El mercado de imágenes térmicas infrarrojas está en pleno apogeo: reducción de costos, estandarización e inteligencia

La tecnología de imágenes térmicas infrarrojas alguna vez solo se usó para aplicaciones de alto nivel, como la defensa nacional y el ejército, pero en las últimas décadas se ha convertido gradualmente en una tecnología más común. Con la creciente popularidad de las cámaras termográficas portátiles en aplicaciones de mantenimiento y resolución de problemas eléctricos, existe una creciente conciencia de los beneficios industriales de esta tecnología.

En 2020, volvimos a encontrarnos con la nueva epidemia de la corona y, lógicamente, una gran cantidad de soluciones de imágenes térmicas infrarrojas inundaron el mercado. Para la detección de celo se utilizan diversas tecnologías de sensores termográficos y cámaras, aunque técnicamente los sensores termográficos sólo pueden medir la temperatura de la superficie de la piel.

No obstante, las imágenes térmicas infrarrojas siguen siendo un misterio para muchos usuarios finales. Incluso el personal más capacitado puede no poder utilizar técnicas de obtención de imágenes con luz no visible. Esto no es inusual, ya que los humanos carecen de la capacidad visual para percibir visualmente la temperatura.

Para comprender mejor el rendimiento de las cámaras infrarrojas y las cámaras termográficas , los usuarios deben comprender cómo funcionan las cámaras termográficas infrarrojas y la física involucrada. A diferencia de las cámaras de visión artificial estándar que funcionan en el espectro visible (banda de 400 nm a 700 nm), las cámaras infrarrojas y la tecnología de imágenes térmicas cubren un rango espectral más amplio, que se subdivide en tres bandas principales: 0,9 μm a 1,7 μm. La banda pertenece a la onda corta. infrarrojo (SWIR), la banda de 3 μm a 5 μm pertenece al infrarrojo de onda media (MWIR) y la banda de 8 μm a 14 μm pertenece al infrarrojo de onda larga (LWIR).

Las bandas espectrales se definen principalmente por las características de la tecnología de detección en varios tipos de cámaras. Las bandas espectrales provienen de las sensibles longitudes de onda del material detector. Dependiendo de los principios científicos, la literatura sobre física puede clasificar la espectroscopia infrarroja de diferentes maneras.

Una breve introducción al infrarrojo de onda larga.

LWIR recoge luz en la banda espectral de 8 μm a 14 μm, el rango de longitud de onda de la mayoría de las cámaras termográficas disponibles. De hecho, según la ley de Planck, los objetivos terrestres se emiten principalmente en LWIR. Las aplicaciones del sistema LWIR incluyen imágenes térmicas/control de temperatura, mantenimiento predictivo, detección de fugas de gas, imágenes de escenas en un rango de temperatura muy amplio (y que requieren un amplio rango dinámico), imágenes de humo, etc... los dos detectores no refrigerados más utilizados en Los LWIR son silicio amorfo (a-Si) y óxido de vanadio (VOx), mientras que los detectores enfriados en esta región son principalmente HgCdTe.

Microbolómetros: una técnica de imagen térmica más económica

El efecto térmico real a temperatura ambiente e inferior se manifiesta en las bandas de 3 μm y superiores. Los dispositivos de imágenes capaces de capturar estos efectos térmicos suelen considerarse verdaderas cámaras térmicas. El término "cámara de infrarrojos" no se refiere sólo a esta parte de los dispositivos de imágenes térmicas, ya que la mayoría de las señales que captan provienen de la radiación infrarroja de onda larga.

Los detectores MWIR también se pueden utilizar en imágenes térmicas. Sin embargo, tienen una desventaja común: son muy caros. El precio de venta medio de un detector de 640 x 512 píxeles es de unos 70.000 dólares. Estos detectores son caros porque deben enfriarse a aproximadamente 75 K (o -198,15 ℃). El propio material del detector es muy sensible a la radiación térmica, por lo que el sensor se satura inmediatamente a temperatura ambiente.

En las cámaras MWIR modernas, el enfriamiento criogénico se logra mediante un refrigerador Stirling de circuito cerrado ubicado dentro del cuerpo de la cámara. En el pasado, la refrigeración de este tipo de cámaras requería el uso de grandes cilindros llenos de nitrógeno líquido.

Una opción más económica es una cámara termográfica con un detector de microbolómetro integrado. Dependiendo de la resolución de los píxeles, los niveles de ruido del detector y la precisión de la medición de la temperatura, estas cámaras pueden costar menos de 1.000 dólares con una resolución de 80 x 60 píxeles. Los microbolómetros funcionan de manera muy diferente a los típicos detectores de captura de fotones y se basan principalmente en pequeños píxeles térmicamente resistivos. Algunas de estas cámaras utilizan principalmente elementos de refrigeración termoeléctricos, que son más fáciles de operar. Cuando estos píxeles se exponen a la radiación infrarroja (calor), su resistencia cambia. No se requiere refrigeración a baja temperatura, el funcionamiento es más sencillo y el coste es menor.

Cada píxel de una cámara LWIR tiene una masa física que necesita capturar la radiación térmica del objeto al que apunta para calentarlo. Esto proporciona una constante de tiempo fija para el tiempo que tarda cada píxel en calentarse antes de que la cámara lea el cambio de resistencia. Esta constante suele estar entre 8 y 14 milisegundos, dependiendo del tamaño del píxel. La desventaja de estos detectores es que la constante de tiempo presenta desafíos cuando se trata de obtener imágenes de objetos en movimiento.

Ocho milisegundos puede parecer poco tiempo; sin embargo, dependiendo del campo de visión de la cámara y la velocidad del objeto fotografiado, puede haber un desenfoque de movimiento notable en la imagen capturada. Durante el tiempo de integración (es decir, la constante de tiempo), se produce un desenfoque de movimiento cuando parte del objeto pasa el píxel del detector. En otras palabras, es posible que el píxel no haya integrado completamente la radiación térmica que intenta capturar antes de que el objeto se mueva a un píxel adyacente. Como resultado, esto puede provocar efectos de promediación de temperatura, lo que puede provocar errores de medición y otros problemas.

El desenfoque de movimiento no es el único tipo de desenfoque en la imagen térmica. Debido a que el contraste en las imágenes térmicas es causado por los cambios de temperatura, la mayoría de las imágenes térmicas aparecen borrosas. Este desenfoque no es el resultado de la concentración o la falta de concentración. Más precisamente, esto es causado por funciones físicas termodinámicas.

La energía térmica fluye desde regiones más cálidas con mayor energía hacia regiones más frías con menor energía. Este comportamiento es completamente dinámico, dando como resultado transiciones de temperatura o gradientes térmicos. Los cambios de temperatura se representan en las imágenes térmicas como cambios de brillo: el blanco representa áreas más calientes, el negro representa áreas más frías y se produce una transición gris entre áreas más cálidas y más frías.

Estas transiciones hacen que los bordes de la imagen se vean borrosos. Este efecto no suele verse en aplicaciones de visión artificial estándar, que dependen más del efecto de la luz reflejada en una superficie o característica. Este patrón de reflexión es constante, al igual que el contraste que produce en la imagen. Las imágenes térmicas sólo aparecen más nítidas cuando cambia la radiación o cuando las áreas más cálidas están térmicamente aisladas de las áreas circundantes. Es este comportamiento dinámico causado por la difusión térmica lo que sugiere que las imágenes térmicas pueden tener más que ver con el procesamiento de señales que con el procesamiento de imágenes.

Entendiendo la emisividad

La emisividad es probablemente el fenómeno más importante que hay que comprender al estudiar las cámaras termográficas. Por lo tanto, tiende a ser uno de los temas más candentes en los cursos y seminarios sobre imágenes térmicas. En pocas palabras, la emisividad caracteriza la capacidad de un sólido para irradiar energía infrarroja. La emisividad se compone principalmente de tres componentes: reflexión, transmisión y energía radiante. La suma de estos factores debe ser igual a 1.

Dado que la mayoría de los materiales no transmiten radiación infrarroja, las imágenes se basan principalmente en energía reflejada y radiada. En este caso, el proceso de derivación puede dificultar la medición de la temperatura del objeto que refleja el calor. Por ejemplo, intentar determinar la temperatura de un reluciente tanque de acero inoxidable se considera una aplicación de imágenes térmicas imposible a menos que se pueda cambiar la emisividad de la superficie del tanque. Si se permite, se puede aplicar pintura negra a un área del tanque para aumentar su emisividad a 0,9 o más. Utilizando conductividad térmica, este revestimiento de alta emisividad absorberá la temperatura de la superficie del tanque. Luego, el recubrimiento ayuda a transmitir energía a la cámara termográfica, lo que permite mediciones precisas de la temperatura.

Cuando se trata de aplicaciones que involucran superficies de baja emisividad que no se pueden alterar, es posible que se requiera una medición mediante métodos de contacto (por ejemplo, conectar un termopar físico).

Otro factor a considerar al utilizar una cámara termográfica en visión artificial es la resolución espacial disponible de la cámara termográfica. Para aplicaciones comerciales, las cámaras termográficas tienen una resolución máxima de aproximadamente 1,3 MP, mientras que las cámaras más económicas ofrecen 640×480 o 640×512 píxeles. Esta resolución palidece en comparación con las cámaras de visión artificial más modernas, que ofrecen 70 MP o incluso 100 MP. Por tanto, las cámaras de infrarrojos todavía tienen mucho margen de mejora.

Los materiales de las lentes para cámaras termográficas son especiales. El más típico es el germanio (Ge). El vidrio de borosilicato estándar bloquea la luz infrarroja de onda media y de onda larga, lo que lo hace inadecuado como material óptico para cámaras termográficas.

Los fabricantes de cámaras tienen que calibrar sus lentes en función de la propia cámara, por lo que muchos fabricantes de cámaras también son sus proveedores de lentes. Por lo tanto, no es raro que cada cámara termográfica ofrezca solo de 1 a 5 opciones de lentes, lo que complica el diseño del sistema de imágenes.

La situación se complica aún más si la cámara termográfica también necesita una carcasa para protegerla de entornos hostiles. En este caso, la ventana de visualización también debe estar equipada con un vidrio transmisor de infrarrojos de germanio u otro material adecuado.

Conclusión

A pesar de estos desafíos y deficiencias, las cámaras termográficas son cada vez más importantes en aplicaciones de imágenes industriales y no industriales. Las cámaras termográficas seguramente brillarán a su manera.

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