Câmera termográfica - Thermographic camera

Imagem de um Pomerânia tirada em luz infravermelha média ("térmica") ( cor falsa )

Uma câmera termográfica (também chamada de câmera infravermelha ou câmera de imagem térmica , câmera térmica ou termovisor ) é um dispositivo que cria uma imagem usando radiação infravermelha (IV), semelhante a uma câmera comum que forma uma imagem usando luz visível . Em vez da faixa de 400-700 nanômetros (nm) da câmera de luz visível, as câmeras infravermelhas são sensíveis a comprimentos de onda de cerca de 1.000 nm (1  micrômetro ou μm) a cerca de 14.000 nm (14 μm). A prática de capturar e analisar os dados que eles fornecem é chamada de termografia .

História

Descoberta e pesquisa da radiação infravermelha

O infravermelho foi descoberto em 1800 por Sir William Herschel como uma forma de radiação além da luz vermelha. Esses "raios infravermelhos" (infra é o prefixo latino para "abaixo") eram usados ​​principalmente para medição térmica. Há quatro leis básicas da radiação IR: lei da radiação térmica de Kirchhoff , a lei de Stefan-Boltzmann , a lei de Planck , e lei do deslocamento de Wien . O desenvolvimento de detectores foi focado principalmente no uso de termômetros e bolômetros até a Primeira Guerra Mundial . Um passo significativo no desenvolvimento dos detectores ocorreu em 1829, quando Leopoldo Nobili , usando o efeito Seebeck , criou o primeiro termopar conhecido , fabricando um termômetro aprimorado, uma termopilha bruta . Ele descreveu este instrumento para Macedonio Melloni . Inicialmente, eles desenvolveram em conjunto um instrumento bastante aprimorado. Posteriormente, Melloni trabalhou sozinho, criando um instrumento em 1833 (uma termopilha multielementar ) que poderia detectar uma pessoa a 10 metros de distância. O próximo passo significativo no aprimoramento dos detectores foi o bolômetro, inventado em 1880 por Samuel Pierpont Langley . Langley e seu assistente Charles Greeley Abbot continuaram a fazer melhorias neste instrumento. Em 1901, ele podia detectar a radiação de uma vaca a 400 metros de distância e era sensível a diferenças de temperatura de cem milésimos (0,00001 C) de grau Celsius. A primeira câmera de imagem térmica comercial foi vendida em 1965 para inspeções de linhas de alta tensão.

A primeira aplicação avançada da tecnologia IR na seção civil pode ter sido um dispositivo para detectar a presença de icebergs e navios a vapor usando um espelho e termopilha, patenteado em 1913. Isso logo foi superado pelo primeiro detector de iceberg IR preciso, que não usava termopilhas, patenteadas em 1914 por RD Parker. Isso foi seguido pela proposta de GA Barker de usar o sistema IR para detectar incêndios florestais em 1934. A técnica não foi genuinamente industrializada até que foi usada para analisar a uniformidade de aquecimento em tiras de aço quente em 1935.

Primeira câmera termográfica

Em 1929, o físico húngaro Kálmán Tihanyi inventou a câmera de televisão eletrônica sensível ao infravermelho (visão noturna) para defesa antiaérea na Grã-Bretanha. A primeira câmera termográfica americana desenvolvida foi um scanner infravermelho. Ele foi criado pelos militares dos EUA e pela Texas Instruments em 1947 e levou uma hora para produzir uma única imagem. Embora várias abordagens tenham sido investigadas para melhorar a velocidade e a precisão da tecnologia, um dos fatores mais cruciais tratou da digitalização de uma imagem, que a empresa AGA conseguiu comercializar usando um fotocondutor resfriado.

O primeiro sistema de varredura de linha infravermelho foi o patinho amarelo britânico de meados da década de 1950. Isso usava um espelho e um detector em rotação contínua, com varredura do eixo Y pelo movimento do porta-aviões. Embora sem sucesso em sua aplicação pretendida de rastreamento de submarinos por detecção de esteira, foi aplicado à vigilância baseada em terra e tornou-se a base da varredura de linhas de infravermelho militar.

Este trabalho foi desenvolvido no Royal Signals and Radar Establishment, no Reino Unido, quando descobriram que o telureto de mercúrio e cádmio era um fotocondutor que exigia muito menos resfriamento. A Honeywell nos Estados Unidos também desenvolveu conjuntos de detectores que podiam resfriar a uma temperatura mais baixa, mas faziam varreduras mecanicamente. Este método tinha várias desvantagens que poderiam ser superadas usando um sistema de varredura eletrônico. Em 1969, Michael Francis Tompsett da English Electric Valve Company no Reino Unido patenteou uma câmera que fazia a varredura piroeletronicamente e que alcançou um alto nível de desempenho após vários outros avanços durante os anos 1970. Tompsett também propôs uma ideia para matrizes de imagem térmica de estado sólido, o que eventualmente levou a dispositivos modernos de imagem de cristal único hibridizado.

Sensores inteligentes

Uma das áreas essenciais de desenvolvimento para sistemas de segurança era a capacidade de avaliar de forma inteligente um sinal, bem como alertar sobre a presença de uma ameaça. Com o incentivo da US Strategic Defense Initiative , "sensores inteligentes" começaram a aparecer. São sensores que podem integrar detecção, extração de sinal, processamento e compreensão. Existem dois tipos principais de sensores inteligentes. Um, semelhante ao que é chamado de " chip de visão " quando usado na faixa visível, permite o pré-processamento usando técnicas de sensoriamento inteligente devido ao aumento do crescimento de microcircuito integrado. A outra tecnologia é mais orientada para uso específico e cumpre seu objetivo de pré-processamento por meio de seu design e estrutura.

No final da década de 1990, o uso do infravermelho estava passando para o uso civil. Houve uma redução dramática de custos para matrizes não resfriadas, que junto com o aumento significativo nos desenvolvimentos, levou a um mercado de dupla utilização , abrangendo usos civis e militares. Esses usos incluem controle ambiental, análise de construção / arte, diagnósticos médicos funcionais e sistemas de orientação automotiva e prevenção de colisões .

Teoria de Operação

Uma imagem térmica mostrando a variação de temperatura em um balão de ar quente.

A energia infravermelha é apenas uma parte do espectro eletromagnético , que abrange a radiação de raios gama , raios X , ultravioleta , uma região fina de luz visível , infravermelho , ondas terahertz , microondas e ondas de rádio . Todos estão relacionados e diferenciados no comprimento de sua onda (comprimento de onda). Todos os objetos emitem uma certa quantidade de radiação de corpo negro em função de sua temperatura.

De modo geral, quanto mais alta a temperatura de um objeto, mais radiação infravermelha é emitida como radiação de corpo negro . Uma câmera especial pode detectar essa radiação de maneira semelhante à maneira como uma câmera comum detecta a luz visível. Ele funciona até mesmo na escuridão total porque o nível de luz ambiente não importa. Isso o torna útil para operações de resgate em edifícios cheios de fumaça e no subsolo.

Uma grande diferença com as câmeras ópticas é que as lentes de foco não podem ser feitas de vidro, pois o vidro bloqueia a luz infravermelha de ondas longas. Normalmente, a faixa espectral da radiação térmica é de 7 a 14 μm. Devem ser usados materiais especiais como germânio , fluoreto de cálcio, silício cristalino ou um tipo especial de vidro de calcogeneto desenvolvido recentemente. Com exceção do fluoreto de cálcio, todos esses materiais são bastante duros e têm alto índice de refração (para germânio n = 4), o que leva a uma reflexão de Fresnel muito alta em superfícies não revestidas (até mais de 30%). Por esse motivo, a maioria das lentes das câmeras térmicas possui revestimentos anti-reflexos. O custo mais alto dessas lentes especiais é um dos motivos pelos quais as câmeras termográficas são mais caras.

Em uso

Imagem termográfica de um lêmure de cauda anelada

Imagens de câmeras infravermelhas tendem a ser monocromáticas porque as câmeras geralmente usam um sensor de imagem que não distingue diferentes comprimentos de onda da radiação infravermelha. Os sensores de imagem colorida requerem uma construção complexa para diferenciar os comprimentos de onda, e a cor tem menos significado fora do espectro visível normal porque os diferentes comprimentos de onda não são mapeados uniformemente no sistema de visão colorida usado pelos humanos.

Às vezes, essas imagens monocromáticas são exibidas em pseudo-cores , onde as mudanças na cor são usadas em vez das mudanças na intensidade para exibir as mudanças no sinal. Essa técnica, chamada de divisão por densidade , é útil porque, embora os humanos tenham uma faixa dinâmica muito maior na detecção de intensidade do que a cor em geral, a capacidade de ver diferenças finas de intensidade em áreas brilhantes é bastante limitada.

Para uso na medição de temperatura, as partes mais claras (mais quentes) da imagem são normalmente coloridas de branco, as temperaturas intermediárias vermelhas e amarelas e as partes mais escuras (mais frias) pretas. Uma escala deve ser mostrada ao lado de uma imagem de cores falsas para relacionar as cores às temperaturas. Sua resolução é consideravelmente menor do que a das câmeras ópticas, na maioria apenas 160 x 120 ou 320 x 240 pixels, embora câmeras mais caras possam atingir uma resolução de 1280 x 1024 pixels. As câmeras termográficas são muito mais caras do que suas contrapartes de espectro visível, embora câmeras térmicas adicionais de baixo desempenho para smartphones tenham se tornado disponíveis por centenas de dólares em 2014. Modelos de última geração são frequentemente considerados de uso duplo e com restrição de exportação, especialmente se a resolução for de 640 x 480 ou superior, a menos que a taxa de atualização seja de 9 Hz ou menos. A exportação de câmeras térmicas é regulamentada pelo Regulamento Internacional de Tráfego de Armas .

Em detectores não resfriados, as diferenças de temperatura nos pixels do sensor são mínimas; uma diferença de 1 ° C na cena induz apenas uma diferença de 0,03 ° C no sensor. O tempo de resposta do pixel também é bastante lento, na faixa de dezenas de milissegundos.

A termografia encontra muitos outros usos. Por exemplo, os bombeiros o usam para ver através da fumaça , encontrar pessoas e localizar focos de incêndio. Com a imagem térmica, os técnicos de manutenção da linha de energia localizam juntas e peças em superaquecimento, um sinal revelador de sua falha, para eliminar riscos potenciais. Onde o isolamento térmico torna-se defeituoso, os técnicos de construção de edifícios podem ver vazamentos de calor para melhorar a eficiência do resfriamento ou aquecimento do ar-condicionado.

Cascos quentes indicam uma vaca doente

Câmeras de imagem térmica também são instaladas em alguns carros de luxo para auxiliar o motorista ( visão noturna automotiva ), sendo a primeira o Cadillac DeVille 2000 .

Algumas atividades fisiológicas, particularmente respostas como febre , em seres humanos e outros animais de sangue quente também podem ser monitoradas com imagens termográficas. Câmeras infravermelhas resfriadas podem ser encontradas em grandes telescópios de pesquisa astronômica , mesmo aqueles que não são telescópios infravermelhos .

Tipos

Uma imagem termográfica de uma cobra ao redor de um braço, mostrando o contraste entre criaturas de sangue quente e frio

As câmeras termográficas podem ser amplamente divididas em dois tipos: aquelas com detectores de imagem infravermelhos resfriados e aquelas com detectores não resfriados.

Detectores infravermelhos resfriados

Uma imagem termográfica de vários lagartos
Câmera e tela de imagem térmica em um terminal de aeroporto na Grécia. A imagem térmica pode detectar febre , um dos sinais de infecção .

Os detectores resfriados são normalmente contidos em uma caixa selada a vácuo ou Dewar e resfriados criogenicamente . O resfriamento é necessário para o funcionamento dos materiais semicondutores usados. As temperaturas operacionais típicas variam de 4 K (−269 ° C) até um pouco abaixo da temperatura ambiente, dependendo da tecnologia do detector. A maioria dos detectores refrigerados modernos opera na faixa de 60 Kelvin (K) a 100 K (-213 a -173 ° C), dependendo do tipo e nível de desempenho.

Sem o resfriamento, esses sensores (que detectam e convertem a luz da mesma forma que as câmeras digitais comuns, mas são feitos de materiais diferentes) seriam 'cegos' ou inundados por sua própria radiação. As desvantagens das câmeras infravermelhas resfriadas são que são caras tanto para produzir quanto para operar. O resfriamento consome muita energia e tempo.

A câmera pode precisar de alguns minutos para esfriar antes de começar a funcionar. Os sistemas de resfriamento mais comumente usados ​​são os resfriadores peltier que, embora ineficientes e limitados na capacidade de resfriamento, são relativamente simples e compactos. Para obter melhor qualidade de imagem ou para obter imagens de objetos de baixa temperatura, são necessários resfriadores criogênicos do motor Stirling . Embora o aparelho de resfriamento possa ser comparativamente volumoso e caro, as câmeras infravermelhas resfriadas fornecem qualidade de imagem muito superior em comparação com as não resfriadas, particularmente de objetos próximos ou abaixo da temperatura ambiente. Além disso, a maior sensibilidade das câmeras resfriadas também permite o uso de lentes com número F mais alto , tornando as lentes de longa distância focal de alto desempenho menores e mais baratas para detectores resfriados.

Uma alternativa aos resfriadores de motor Stirling é usar gases engarrafados em alta pressão, sendo o nitrogênio uma escolha comum. O gás pressurizado é expandido por meio de um orifício de micro tamanho e passado por um trocador de calor em miniatura, resultando no resfriamento regenerativo por meio do efeito Joule-Thomson . Para tais sistemas, o fornecimento de gás pressurizado é uma preocupação logística para uso em campo.

Os materiais usados ​​para detecção de infravermelho resfriado incluem fotodetectores com base em uma ampla gama de semicondutores de gap estreito, incluindo antimoneto de índio (3-5 μm), arseneto de índio , telureto de mercúrio e cádmio (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm), sulfeto de chumbo e seleneto de chumbo

Os fotodetectores infravermelhos podem ser criados com estruturas de semicondutores de alto bandgap, como os fotodetectores infravermelhos de poços quânticos .

Existem várias tecnologias de bolômetro resfriado supercondutor e não supercondutor.

Em princípio, os dispositivos de junção de tunelamento supercondutores podem ser usados ​​como sensores infravermelhos devido ao seu vão muito estreito. Pequenos arranjos foram demonstrados. Eles não foram amplamente adotados para uso porque sua alta sensibilidade requer proteção cuidadosa da radiação de fundo.

Os detectores supercondutores oferecem extrema sensibilidade, alguns sendo capazes de registrar fótons individuais. Por exemplo, a câmera supercondutora da ESA (SCAM) . No entanto, eles não são usados ​​regularmente fora da pesquisa científica.

Detectores infravermelhos não resfriados

As câmeras térmicas não resfriadas usam um sensor operando em temperatura ambiente ou um sensor estabilizado em uma temperatura próxima à ambiente usando pequenos elementos de controle de temperatura. Todos os detectores não resfriados modernos usam sensores que funcionam pela mudança de resistência , voltagem ou corrente quando aquecidos pela radiação infravermelha. Essas mudanças são então medidas e comparadas com os valores na temperatura de operação do sensor.

Sensores infravermelhos não resfriados podem ser estabilizados a uma temperatura operacional para reduzir o ruído da imagem, mas eles não são resfriados a baixas temperaturas e não requerem resfriadores criogênicos volumosos, caros e que consomem energia. Isso torna as câmeras infravermelhas menores e mais econômicas. No entanto, sua resolução e qualidade de imagem tendem a ser inferiores às dos detectores resfriados. Isso se deve às diferenças em seus processos de fabricação, limitados pela tecnologia disponível atualmente. Uma câmera térmica não resfriada também precisa lidar com sua própria assinatura de calor.

Os detectores não resfriados são baseados principalmente em materiais piroelétricos e ferroelétricos ou tecnologia de microbolômetro . O material é usado para formar pixels com propriedades altamente dependentes da temperatura, que são isolados termicamente do ambiente e lidos eletronicamente.

Imagem térmica de locomotiva a vapor

Os detectores ferroelétricos operam perto da temperatura de transição de fase do material do sensor; a temperatura do pixel é lida como a carga de polarização altamente dependente da temperatura . O NETD alcançado de detectores ferroelétricos com óptica f / 1 e sensores 320x240 é de 70-80 mK. Um possível conjunto de sensor consiste em titanato de bário e estrôncio ligado por uma conexão isolada termicamente de poliimida .

Microbolômetros de silício podem atingir NETD até 20 mK. Eles consistem em uma camada de silício amorfo , ou um elemento sensor de óxido de vanádio (V) de filme fino suspenso na ponte de nitreto de silício acima da eletrônica de varredura baseada em silício. A resistência elétrica do elemento sensor é medida uma vez por quadro.

As melhorias atuais de matrizes de plano focal não resfriadas (UFPA) estão focadas principalmente em maior sensibilidade e densidade de pixels. Em 2013, a DARPA anunciou uma câmera LWIR de cinco mícrons que usa uma matriz de plano focal (FPA) 1280 x 720. Alguns dos materiais usados ​​para as matrizes de sensores são silício amorfo (a-Si), óxido de vanádio (V) (VOx), lantânio manganita de bário (LBMO), titanato de zirconato de chumbo (PZT), titanato de zirconato de chumbo dopado com lantânio (PLZT), tantalato de chumbo-escândio (PST), titanato de chumbo-lantânio (PLT), titanato de chumbo (PT), niobato de chumbo-zinco (PZN), titanato de chumbo-estrôncio (PSrT), titanato de bário-estrôncio (BST), titanato de bário (BT), sulfiodeto de antimônio ( SbSI) e difluoreto de polivinilideno (PVDF).

Formulários

A câmera termográfica em um helicóptero Eurocopter EC135 da Polícia Federal Alemã .

Desenvolvidas originalmente para uso militar durante a Guerra da Coréia , as câmeras termográficas lentamente migraram para outros campos tão variados quanto medicina e arqueologia. Mais recentemente, a redução dos preços ajudou a fomentar a adoção da tecnologia de visualização infravermelha. Ótica avançada e interfaces de software sofisticadas continuam a aumentar a versatilidade das câmeras infravermelhas.

Visto do espaço pelo WISE usando uma câmera térmica , o asteroide 2010 AB78 parece mais vermelho do que as estrelas de fundo, pois emite a maior parte de sua luz em comprimentos de onda infravermelhos mais longos. Na luz visível e no infravermelho próximo, é muito fraco e difícil de ver.

Especificações

Alguns parâmetros de especificação de um sistema de câmera infravermelha são número de pixels , taxa de quadros , responsividade , potência equivalente a ruído , diferença de temperatura equivalente a ruído (NETD), banda espectral, relação distância-ponto (D: S), distância mínima de foco , vida útil do sensor, diferença mínima de temperatura resolvível (MRTD), campo de visão , faixa dinâmica , potência de entrada e massa e volume.

Veja também

Referências