager mide 20mm × 30mm × 30mm y pesa 27g sin lente. Hay varios adaptadores de lente para permitir una multitud de lentes comerciales para ser utilizados para adaptarse mejor a la aplicación. Las cámaras radiométricas obtienen una calibración mejorada pero son idénticas a las versiones de imager.

Resumen

Los imagers térmicos de estado del arte actuales ofrecen a OEMs una alternativa de mayor rendimiento, menor costo, a las cámaras térmicas y radiométricas QVGA y VGA previas en el mercado. Cuando se diseña apropiadamente, la personalización del imager térmico permite a OEMs adaptar la cámara para que se ajuste mejor a su aplicación y minimizar costo.

Mejoras continuas en la industria proporcionarán a los clientes exactamente el producto correcto para sus necesidades, incluyendo sensores SXGA (1280 × 1024) con pitch 12µm, sensor XGA mejorado (1024 × 768) y tecnología VGA (640 × 480), mejora de resolución, sub-frames, zoom electrónico digital (e-zoom) y estabilización electrónica de imagen, operación con obturador o sin obturador, tasas de frames adicionales seleccionables, e interfaces eléctricas opcionales como CameraLink.

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