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 .
El infrarrojo fue descubierto en 1800 por Sir William Herschel como una forma de radiación más allá de la luz roja. [1] Estos "rayos infrarrojos" (infra es el prefijo latino para "abajo") se utilizaron principalmente para mediciones térmicas. [2] 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. [3] El siguiente paso significativo en la mejora de los detectores fue el bolómetro, inventado en 1880 por Samuel Pierpont Langley . [4] 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. [5] [6] 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 el sector 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. [7] Esto pronto fue superado por el primer detector de icebergs IR preciso, que No utilizaba termopilas, patentado en 1914 por RD Parker. [8] A esto le siguió la propuesta de GA Barker de utilizar el sistema IR para detectar incendios forestales en 1934. [9] La técnica no se industrializó genuinamente hasta que se utilizó para analizar la uniformidad del calentamiento en tiras de acero calientes en 1935. [10]
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. [11] La primera cámara termográfica estadounidense desarrollada fue un escáner de línea infrarroja. Fue creado por el ejército estadounidense y Texas Instruments en 1947 [12] [ 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. [13]
El primer sistema británico de escaneo de líneas infrarrojas fue Yellow Duckling de mediados de la década de 1950. [14] 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. [15] 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. [13]
Al utilizar tubos de cámara de vídeo como los vidicons con un material piroeléctrico como el sulfato de triglicina (TGS) como objetivo, es posible un vidicon sensible en una amplia porción del espectro infrarrojo [16] . Esta tecnología fue precursora de la tecnología moderna de microbolómetros y se utilizó principalmente en cámaras térmicas de extinción de incendios. [17]
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. [18] 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. [19] La otra tecnología está más orientada a un uso específico y cumple su objetivo de preprocesamiento a través de su diseño y estructura. [20]
Hacia finales de la década de 1990, el uso de infrarrojos se fue acercando al 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. [21] Estos usos incluyen control ambiental, análisis de edificios/arte, diagnóstico médico funcional y sistemas de guía y prevención de colisiones para automóviles . [22] [23] [24] [25] [26] [27]
La energía infrarroja es sólo una parte del espectro electromagnético , que abarca la radiación de rayos gamma , rayos X , ultravioleta , una delgada región 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 determinada cantidad de radiación de cuerpo negro en función de su temperatura.
En términos generales, cuanto mayor es la temperatura de un objeto, más radiación infrarroja se emite en forma de radiación de cuerpo negro . Una cámara especial puede detectar esta radiación de forma similar a como una cámara normal detecta la luz visible. Funciona incluso en total oscuridad porque el nivel de luz ambiental no importa. Esto lo hace útil para operaciones de rescate en edificios llenos de humo y bajo tierra.
Una diferencia importante 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 radiación térmica es de 7 a 14 μm. Se deben utilizar materiales especiales como germanio , fluoruro de calcio, silicio cristalino o vidrios de calcogenuro especiales recientemente desarrollados. A excepción del fluoruro de calcio, todos estos materiales son bastante duros y tienen un alto índice de refracción (para el germanio n=4), lo que conduce a una reflexión de Fresnel muy alta en superficies no recubiertas (hasta más del 30%). Por este motivo, la mayoría de las lentes para cámaras térmicas tienen revestimientos antirreflectantes. El mayor coste de estas lentes especiales es una de las razones por las que las cámaras termográficas son más caras.
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 de manera uniforme en el 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. [28] 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 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. [29]
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 . [30] El material se utiliza para formar 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. [31] Algunos de los materiales utilizados para las matrices de sensores son silicio amorfo (a-Si), óxido de vanadio (V) (VOx), [32] 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).
Originalmente desarrolladas para uso militar durante la Guerra de Corea , [ cita necesaria ] las cámaras termográficas han migrado lentamente a otros campos tan variados como la medicina y la arqueología. Más recientemente, la bajada de precios ha ayudado a impulsar la adopción de la tecnología de visualización infrarroja. La óptica avanzada y las sofisticadas interfaces de software continúan mejorando la versatilidad de las cámaras IR.
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.
