Cámara termográfica
Una cámara termográfica (también denominada cámara infrarroja o cámara termográfica, cámara térmica o cámara termográfica) es un dispositivo que crea una imagen usando radiación infrarroja (IR), similar a una cámara normal que forma una imagen usando luz visible. En lugar del rango de 400 a 700 nanómetros (nm) de la cámara de luz visible, las cámaras infrarrojas son sensibles a longitudes de onda desde aproximadamente 1000 nm (1 micrómetro o μm) hasta aproximadamente 14 000 nm (14 μm). La práctica de capturar y analizar los datos que proporcionan se llama termografía.
Historia
Descubrimiento e investigación de la radiación infrarroja
El infrarrojo fue descubierto en 1800 por Sir William Herschel como una forma de radiación más allá de la luz roja. Estos "rayos infrarrojos" (infra es el prefijo latino de "abajo") se utilizaron principalmente para la medición térmica. Hay cuatro leyes básicas de la radiación IR: la ley de radiación térmica de Kirchhoff, la ley de Stefan-Boltzmann, la ley de Planck y la ley de desplazamiento de Wien. El desarrollo de detectores se centró principalmente en el uso de termómetros y bolómetros hasta la Primera Guerra Mundial. Un paso significativo en el desarrollo de detectores ocurrió en 1829, cuando Leopoldo Nobili, utilizando el efecto Seebeck, creó el primer termopar conocido, fabricando un termómetro mejorado., una termopila cruda. Describió este instrumento a Macedonio Melloni. Inicialmente, desarrollaron conjuntamente un instrumento muy mejorado. Posteriormente, Melloni trabajó solo, creando un instrumento en 1833 (una termopila multielemento) que podía detectar a una persona a 10 metros de distancia. El siguiente paso significativo en la mejora de los detectores fue el bolómetro, inventado en 1880 por Samuel Pierpont Langley. Langley y su asistente Charles Greeley Abbot continuaron mejorando este instrumento. En 1901, podía detectar la radiación de una vaca a 400 metros de distancia y era sensible a diferencias de temperatura de cien milésimas (0,00001 C) de grado Celsius. La primera cámara termográfica comercial se vendió en 1965 para inspecciones de líneas eléctricas de alto voltaje.
La primera aplicación avanzada de la tecnología IR en la sección civil puede haber sido un dispositivo para detectar la presencia de icebergs y barcos de vapor utilizando un espejo y una termopila, patentado en 1913. Esto pronto fue superado por el primer detector de icebergs IR preciso, que no utilizó termopilas, patentado en 1914 por R.D. Parker. Esto fue seguido por G.A. La propuesta de Barker de utilizar el sistema IR para detectar incendios forestales en 1934. La técnica no se industrializó genuinamente hasta que se utilizó para analizar la uniformidad del calentamiento en tiras de acero caliente en 1935.
Primera cámara termográfica
En 1929, el físico húngaro Kálmán Tihanyi inventó la cámara de televisión electrónica sensible al infrarrojo (visión nocturna) para la defensa antiaérea en Gran Bretaña. La primera cámara termográfica estadounidense desarrollada fue un escáner de línea infrarroja. Esto fue creado por el ejército de EE. UU. y Texas Instruments en 1947 y tomó una hora para producir una sola imagen. Si bien se investigaron varios enfoques para mejorar la velocidad y la precisión de la tecnología, uno de los factores más cruciales tuvo que ver con el escaneo de una imagen, que la empresa AGA pudo comercializar utilizando un fotoconductor refrigerado.
El primer sistema de escaneo lineal infrarrojo fue el British Yellow Duckling de mediados de la década de 1950. Este utilizó un espejo y un detector de rotación continua, con escaneo en el eje Y por el movimiento del avión de transporte. Aunque no tuvo éxito en su aplicación prevista de seguimiento de submarinos por detección de estela, se aplicó a la vigilancia terrestre y se convirtió en la base de la exploración de líneas IR militar.
Este trabajo se desarrolló aún más en Royal Signals and Radar Establishment en el Reino Unido cuando descubrieron que el telururo de mercurio y cadmio era un fotoconductor que requería mucho menos enfriamiento. Honeywell en los Estados Unidos también desarrolló conjuntos de detectores que podían enfriarse a una temperatura más baja, pero escaneaban mecánicamente. Este método tenía varias desventajas que podían superarse usando un sistema de escaneo electrónico. En 1969, Michael Francis Tompsett de English Electric Valve Company en el Reino Unido patentó una cámara que escaneaba piroelectrónicamente y que alcanzó un alto nivel de rendimiento después de varios otros avances durante la década de 1970. Tompsett también propuso una idea para conjuntos de imágenes térmicas de estado sólido, que eventualmente condujo a dispositivos modernos de imágenes de corte de cristal único híbrido.
Sensores inteligentes
Una de las áreas esenciales de desarrollo de los sistemas de seguridad fue la capacidad de evaluar de forma inteligente una señal, así como advertir sobre la presencia de una amenaza. Bajo el impulso de la Iniciativa de Defensa Estratégica de EE. UU., los "sensores inteligentes" comenzó a aparecer. Estos son sensores que podrían integrar detección, extracción de señales, procesamiento y comprensión. Hay dos tipos principales de sensores inteligentes. Uno, similar a lo que se llama un "chip de visión" cuando se usa en el rango visible, permite el preprocesamiento usando técnicas de detección inteligente debido al aumento en el crecimiento de los microcircuitos integrados. La otra tecnología está más orientada a un uso específico y cumple su objetivo de preprocesamiento a través de su diseño y estructura.
Hacia finales de la década de 1990, el uso de infrarrojos se estaba moviendo hacia un uso civil. Hubo una reducción drástica de los costos de las matrices no refrigeradas, lo que, junto con el aumento significativo de los desarrollos, condujo a un mercado de uso dual que abarcaba usos tanto civiles como militares. Estos usos incluyen control ambiental, análisis de edificios/arte, diagnósticos médicos funcionales y sistemas de guía de automóviles y prevención de colisiones.
Teoría de funcionamiento
La energía infrarroja es solo una parte del espectro electromagnético, que abarca la radiación de rayos gamma, rayos X, ultravioleta, una región delgada de luz visible, infrarrojos, ondas de terahercios, microondas y ondas de radio. Todos estos están relacionados y diferenciados en la longitud de su onda (longitud de onda). Todos los objetos emiten una cierta cantidad de radiación de cuerpo negro en función de su temperatura.
En términos generales, cuanto más alta es la temperatura de un objeto, más radiación infrarroja se emite como radiación de cuerpo negro. Una cámara especial puede detectar esta radiación de forma similar a como una cámara ordinaria detecta la luz visible. Incluso funciona en la oscuridad total porque el nivel de luz ambiental no importa. Esto lo hace útil para operaciones de rescate en edificios llenos de humo y subterráneos.
Una gran diferencia con las cámaras ópticas es que las lentes de enfoque no pueden estar hechas de vidrio, ya que el vidrio bloquea la luz infrarroja de onda larga. Normalmente, el rango espectral de la radiación térmica es de 7 a 14 μm. Deben utilizarse materiales especiales como germanio, fluoruro de calcio, silicio cristalino o un tipo especial de vidrio de calcogenuro recientemente desarrollado. Excepto el fluoruro de calcio, todos estos materiales son bastante duros y tienen un alto índice de refracción (para germanio n=4), lo que conduce a una reflexión de Fresnel muy alta en superficies sin recubrimiento (hasta más del 30 %). Por este motivo, la mayoría de los objetivos de las cámaras térmicas tienen revestimientos antirreflectantes. El mayor costo de estas lentes especiales es una de las razones por las que las cámaras termográficas son más caras.
En uso
Las imágenes de las cámaras infrarrojas tienden a ser monocromáticas porque las cámaras generalmente usan un sensor de imagen que no distingue diferentes longitudes de onda de la radiación infrarroja. Los sensores de imagen en color requieren una construcción compleja para diferenciar las longitudes de onda, y el color tiene menos significado fuera del espectro visible normal porque las diferentes longitudes de onda no se asignan de manera uniforme en el sistema de visión del color que usan los humanos.
A veces, estas imágenes monocromáticas se muestran en pseudocolor, donde se usan cambios de color en lugar de cambios de intensidad para mostrar cambios en la señal. Esta técnica, llamada corte de densidad, es útil porque aunque los humanos tienen un rango dinámico mucho mayor en la detección de intensidad que el color en general, la capacidad de ver diferencias de intensidad finas en áreas brillantes es bastante limitada.
Para medir la temperatura, las partes más brillantes (más cálidas) de la imagen se suelen colorear de blanco, las temperaturas intermedias de rojo y amarillo, y las partes más tenues (más frías) de negro. Se debe mostrar una escala junto a una imagen de color falso para relacionar los colores con las temperaturas. Su resolución es considerablemente más baja que la de las cámaras ópticas, en su mayoría solo 160 x 120 o 320 x 240 píxeles, aunque las cámaras más caras pueden alcanzar una resolución de 1280 x 1024 píxeles. Las cámaras termográficas son mucho más costosas que sus contrapartes de espectro visible, aunque las cámaras térmicas complementarias de bajo rendimiento para teléfonos inteligentes estuvieron disponibles por cientos de dólares en 2014. Los modelos de gama alta a menudo se consideran equipos de uso militar de doble uso y se exportan. -restringido, especialmente si la resolución es de 640 x 480 o superior, a menos que la frecuencia de actualización sea de 9 Hz o inferior. La exportación de cámaras térmicas está regulada por el Reglamento de Tráfico Internacional de Armas. Una cámara térmica se incorporó por primera vez en un teléfono inteligente en 2016, en el Cat S60.
En los detectores no refrigerados, las diferencias de temperatura en los píxeles del sensor son mínimas; una diferencia de 1 °C en la escena induce solo una diferencia de 0,03 °C en el sensor. El tiempo de respuesta de los píxeles también es bastante lento, en el rango de decenas de milisegundos.
La termografía encuentra muchos otros usos. Por ejemplo, los bomberos lo usan para ver a través del humo, encontrar personas y localizar puntos críticos de incendios. Con imágenes térmicas, los técnicos de mantenimiento de líneas eléctricas localizan juntas y piezas sobrecalentadas, un signo revelador de su falla, para eliminar posibles peligros. Cuando el aislamiento térmico se vuelve defectuoso, los técnicos de construcción de edificios pueden ver fugas de calor para mejorar la eficiencia del aire acondicionado de refrigeración o calefacción.
También se instalan cámaras termográficas en algunos automóviles de lujo para ayudar al conductor (visión nocturna automotriz), siendo la primera el Cadillac DeVille 2000.
Algunas actividades fisiológicas, en particular respuestas como la fiebre, en seres humanos y otros animales de sangre caliente también se pueden monitorear con imágenes termográficas. Las cámaras infrarrojas refrigeradas se pueden encontrar en los principales telescopios de investigación astronómica, incluso en aquellos que no son telescopios infrarrojos.
Tipos
Las cámaras termográficas se pueden dividir en términos generales en dos tipos: las que tienen detectores de imagen infrarroja enfriados y las que tienen detectores no enfriados.
Detectores infrarrojos enfriados
Los detectores refrigerados suelen estar contenidos en una caja sellada al vacío o Dewar y enfriados criogénicamente. El enfriamiento es necesario para el funcionamiento de los materiales semiconductores utilizados. Las temperaturas de funcionamiento típicas oscilan entre 4 K (−269 °C) y justo por debajo de la temperatura ambiente, según la tecnología del detector. La mayoría de los detectores refrigerados modernos funcionan en el rango de 60 Kelvin (K) a 100 K (-213 a -173 °C), según el tipo y el nivel de rendimiento.
Sin enfriamiento, estos sensores (que detectan y convierten la luz de manera muy similar a las cámaras digitales comunes, pero están hechos de diferentes materiales) estarían 'cegados' o inundados por su propia radiación. Los inconvenientes de las cámaras infrarrojas refrigeradas son que son costosas tanto de producir como de operar. La refrigeración consume mucha energía y tiempo.
La cámara puede necesitar varios minutos para enfriarse antes de que pueda comenzar a funcionar. Los sistemas de enfriamiento más utilizados son los enfriadores Peltier que, aunque son ineficientes y tienen una capacidad de enfriamiento limitada, son relativamente simples y compactos. Para obtener una mejor calidad de imagen o para obtener imágenes de objetos a baja temperatura, se necesitan criorrefrigeradores de motor Stirling. Aunque el aparato de enfriamiento puede ser comparativamente voluminoso y costoso, las cámaras infrarrojas enfriadas brindan una calidad de imagen muy superior en comparación con las no enfriadas, particularmente de objetos cerca o por debajo de la temperatura ambiente. Además, la mayor sensibilidad de las cámaras refrigeradas también permite el uso de lentes con un número F más alto, lo que hace que las lentes de distancia focal larga de alto rendimiento sean más pequeñas y económicas para los detectores refrigerados.
Una alternativa a los enfriadores de motor Stirling es usar gases embotellados a alta presión, siendo el nitrógeno una opción común. El gas presurizado se expande a través de un orificio de tamaño micro y pasa sobre un intercambiador de calor en miniatura que da como resultado un enfriamiento regenerativo a través del efecto Joule-Thomson. Para tales sistemas, el suministro de gas presurizado es una preocupación logística para uso en campo.
Los materiales utilizados para la detección de infrarrojos enfriados incluyen fotodetectores basados en una amplia gama de semiconductores de separación estrecha, incluidos antimoniuro de indio (3-5 μm), arseniuro de indio, telururo de mercurio y cadmio (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm), sulfuro de plomo y seleniuro de plomo
Los fotodetectores infrarrojos se pueden crear con estructuras de semiconductores de banda prohibida alta, como en los fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico.
Existe una serie de tecnologías de bolómetros refrigerados superconductores y no superconductores.
En principio, los dispositivos de unión de túneles superconductores podrían usarse como sensores infrarrojos debido a su espacio muy estrecho. Se han demostrado matrices pequeñas. No se han adoptado ampliamente para su uso porque su alta sensibilidad requiere una protección cuidadosa de la radiación de fondo.
Los detectores superconductores ofrecen una sensibilidad extrema y algunos pueden registrar fotones individuales. Por ejemplo, la cámara superconductora (SCAM) de la ESA. Sin embargo, no se usan regularmente fuera de la investigación científica.
Detectores de infrarrojos no refrigerados
Las cámaras térmicas sin refrigeración utilizan un sensor que funciona a temperatura ambiente o un sensor estabilizado a una temperatura cercana a la temperatura ambiente mediante pequeños elementos de control de temperatura. Todos los detectores no refrigerados modernos utilizan sensores que funcionan mediante el cambio de resistencia, voltaje o corriente cuando se calientan con radiación infrarroja. Estos cambios luego se miden y comparan con los valores a la temperatura de funcionamiento del sensor.
Los sensores infrarrojos sin enfriar se pueden estabilizar a una temperatura de funcionamiento para reducir el ruido de la imagen, pero no se enfrían a bajas temperaturas y no requieren enfriadores criogénicos voluminosos, costosos y que consumen mucha energía. Esto hace que las cámaras infrarrojas sean más pequeñas y menos costosas. Sin embargo, su resolución y calidad de imagen tienden a ser inferiores a las de los detectores refrigerados. Esto se debe a las diferencias en sus procesos de fabricación, limitados por la tecnología actualmente disponible. Una cámara térmica no enfriada también necesita lidiar con su propia firma de calor.
Los detectores no refrigerados se basan principalmente en materiales piroeléctricos y ferroeléctricos o en tecnología de microbolómetros. El material se utiliza para formar píxeles con propiedades que dependen en gran medida de la temperatura, que están térmicamente aislados del entorno y se leen electrónicamente.
Los detectores ferroeléctricos funcionan cerca de la temperatura de transición de fase del material del sensor; la temperatura del píxel se lee como la carga de polarización altamente dependiente de la temperatura. La NETD alcanzada de detectores ferroeléctricos con óptica f/1 y sensores de 320x240 es de 70-80 mK. Un posible conjunto de sensor consta de titanato de bario y estroncio unido por contacto mediante una conexión aislada térmicamente de poliimida.
Los microbolómetros de silicio pueden alcanzar una NETD de hasta 20 mK. Consisten en una capa de silicio amorfo o un elemento sensor de óxido de vanadio (V) de película delgada suspendido en un puente de nitruro de silicio sobre la electrónica de escaneo basada en silicio. La resistencia eléctrica del elemento sensor se mide una vez por cuadro.
Las mejoras actuales de las matrices de plano focal no refrigeradas (UFPA) se centran principalmente en una mayor sensibilidad y densidad de píxeles. En 2013, DARPA anunció una cámara LWIR de cinco micras que utiliza una matriz de plano focal (FPA) de 1280 x 720. Algunos de los materiales utilizados para los conjuntos de sensores son silicio amorfo (a-Si), óxido de vanadio (V) (VOx), manganita de bario y lantano (LBMO), titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de zirconato de plomo dopado con lantano (PLZT), tantalato de escandio y plomo (PST), titanato de lantano y plomo (PLT), titanato de plomo (PT), niobato de zinc y plomo (PZN), titanato de estroncio y plomo (PSrT), titanato de estroncio y bario (BST), titanato de bario (BT), sulfoyoduro de antimonio (SbSI) y difluoruro de polivinilideno (PVDF).
Aplicaciones
Desarrolladas originalmente para uso militar durante la Guerra de Corea, las cámaras termográficas han migrado lentamente a otros campos tan variados como la medicina y la arqueología. Más recientemente, la reducción de los precios ha ayudado a impulsar la adopción de la tecnología de visualización infrarroja. La óptica avanzada y las interfaces de software sofisticadas continúan mejorando la versatilidad de las cámaras IR.
- Agricultura, Por ejemplo., Máquina de venta de semillas
- Inspección de edificios
- Diagnóstico por defecto y solución de problemas
- Auditoría energética del aislamiento de edificios y detección de fugas de refrigerantes
- Inspección de techo
- Home performance
- Detección de humedad en paredes y techos (y por lo tanto a menudo parte de la rehabilitación del molde)
- Análisis estructural de la pared Masonería
- Law enforcement and anti-terrorism
- Vigilancia cuarentena de visitantes a un país
- Detección y adquisición de objetivos militares y policiales: búsqueda y seguimiento infrarrojos con visión de futuro
- Vigilancia y vigilancia de las condiciones
- Medidas de vigilancia técnica
- Avistamiento de armas térmicas
- Operaciones de búsqueda y rescate
- Operaciones de lucha contra incendios
- Thermography (medical) - Pruebas médicas para el diagnóstico
- Imágenes térmicas veterinarias
- Supervisión del proceso del programa
- Control de calidad en entornos de producción
- Mantenimiento predictivo (advertencia de fallas tempranas) en equipo mecánico y eléctrico
- Astronomía, en telescopios como UKIRT, el telescopio espacial Spitzer, WISE y el telescopio espacial James Webb
- Visión nocturna automotriz
- Auditoría del aislamiento acústico para la reducción de sonido
- Sistemas de vigilancia del bebé
- Imagen química
- Monitoreo del centro de datos
- Diagnóstico y mantenimiento de equipos de distribución eléctrica, como patios de transformadores y paneles de distribución
- Pruebas no destructivas
- Investigación y desarrollo de nuevos productos
- Detección de efluentes de contaminación
- Infestaciones de plagas
- Arqueología aérea
- Detector de llamas
- Meteorología (las imágenes térmicas de los satélites meteorológicos se utilizan para determinar las concentraciones de temperatura/altura de la nube y vapor de agua, dependiendo de la longitud de onda)
- Cricket Umpire Sistema de Revisión de Decisiones. Para detectar el contacto débil de la pelota con el bate (y por lo tanto una firma de parche de calor en el bate después del contacto).
- Navegación autónoma
- Aplicaciones Malicious
- Ataque térmico es un enfoque que explota los rastros de calor dejados después de interactuar con interfaces, como pantallas táctiles o teclados, para descubrir la entrada del usuario.
- Fotografía de vida silvestre nocturna
- Inspección de centrales eléctricas fotovoltaicas
Especificaciones
Algunos parámetros de especificación de un sistema de cámara infrarroja son el número de píxeles, la velocidad de fotogramas, la capacidad de respuesta, la potencia equivalente al ruido, la diferencia de temperatura equivalente al ruido (NETD), la banda espectral, la relación distancia-punto (D:S), distancia mínima de enfoque, vida útil del sensor, diferencia mínima de temperatura resoluble (MRTD), campo de visión, rango dinámico, potencia de entrada y masa y volumen.