Imagens Térmicas — Tornando Visíveis os Detalhes Ocultos

Adoramos os raios quentes do sol de verão, aproveite para se refrescar com uma bebida gelada ou um mergulho refrescante na piscina. Apreciamos o toque caloroso de outra pessoa, saboreie um chá quente ou aqueça a lareira no inverno. Sentimos a temperatura, mas não podemos ‘vê-la’ com os olhos.

As imagens térmicas tornam visível essa parte do espectro eletromagnético que está escondida de nossos olhos. Como praticamente todos os objetos em nosso ambiente emitem radiação térmica, os termovisores podem produzir uma imagem do ambiente mesmo na escuridão absoluta. Quando usado para segurança e vigilância, pouco permanece escondido de um termovisor.

Com calibração radiométrica completa, esses geradores de imagens podem não apenas tornar visíveis as diferenças de temperatura, mas fornecer uma medição absoluta da temperatura. Um termovisor com sensor VGA e taxa de quadros de 60 Hz pode fornecer mais de 18,4 milhões de medições individuais de temperatura por segundo.

Miniaturização e otimização de desempenho

Produzir um termovisor simples que visualiza o calor (ou seja, detecta e traduz a distribuição relativa de calor de uma cena em consideração em uma imagem exibida) não é mais o estado da arte. Você pode personalizar seu iPhone com um add-on de termovisor por menos de US$ 200. O verdadeiro desafio técnico começa com as crescentes demandas de sensibilidade e precisão de medição – exibindo as menores diferenças de temperatura ou medindo temperaturas com a maior precisão possível – ao mesmo tempo em que miniaturiza o termovisor e ainda atende às necessidades de desempenho do mercado mais amplo.

Os principais fabricantes de imagens termográficas de hoje combinam o menor NETD (diferença de temperatura equivalente ao ruído) e a melhor precisão de medição de temperatura em um único dispositivo. Historicamente, essas câmeras de alto desempenho eram sensíveis e precisas - mas também grandes e pesadas. É aqui que as tendências de miniaturização e integração de sistemas estão abrindo novos aplicativos para termovisores.

Mais e mais aplicativos estão usando termovisores, ligando-os a outros sensores, como câmeras de vídeo coloridas ou sensores LiDAR. As aplicações são diversas e vão desde câmeras de vigilância inteligentes para segurança pública e privada até automação predial; desde o controle do processo de fabricação até o auxílio aos serviços de combate a incêndio e resgate; desde soluções de visão noturna para veículos autônomos até manutenção preditiva.

Parâmetros-chave de desempenho

Por mais diversas que sejam essas aplicações, também são os requisitos para a miniaturização da tecnologia de termovisores e a integração do sistema – características de medição, detectores, ótica, interfaces de dados, invólucros e outros parâmetros de projeto e fabricação devem ser otimizados para a aplicação específica. No entanto, a fácil integração em soluções de sistemas específicos de aplicativos é um desafio particular para muitos OEMs e integradores de sistemas, pois os poderosos termovisores geralmente são oferecidos apenas como produtos padrão com configurabilidade limitada.

Os termovisores mais eficazes são feitos sob medida para superar esses desafios e preencher exatamente essa lacuna no mercado. Três áreas em que o desempenho do termovisor e a facilidade de integração são afetados estão no detector, nos recursos radiométricos do imager e nos recursos ópticos e elétricos oferecidos.

A tecnologia avançada de detectores está constantemente reduzindo o espaçamento pixel a pixel. Essa tendência tem sido amplamente impulsionada pela indústria de telefonia celular e tem sido mais evidente em câmeras visíveis, mas também ajudou a melhorar as imagens térmicas. Quanto menor o passo de pixel do detector – enquanto mantém ou melhora a sensibilidade (NETD) e o desempenho de ruído – mais eficaz é um termovisor. O pitch menor geralmente suporta menor potência, restrições de projeto mecânico menores e geralmente pode acomodar óticas f/# mais lentas (maior tamanho do sistema e economia de peso). Além disso, os FPAs de densidade de pixel menores também permitem termovisores de resolução mais alta sem uma penalidade significativa em tamanho, peso e potência.

As propriedades de desempenho radiométrico incluem a expansão de apenas medições de Região de Interesse (ROI) para medições radiométricas completas em cada pixel do FPA, precisão de medição de temperatura aprimorada e faixas de temperatura alvo estendidas.

A extrema concorrência de mercado nas indústrias de jogos, realidade virtual e aumentada, smartphones, telecomunicações e veículos autônomos aumentou drasticamente as capacidades de processamento eletrônico ao mesmo tempo em que reduz a pegada de componentes e o consumo de energia. Como resultado, os projetistas de imagens térmicas têm uma gama mais ampla de opções de componentes eletrônicos para escolher, que não existiam há vários anos. A ampla variedade de opções de componentes também facilita o projeto e a integração de sistemas mais compactos, mais eficientes e de maior desempenho. Enquanto isso, as técnicas de fabricação óptica e opto-mecânica também avançaram, o que permite aos projetistas substituir a óptica convencional por óptica não tradicional para reduzir ainda mais o tamanho e o peso dos subconjuntos ópticos. Essas tendências mais amplas do setor, juntamente com avanços contínuos de detectores e radiométricos no segmento de imagens térmicas, podem oferecer aos OEMs e integradores de sistemas uma ampla gama de flexibilidade quando o termovisor certo oferece suporte a essas opções.

Amostra de mercado de termovisores radiométricos

A Tabela 1 resume vários parâmetros-chave de desempenho para cinco câmeras termográficas radiométricas atuais com um formato de pixel QVGA.

Para ilustrar alguns dos principais parâmetros de desempenho identificados na seção anterior, focamos na primeira entrada da tabela, o JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha é uma família de geradores de imagens infravermelhos compactos, “plug and play”, que oferecem uma variedade de opções de configuração padrão, como formato de vídeo (VGA ou QVGA), taxa de quadros, obturador mecânico ou operação sem obturador estável a longo prazo, múltiplos interfaces de comunicação padrão (USB, GigE e CMOS) e opções de lente para permitir campos de visão do imager de 5 graus a 60 graus.

Os geradores de imagens são totalmente funcionais como dispositivos autônomos, mas foram projetados para facilitar a integração em aplicativos OEM (fabricante de equipamento original). A abordagem de “caixa de ferramentas” do EVIDIR das opções de configuração disponíveis é empregada para facilitar a personalização. Opções como lentes, obturador, formato de vídeo e interface de comunicação são modulares, permitindo ao cliente misturar e combinar para melhor se adequar à sua aplicação.

As versões QVGA e VGA do imager e dos imagers radiométricos compartilham interfaces comuns mecânicas, ópticas, elétricas e de comando para permitir fácil atualização e minimizar o tempo de desenvolvimento do OEM. Os geradores de imagens são construídos em torno de matrizes de plano focal de microbolômetro de última geração, 12 μm de pixel, não refrigeradas e imagens térmicas estáveis ​​e uniformes com melhor do que o padrão NETD de 30 mK. O núcleo do imager é uma pilha de duas placas que consiste na matriz de plano focal (integrada em um conjunto de circuito impresso) e na placa do processador.

O formato de saída nativo do imager é CMOS e os integradores OEM podem utilizar este formato para minimizar o tamanho e a potência ou selecionar uma placa de interface para converter a saída para os formatos de imagem padrão desejados (por exemplo, USB ou GigE). As versões CMOS do imager consomem <950mW para um imager QVGA rodando a 60Hz. O conjunto da caixa de alumínio do imager mede 20 mm × 30 mm × 30 mm e pesa 27g sem lente. Existem vários adaptadores de lente para permitir que uma infinidade de lentes prontas para uso sejam utilizadas para melhor corresponder à aplicação. As câmeras radiométricas obtêm uma calibração aprimorada, mas são idênticas às versões do imager.

Resumo

Os termovisores de última geração de hoje oferecem aos OEMs um desempenho mais alto, menor custo, alternativa às câmeras térmicas e radiométricas QVGA e VGA anteriores no mercado. Quando projetada adequadamente, a personalização do termovisor permite que os OEMs adaptem a câmera para melhor se adequar à sua aplicação e minimizar os custos.

Os aprimoramentos contínuos do setor fornecerão aos clientes exatamente o produto certo para suas necessidades, incluindo sensores SXGA (1280 × 1024) com pitch de 12 μm, sensor XGA (1024 × 768) aprimorado e tecnologia VGA (640 × 480), aprimoramento de resolução, subquadros, zoom eletrônico digital (e-zoom) e estabilização eletrônica de imagem, operação com ou sem obturador, taxas de quadros adicionais selecionáveis ​​e interfaces elétricas opcionais, como CameraLink.

Este artigo foi escrito pelo Dr. Daniel Brenner, MBA, Divisão de Luz e Óptica, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Alemanha). Para mais informações, clique aqui .