La termografía infrarroja ( IRT ), video térmico y/o imágenes térmicas , es un proceso en el que una cámara térmica captura y crea una imagen de un objeto mediante el uso de radiación infrarroja emitida por el objeto en un proceso, que son ejemplos de ciencia de imágenes infrarrojas . Las cámaras termográficas suelen detectar radiación en el rango infrarrojo largo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000 a 14.000 nanómetros o 9 a 14 μm ) y producen imágenes de esa radiación, llamadas termogramas . Dado que, según la ley de radiación del cuerpo negro , todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación infrarroja , la termografía permite ver el entorno con o sin iluminación visible . La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura; por lo tanto, la termografía permite ver las variaciones de temperatura. Cuando se observan a través de una cámara termográfica, los objetos cálidos destacan bien sobre fondos más fríos; los humanos y otros animales de sangre caliente se vuelven fácilmente visibles en el medio ambiente, de día o de noche. Como resultado, la termografía es particularmente útil para los militares y otros usuarios de cámaras de vigilancia .
Algunos cambios fisiológicos en los seres humanos y otros animales de sangre caliente también pueden controlarse mediante imágenes térmicas durante el diagnóstico clínico. La termografía se utiliza en la detección de alergias y en medicina veterinaria . Algunos profesionales de la medicina alternativa promueven su uso para el cribado mamario , a pesar de que la FDA advierte que "aquellas que opten por este método en lugar de la mamografía pueden perder la oportunidad de detectar el cáncer en su fase más temprana". [1] El personal del gobierno y del aeropuerto utilizó la termografía para detectar casos sospechosos de gripe porcina durante la pandemia de 2009. [2]
La termografía tiene una larga historia, aunque su uso ha aumentado dramáticamente con las aplicaciones comerciales e industriales de los últimos cincuenta años. Los bomberos utilizan la termografía para ver a través del humo , encontrar personas y localizar la base de un incendio. Los técnicos de mantenimiento utilizan la termografía para localizar juntas y secciones de líneas eléctricas sobrecalentadas , que son señal de falla inminente. Los técnicos de construcción de edificios pueden ver firmas térmicas que indican fugas de calor en un aislamiento térmico defectuoso y pueden utilizar los resultados para mejorar la eficiencia de las unidades de calefacción y aire acondicionado.
La apariencia y el funcionamiento de una cámara termográfica moderna suelen ser similares a los de una videocámara . A menudo, el termograma en vivo revela las variaciones de temperatura con tanta claridad que no es necesaria una fotografía para el análisis. Por lo tanto, no siempre hay un módulo de grabación integrado.
Las cámaras termográficas especializadas utilizan matrices de plano focal (FPA) que responden a longitudes de onda más largas (infrarrojas de longitud de onda media y larga). Los tipos más comunes son InSb , InGaAs , HgCdTe y QWIP FPA. Las tecnologías más nuevas utilizan microbolómetros no refrigerados y de bajo coste como sensores FPA. Su resolución es considerablemente inferior a la de las cámaras ópticas, principalmente 160x120 o 320x240 píxeles , hasta 1280 x 1024 [3] para los modelos más caros. Las cámaras termográficas son mucho más caras que sus contrapartes de espectro visible, y los modelos de gama alta a menudo tienen restricciones de exportación debido a los usos militares de esta tecnología. Los bolómetros más antiguos o los modelos más sensibles, como el InSb, requieren enfriamiento criogénico , generalmente mediante un refrigerador de ciclo Stirling en miniatura o nitrógeno líquido .
Las imágenes térmicas, o termogramas, son en realidad presentaciones visuales de la cantidad de energía infrarroja emitida, transmitida y reflejada por un objeto. Debido a que existen múltiples fuentes de energía infrarroja, es difícil obtener una temperatura precisa de un objeto utilizando este método. Una cámara termográfica es capaz de realizar algoritmos para interpretar esos datos y construir una imagen. Aunque la imagen muestra al espectador una aproximación de la temperatura a la que está funcionando el objeto, la cámara en realidad utiliza múltiples fuentes de datos basadas en las áreas que rodean el objeto para determinar ese valor en lugar de detectar la temperatura real. [4]
Este fenómeno puede resultar más claro si se considera la fórmula:
donde la potencia radiante incidente es el perfil de potencia radiante cuando se ve a través de una cámara termográfica. La potencia radiante emitida es generalmente lo que se pretende medir; potencia radiante transmitida es la potencia radiante que atraviesa el sujeto desde una fuente térmica remota, y; La potencia radiante reflejada es la cantidad de potencia radiante que se refleja en la superficie del objeto desde una fuente térmica remota.
Este fenómeno ocurre en todas partes, todo el tiempo. Es un proceso conocido como intercambio de calor radiante, ya que potencia radiante × tiempo es igual a energía radiante . Sin embargo, en el caso de la termografía infrarroja, la ecuación anterior se utiliza para describir la potencia radiante dentro de la banda de paso de longitud de onda espectral de la cámara termográfica en uso. Los requisitos de intercambio de calor radiante descritos en la ecuación se aplican igualmente en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético .
Si el objeto irradia a una temperatura más alta que su entorno, entonces se producirá una transferencia de energía y la energía se irradiará de lo cálido a lo frío siguiendo el principio establecido en la segunda ley de la termodinámica . Entonces, si hay un área fría en el termograma, ese objeto absorberá la radiación emitida por el objeto cálido.
La capacidad de los objetos para emitir se llama emisividad , la de absorber radiación se llama absortividad . En ambientes exteriores, es posible que también sea necesario considerar el enfriamiento convectivo causado por el viento al intentar obtener una lectura de temperatura precisa.
A continuación, la cámara termográfica emplearía una serie de algoritmos matemáticos. Dado que la cámara sólo puede ver la radiación electromagnética que es imposible de detectar con el ojo humano , creará una imagen en el visor y grabará una imagen visible, generalmente en formato JPG .
Para desempeñar la función de registrador de temperatura sin contacto, la cámara cambiará la temperatura del objeto que se está viendo con su configuración de emisividad.
Se pueden utilizar otros algoritmos para afectar la medición, incluida la capacidad de transmisión del medio de transmisión (generalmente aire) y la temperatura de ese medio de transmisión. Todas estas configuraciones afectarán el resultado final de la temperatura del objeto que se está viendo.
Esta funcionalidad convierte a la cámara termográfica en una excelente herramienta para el mantenimiento de sistemas eléctricos y mecánicos en la industria y el comercio. Utilizando la configuración adecuada de la cámara y teniendo cuidado al capturar la imagen, se pueden escanear los sistemas eléctricos y encontrar problemas. Las fallas en las trampas de vapor en los sistemas de calefacción por vapor son fáciles de localizar.
En el ámbito del ahorro de energía, la cámara termográfica puede hacer más. Debido a que puede ver la temperatura de radiación efectiva de un objeto, así como hacia dónde irradia ese objeto, también puede ayudar a localizar fuentes de fugas térmicas y regiones sobrecalentadas.
Emisividad es un término que a menudo se malinterpreta y se utiliza incorrectamente. Representa la capacidad de un material para emitir radiación térmica y es una propiedad óptica de la materia .
Cada material tiene una emisividad diferente, que puede variar según la temperatura y la longitud de onda infrarroja. [5] Por ejemplo, las superficies metálicas limpias tienen una emisividad que disminuye en longitudes de onda más largas; muchos materiales dieléctricos, como el cuarzo (SiO 2 ), el zafiro (Al 2 O 3 ), el fluoruro de calcio (CaF 2 ), etc., tienen una emisividad que aumenta a longitudes de onda más largas; Los óxidos simples, como el óxido de hierro (Fe 2 O 3 ), muestran una emisividad relativamente plana en el espectro infrarrojo.
La emisividad de un material puede variar desde un teórico 0,00 (completamente no emisor) hasta un igualmente teórico 1,00 (completamente emisor). Un ejemplo de sustancia con baja emisividad sería la plata, con un coeficiente de emisividad de 0,02. Un ejemplo de una sustancia con alta emisividad sería el asfalto, con un coeficiente de emisividad de 0,98.
Un cuerpo negro es un objeto teórico con una emisividad de 1 que irradia radiación térmica característica de su temperatura de contacto. Es decir, si la temperatura de contacto de un radiador de cuerpo negro térmicamente uniforme fuera de 50 °C (122 °F), el cuerpo negro emitiría una radiación térmica característica de 50 °C (122 °F).
Un objeto ordinario emite menos radiación infrarroja que un cuerpo negro teórico. La fracción de su emisión real respecto de la emisión teórica (del cuerpo negro) es su emisividad (o coeficiente de emisividad).
Para realizar una medición de la temperatura de un objeto utilizando un generador de imágenes infrarrojas, es necesario estimar o determinar la emisividad del objeto. Para un trabajo rápido, un termógrafo puede consultar una tabla de emisividad para un tipo determinado de objeto e ingresar ese valor en la cámara. Luego, el generador de imágenes calcularía la temperatura de contacto del objeto en función del valor ingresado en la tabla y la emisión de radiación infrarroja del objeto detectada por el generador de imágenes.
Para obtener una medición de temperatura más precisa, un termógrafo puede aplicar un material estándar de alta emisividad conocida a la superficie del objeto. El material estándar puede ser tan complejo como un spray de emisividad industrial producido específicamente para este propósito, o tan simple como una cinta aislante negra estándar , con una emisividad de aproximadamente 0,97. La temperatura conocida del objeto se puede medir utilizando la emisividad estándar. Si se desea, la emisividad real del objeto (en una parte del objeto que no está cubierta por el material estándar) se puede determinar ajustando la configuración del generador de imágenes a la temperatura conocida. Sin embargo, hay situaciones en las que dicha prueba de emisividad no es posible debido a condiciones peligrosas o inaccesibles. En estas situaciones, el termógrafo debe basarse en tablas.
Una cámara termográfica (también llamada cámara infrarroja o cámara termográfica , cámara térmica o cámara termográfica ) es un dispositivo que crea una imagen utilizando radiación infrarroja (IR), similar a una cámara normal que forma una imagen utilizando 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 .
Las cámaras termográficas se pueden dividir en dos tipos: aquellas con detectores de imágenes infrarrojas refrigerados y aquellas con detectores no refrigerados.
Los detectores enfriados suelen estar contenidos en una caja sellada al vacío o Dewar y enfriados criogénicamente . La refrigeración es necesaria 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. [6]
Sin enfriamiento, estos sensores (que detectan y convierten la luz de manera muy similar a las cámaras digitales comunes, pero están hechos de materiales diferentes) quedarían "cegados" o inundados por su propia radiación. Los inconvenientes de las cámaras infrarrojas refrigeradas son que su producción y su funcionamiento son caros. La refrigeración consume mucha energía y mucho tiempo.
Es posible que la cámara necesite varios minutos para enfriarse antes de que pueda empezar a funcionar. Los sistemas de refrigeración más utilizados son los refrigeradores Peltier que, aunque ineficientes y con una capacidad de refrigeración limitada, son relativamente simples y compactos. Para obtener una mejor calidad de imagen o para obtener imágenes de objetos a baja temperatura, se necesitan crioenfriadores con motor Stirling . Aunque el aparato de enfriamiento puede ser comparativamente voluminoso y costoso, las cámaras infrarrojas enfriadas proporcionan 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 número F más alto , lo que hace que las lentes de alto rendimiento con distancia focal larga sean más pequeñas y más baratas para los detectores refrigerados.
Una alternativa a los refrigeradores de motores Stirling es utilizar 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 se pasa a través de un intercambiador de calor en miniatura, lo que genera un enfriamiento regenerativo mediante el efecto Joule-Thomson . Para tales sistemas, el suministro de gas presurizado es una preocupación logística para uso en el campo.
Los materiales utilizados para la detección infrarroja enfriada incluyen fotodetectores basados en una amplia gama de semiconductores de espacio estrecho , incluidos antimonuro de indio (3-5 μm), arseniuro de indio , telururo de mercurio y cadmio (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm). 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 .
Existen varias tecnologías de bolómetros refrigerados superconductores y no superconductores.
En principio, los dispositivos de unión de túneles superconductores podrían usarse como sensores de infrarrojos debido a su espacio muy estrecho. Se han demostrado pequeñas matrices. 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 son capaces de registrar fotones individuales. Por ejemplo, la cámara superconductora (SCAM) de la ESA . Sin embargo, no se utilizan habitualmente fuera de la investigación científica.
Las cámaras térmicas no refrigeradas utilizan un sensor que funciona a temperatura ambiente o un sensor estabilizado a una temperatura cercana a la ambiental mediante pequeños elementos de control de temperatura. Todos los detectores modernos no refrigerados utilizan sensores que funcionan mediante el cambio de resistencia , voltaje o corriente cuando se calientan con radiación infrarroja. Luego, estos cambios se miden y se comparan con los valores a la temperatura de funcionamiento del sensor.
Los sensores infrarrojos no refrigerados 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 refrigeradores criogénicos voluminosos, costosos y que consuman 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 diferencias en sus procesos de fabricación, limitados por la tecnología disponible actualmente. Una cámara térmica no refrigerada 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 . [7] Con el material se forman píxeles con propiedades altamente dependientes de la temperatura, que se aíslan térmicamente 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 carga de polarización altamente dependiente de la temperatura. El NETD alcanzado por detectores ferroeléctricos con óptica f/1 y sensores de 320x240 es de 70-80 mK. Un posible conjunto de sensor consiste en titanato de bario y estroncio unido mediante una conexión aislada térmicamente de poliimida .
Los microbolómetros de silicio pueden alcanzar NETD hasta 20 mK. Consisten en una capa de silicio amorfo o un elemento sensor de óxido de vanadio (V) de película delgada suspendido sobre 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 los conjuntos de plano focal no refrigerados (UFPA) se centran principalmente en una mayor sensibilidad y densidad de píxeles. En 2013, DARPA anunció una cámara LWIR de cinco micrones que utiliza una matriz de plano focal (FPA) de 1280 x 720. [8] Algunos de los materiales utilizados para los conjuntos de sensores son silicio amorfo (a-Si), óxido de vanadio (V) (VOx), [9] manganita de lantano y bario (LBMO), titanato de circonato de plomo (PZT), plomo dopado con lantano . titanato de circonato (PLZT), tantalato de plomo y escandio (PST), titanato de plomo y lantano (PLT), titanato de plomo (PT), niobato de plomo y zinc (PZN), titanato de plomo y estroncio (PSrT), titanato de bario y estroncio (BST), titanato de bario ( BT), yoduro de sulfo de antimonio (SbSI) y difluoruro de polivinilideno (PVDF).
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), la 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.
La película IR es sensible a la radiación infrarroja (IR) en el rango de 250 a 500 °C (482 a 932 °F), mientras que el rango de termografía es aproximadamente de -50 a 2000 °C (-58 a 3632 °F). Entonces, para que una película IR funcione termográficamente, el objeto medido debe estar a más de 250 °C (482 °F) o reflejar la radiación infrarroja de algo que esté al menos a esa temperatura.
Los dispositivos de visión nocturna por infrarrojos obtienen imágenes en el infrarrojo cercano, justo más allá del espectro visual, y pueden ver el infrarrojo cercano emitido o reflejado en completa oscuridad visual. Sin embargo, nuevamente, estos no se usan generalmente para termografía debido a los requisitos de alta temperatura, sino que se usan con fuentes activas de infrarrojo cercano.
Los dispositivos de visión nocturna tipo Starlight generalmente solo magnifican la luz ambiental .
Todos los objetos por encima de la temperatura del cero absoluto (0 K ) emiten radiación infrarroja . Por lo tanto, una excelente manera de medir las variaciones térmicas es utilizar un dispositivo de visión infrarroja , generalmente una cámara infrarroja de matriz de plano focal (FPA) capaz de detectar radiación infrarroja de onda media (3 a 5 μm) y larga (7 a 14 μm). bandas, denominadas MWIR y LWIR, correspondientes a dos de las ventanas infrarrojas de alta transmitancia . Los perfiles de temperatura anormales en la superficie de un objeto son una indicación de un problema potencial. [10]
En termografía pasiva , las características de interés se encuentran naturalmente a una temperatura mayor o menor que la del fondo. La termografía pasiva tiene muchas aplicaciones como la vigilancia de personas en un lugar y el diagnóstico médico (específicamente termología ).
En termografía activa , se requiere una fuente de energía para producir un contraste térmico entre la característica de interés y el fondo. El enfoque activo es necesario en muchos casos dado que las piezas inspeccionadas suelen estar en equilibrio con el entorno. Dadas las superlinealidades de la radiación del cuerpo negro , la termografía activa también se puede utilizar para mejorar la resolución de los sistemas de imágenes más allá de su límite de difracción o para lograr una microscopía de superresolución . [11]
La termografía muestra una imagen visual para poder comparar las temperaturas en un área grande. [12] [13] [14] Es capaz de capturar objetivos en movimiento en tiempo real. [12] [13] [14] Es capaz de encontrar deterioro, es decir, componentes con temperaturas más altas antes de que fallen. Puede usarse para medir u observar en áreas inaccesibles o peligrosas para otros métodos. Es un método de prueba no destructivo. Puede utilizarse para encontrar defectos en ejes, tuberías y otras piezas de metal o plástico. [15] Se puede utilizar para detectar objetos en áreas oscuras. Tiene alguna aplicación médica, fundamentalmente en fisioterapia .
Hay varias cámaras más baratas y más caras. Las cámaras de calidad suelen tener un precio elevado (a menudo 3.000 dólares estadounidenses o más) debido al coste de la matriz de píxeles más grande (de última generación, 1280 x 1024), mientras que los modelos menos costosos (con matrices de píxeles de 40 x 40 hasta 160 x 120 píxeles) son también disponible. Menos píxeles reducen la calidad de la imagen, lo que hace más difícil distinguir objetivos próximos dentro del mismo campo de visión.
También hay una diferencia en la frecuencia de actualización. Es posible que algunas cámaras solo tengan un valor de actualización de 5 a 15 Hz, otras (por ejemplo, FLIR X8500sc [3] ) 180 Hz o incluso más en modo sin ventana completa.
Además la lente puede estar integrada o no.
Muchos modelos no proporcionan las mediciones de irradiancia utilizadas para construir la imagen de salida; la pérdida de esta información sin una calibración correcta de emisividad, distancia y temperatura ambiente y humedad relativa implica que las imágenes resultantes son mediciones de temperatura inherentemente incorrectas. [dieciséis]
Las imágenes pueden ser difíciles de interpretar con precisión cuando se basan en ciertos objetos, específicamente objetos con temperaturas erráticas, aunque este problema se reduce en las imágenes térmicas activas. [17]
Las cámaras termográficas crean imágenes térmicas basadas en la energía térmica radiante que recibe. [18] Como los niveles de radiación están influenciados por la emisividad y el reflejo de la radiación, como la luz solar, de la superficie que se mide, esto provoca errores en las mediciones. [19]
Las imágenes de las cámaras infrarrojas tienden a ser monocromáticas porque las cámaras generalmente utilizan un sensor de imagen que no distingue diferentes longitudes de onda de radiación infrarroja. Los sensores de imágenes 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 uniformemente al sistema de visión del color utilizado por los humanos.
A veces, estas imágenes monocromáticas se muestran en pseudocolor , donde se utilizan 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 finas de intensidad en áreas brillantes es bastante limitada.
Para su uso en la medición de temperatura, las partes más brillantes (más cálidas) de la imagen suelen ser de color blanco, las temperaturas intermedias de rojo y amarillo, y las partes más oscuras (más frías) de negro. Se debe mostrar una escala junto a una imagen en falso color para relacionar los colores con las temperaturas. Su resolución es considerablemente menor que la de las cámaras ópticas, en la mayoría de los casos sólo 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 caras que sus contrapartes de espectro visible, aunque en 2014 estuvieron disponibles cámaras térmicas adicionales de bajo rendimiento para teléfonos inteligentes por cientos de dólares. [20] Los modelos de gama alta a menudo se consideran equipos de grado militar de doble uso , y tienen restricciones de exportación, especialmente si la resolución es 640 x 480 o superior, a menos que la frecuencia de actualización sea de 9 Hz o menos. La exportación de cámaras térmicas está regulada por el Reglamento de Tráfico Internacional de Armas . Una cámara térmica se incorporó por primera vez a 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 sólo una diferencia de 0,03 °C en el sensor. El tiempo de respuesta de los píxeles también es bastante lento, del orden de decenas de milisegundos.
La termografía encuentra muchos otros usos. Por ejemplo, los bomberos lo utilizan 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, una señal reveladora de su falla, para eliminar peligros potenciales. Cuando el aislamiento térmico resulta defectuoso, los técnicos de construcción de edificios pueden detectar fugas de calor para mejorar la eficiencia del aire acondicionado de refrigeración o calefacción.
También se instalan cámaras termográficas en algunos coches de lujo para ayudar al conductor ( visión nocturna del automóvil ), siendo el primero el Cadillac DeVille del año 2000 .
Algunas actividades fisiológicas, en particular respuestas como la fiebre , en seres humanos y otros animales de sangre caliente también pueden controlarse mediante imágenes termográficas. Se pueden encontrar cámaras infrarrojas refrigeradas en los principales telescopios de investigación astronómica , incluso en aquellos que no son telescopios infrarrojos .
Las aplicaciones incluyen:
Las cámaras termográficas convierten la energía de la longitud de onda infrarroja en una visualización de luz visible. Todos los objetos por encima del cero absoluto emiten energía térmica infrarroja, por lo que las cámaras térmicas pueden ver pasivamente todos los objetos, independientemente de la luz ambiental. Sin embargo, la mayoría de las cámaras térmicas solo ven objetos a más de -50 °C (-58 °F).
El espectro y la cantidad de radiación térmica dependen en gran medida de la temperatura de la superficie de un objeto . Esto hace posible que una cámara termográfica muestre la temperatura de un objeto. Sin embargo, otros factores también influyen en la radiación, lo que limita la precisión de esta técnica. Por ejemplo, la radiación no sólo depende de la temperatura del objeto, sino que también es función de la emisividad del objeto. Además, la radiación se origina en el entorno y se refleja en el objeto, y la radiación del objeto y la radiación reflejada también se verán influenciadas por la absorción de la atmósfera .
Campos en los que se utilizan estas técnicas:
La termografía, por definición, se realiza mediante un instrumento (artefacto), pero algunos seres vivos tienen órganos naturales que funcionan como contrapartes de los bolómetros y, por lo tanto, poseen un tipo tosco de capacidad de obtención de imágenes térmicas ( termocepción ). Uno de los ejemplos más conocidos es la detección infrarroja en serpientes .
Los sensores CCD y CMOS no especializados tienen la mayor parte de su sensibilidad espectral en el rango de longitud de onda de la luz visible. Sin embargo, al utilizar el área "final" de su sensibilidad espectral, es decir, la parte del espectro infrarrojo llamada infrarrojo cercano (NIR), y al usar una cámara CCTV disponible en el mercado, es posible, bajo ciertas circunstancias, obtener imágenes térmicas reales. de objetos con temperaturas de aproximadamente 280 °C (536 °F) y superiores. [37]
A partir de temperaturas de 600 °C se han utilizado también cámaras económicas con sensores CCD y CMOS para la pirometría en el espectro visible. Se han utilizado para hollín en llamas, quema de partículas de carbón, materiales calentados, filamentos de SiC y brasas humeantes. [38] Esta pirometría se ha realizado utilizando filtros externos o únicamente los filtros Bayer del sensor . Se ha realizado utilizando proporciones de color, escalas de grises y/o un híbrido de ambas.
El infrarrojo fue descubierto en 1800 por Sir William Herschel como una forma de radiación más allá de la luz roja. [39] Estos "rayos infrarrojos" (infra es el prefijo latino para "abajo") se utilizaron principalmente para mediciones térmicas. [40] 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 los detectores se produjo en 1829, cuando Leopoldo Nobili , utilizando el efecto Seebeck , creó el primer termopar conocido , fabricando un termómetro mejorado, una termopila tosca . Describió este instrumento a Macedonio Melloni . Inicialmente, desarrollaron conjuntamente un instrumento muy mejorado. Posteriormente, Melloni trabajó solo, creando en 1833 un instrumento (una termopila multielemento ) que podía detectar a una persona a 10 metros de distancia. [41] El siguiente paso significativo en la mejora de los detectores fue el bolómetro, inventado en 1880 por Samuel Pierpont Langley . [42] Langley y su asistente Charles Greeley Abbot continuaron realizando mejoras en 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. [43] [44] 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. [45] Esto pronto fue superado por el primer detector de icebergs IR preciso, que No utilizaba termopilas, patentado en 1914 por RD Parker. [46] A esto le siguió la propuesta de GA Barker de utilizar el sistema IR para detectar incendios forestales en 1934. [47] La técnica no se industrializó genuinamente hasta que se utilizó para analizar la uniformidad del calentamiento en tiras de acero calientes en 1935. [48]
En 1929, el físico húngaro Kálmán Tihanyi inventó la cámara de televisión electrónica sensible a infrarrojos (visión nocturna) para la defensa antiaérea en Gran Bretaña. [49] La primera cámara termográfica estadounidense desarrollada fue un escáner de línea infrarroja. Fue creado por el ejército estadounidense y Texas Instruments en 1947 [50] [ verificación fallida ] y tardó una hora en producir una sola imagen. Si bien se investigaron varios enfoques para mejorar la velocidad y 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 enfriado. [51]
El primer sistema británico de escaneo de líneas infrarrojas fue Yellow Duckling de mediados de la década de 1950. [52] Este utilizó un espejo y un detector que giraban continuamente, con escaneo en el eje Y mediante el movimiento del avión de transporte. Aunque no tuvo éxito en su aplicación prevista de seguimiento submarino mediante detección de estelas, se aplicó a la vigilancia terrestre y se convirtió en la base del escaneo lineal por infrarrojos militar.
Este trabajo se desarrolló aún más en el Royal Signals and Radar Establishment del 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, [ se necesita más explicación ] pero escaneaban mecánicamente. Este método tenía varias desventajas que podrían superarse utilizando un sistema de escaneo electrónico. En 1969, Michael Francis Tompsett , de la English Electric Valve Company del 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. [53] Tompsett también propuso una idea para matrices de imágenes térmicas de estado sólido, que eventualmente condujo a modernos dispositivos de imágenes hibridados de un solo cristal. [51]
Al utilizar tubos de cámara de vídeo como los vidicones con un material piroeléctrico como el sulfato de triglicina (TGS) como objetivo, es posible obtener un vidicón sensible en una amplia porción del espectro infrarrojo [54] . Esta tecnología fue precursora de la tecnología moderna de microbolómetros y se utilizó principalmente en cámaras térmicas de extinción de incendios. [55]
Una de las áreas esenciales de desarrollo de los sistemas de seguridad fue la capacidad de evaluar inteligentemente una señal, así como advertir de la presencia de una amenaza. Con el apoyo de la Iniciativa de Defensa Estratégica de Estados Unidos , comenzaron a aparecer "sensores inteligentes". Se trata de sensores que podrían integrar detección, extracción, procesamiento y comprensión de señales. [56] Hay dos tipos principales de sensores inteligentes. Uno, similar a lo que se denomina " chip de visión " cuando se utiliza en el rango visible, permite el preprocesamiento utilizando técnicas de detección inteligentes debido al aumento en el crecimiento de los microcircuitos integrados. [57] La otra tecnología está más orientada a un uso específico y cumple su objetivo de preprocesamiento a través de su diseño y estructura. [58]
Hacia finales de la década de 1990, el uso de infrarrojos se estaba convirtiendo en un uso civil. Hubo una reducción espectacular de los costos de los paneles no refrigerados, lo que, junto con el aumento significativo de los desarrollos, condujo a un mercado de doble uso que abarca tanto usos civiles como militares. [59] Estos usos incluyen control ambiental, análisis de edificios/arte, diagnósticos médicos funcionales y sistemas de guía y prevención de colisiones para automóviles . [60] [61] [62] [63] [64] [65]
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