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Las cámaras termográficas crean imágenes a partir del calor, también llamado infrarrojo (IR) o energía térmica.Captan energía IR y la utilizan para crear imágenes a través de salidas de vídeo digitales o analógicas, con los detalles definidos por las diferencias de temperatura.El calor es una parte separada del espectro electromagnético de la luz visible típica.Una cámara que puede detectar luz visible no verá energía térmica y viceversa.
Los detectores de cámaras de infrarrojos están formados por una serie de elementos detectores individuales.Debido a que las longitudes de onda de la energía en el espectro IR son más largas que las de la luz visible, cada elemento detector de IR debe ser correspondientemente más grande que los elementos de los detectores de luz visible para absorber la longitud de onda mayor.Como resultado, una cámara térmica suele tener una resolución más baja (menos píxeles) que un sensor de luz visible del mismo tamaño mecánico.Las cámaras microtérmicas, lo suficientemente pequeñas como para estar en teléfonos móviles resistentes, suelen tener una resolución de entre 80x60 y 160x120 píxeles.Las cámaras térmicas utilizadas por los bomberos y para la inspección industrial pueden tener una resolución de 320x256 a 640x512 píxeles, lo que proporciona muchas veces más píxeles e imágenes térmicas significativamente mejores, pero a un costo notablemente mayor.
Inicialmente desarrolladas para vigilancia y operaciones militares, las cámaras térmicas ahora se utilizan ampliamente para aplicaciones industriales como inspecciones de edificios (por ejemplo, humedad, aislamiento, techos, etc.), extinción de incendios, vehículos autónomos, sistemas de frenado automático de emergencia (AEB), inspecciones industriales. investigación científica y mucho más.Estas cámaras vienen en una variedad de factores de forma, desde cámaras portátiles hasta drones no tripulados e instrumentos científicos enviados al espacio exterior.
Los ingenieros que desarrollan productos o sistemas que incorporan cámaras térmicas deben comprender claramente las especificaciones de diseño críticas, incluido el rango dinámico de la escena, el campo de visión, la resolución, la sensibilidad y el rango espectral, por nombrar algunos.Diferentes cámaras pueden sobresalir en diferentes cosas, por lo que los ingenieros deben comprender las ventajas y desventajas entre los diferentes tipos de módulos de cámaras térmicas y el impacto que esas diferencias tendrán en el rendimiento del producto final.
Una especificación crucial que a menudo se pasa por alto a expensas de la resolución es la sensibilidad térmica, que define la diferencia de temperatura más pequeña que una cámara puede detectar.La sensibilidad de una cámara térmica afectará directamente la claridad y nitidez de la imagen que la cámara puede producir.Una cámara con un NETD bajo probablemente no sea necesaria si los objetivos medidos suelen tener grandes diferencias de temperatura.Sin embargo, se requiere una mejor sensibilidad para aplicaciones más sutiles, como la detección de problemas de humedad, seguridad y vigilancia y aplicaciones automotrices.
Los dispositivos térmicos miden la sensibilidad en miliKelvins (mK).Cuanto menor sea el número, más sensible será el detector.La sensibilidad térmica, también llamada diferencia de temperatura equivalente al ruido (NETD), describe la diferencia de temperatura más pequeña observada cuando se utiliza un dispositivo térmico.Cuanto menor sea el valor NETD, mejor detectará el sensor ligeras diferencias de temperatura.Los integradores y desarrolladores deben buscar fabricantes que puedan proporcionar rendimiento NETD a los 30 °C estándar de la industria.Una advertencia: las cámaras de fabricantes de bajo coste pueden ocultar una sensibilidad deficiente al tomar NETD a 50 °C en lugar de los 30 °C estándar de la industria.La siguiente tabla se puede utilizar para calificar la sensibilidad de un detector térmico en general.
Una mayor sensibilidad hace que las cámaras termográficas sean más efectivas para ver diferencias de temperatura más pequeñas, especialmente en escenas con bajo contraste térmico y cuando se opera en condiciones ambientales desafiantes como niebla, humo y polvo.La selección de una cámara térmica de nivel básico, esencialmente de menor costo, que presenta una sensibilidad térmica "aceptable" a "satisfactoria" da como resultado un producto final que ofrece escenas de bajo contraste, lo que resulta en una peor calidad de imagen, un rango de detección reducido y un conocimiento situacional limitado en comparación. a cámaras con mayor sensibilidad.Los dispositivos con mejor sensibilidad térmica son ideales para una amplia variedad de usos, desde búsqueda y rescate hasta inspección industrial y seguridad.
Para ilustrar las diferencias en sensibilidad, compare una cámara térmica con una sensibilidad de 50 mK con una cámara térmica con una sensibilidad de 20 mK en las imágenes siguientes.Las dos imágenes superiores fueron capturadas con una cámara central enfriada a 20 mK de una huella de mano en una pared inmediatamente después de que la mano fuera retirada de la pared (izquierda), mientras que la imagen de la derecha muestra la firma de la huella térmica después de dos minutos.En comparación con las imágenes inferiores correspondientes capturadas con una cámara de 50 mK, la cámara con sensibilidad de 20 mK aún puede ver la mayor parte de la firma térmica de la huella de la mano, mientras que la cámara menos sensible muestra solo los restos parciales de la huella de la mano.El valor de la sensibilidad es evidente cuando se buscan firmas térmicas en escenas de tan bajo contraste.
Las cámaras de imágenes IR con un detector refrigerado ofrecen claras ventajas en comparación con las cámaras termográficas con un detector no refrigerado.Una cámara termográfica refrigerada tiene un sensor de imágenes integrado con un refrigerador criogénico, que reduce la temperatura del sensor a temperaturas criogénicas.Esta reducción de la temperatura del sensor es necesaria para reducir el ruido inducido térmicamente a un nivel inferior al de la señal de la escena que se está fotografiando.Puede resultar en una sensibilidad térmica significativamente mejorada.
Sin embargo, estas mejoras de rendimiento tienen un costo.Las cámaras IR refrigeradas son generalmente más grandes, más pesadas y consumen más energía.Además de sacrificar SWaP (tamaño, peso y potencia), las cámaras refrigeradas son significativamente más caras y están sujetas a un desgaste mecánico que reduce el tiempo medio hasta el fallo (MTTF) de la cámara, ya que los crioenfriadores tienen piezas móviles con abrazaderas mecánicas extremadamente ajustadas. tolerancias que se degradan con el tiempo, así como gas helio que puede filtrarse lentamente a través de los sellos.Según las pruebas de vida útil y el análisis de Weibull, el tiempo medio estimado hasta la falla (MTTF) del crioenfriador Teledyne FLIR FL-100 ha aumentado de aproximadamente 17 000 horas en la introducción del prototipo a aproximadamente 27 000 horas para las unidades de producción actuales con una vida útil objetivo de más de 30 000 horas.Esto sigue siendo significativamente más bajo que el MTTF de la cámara LWIR actual.
Las mejoras recientes en los sensores térmicos no refrigerados han llevado la sensibilidad a más de 20 mK, una mejora drástica en la sensibilidad en comparación con los sistemas heredados, lo que potencialmente convierte a las cámaras LWIR no refrigeradas en una opción viable para varias aplicaciones nuevas.Aunque resulte tentador, es fundamental tener en cuenta que las cámaras térmicas IR no refrigeradas no pueden simplemente sustituir a las cámaras térmicas refrigeradas.Los desarrolladores de productos y los integradores de sistemas deben considerar requisitos adicionales relacionados con la velocidad de imágenes, la resolución espacial, el filtrado espectral y más.
Este artículo fue escrito por Dan Walker, vicepresidente de gestión de productos de Teledyne FLIR.Para mas información, por favor visite aquí .
Este artículo apareció por primera vez en la edición de noviembre de 2023 de la revista Photonics & Imaging Technology.
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