Le marché de l’imagerie thermique infrarouge est en plein essor : réduction des coûts, normalisation et intelligence

La technologie d’imagerie thermique infrarouge n’était autrefois utilisée que pour des applications haut de gamme telles que la défense nationale et l’armée, mais au cours des dernières décennies, elle est progressivement devenue une technologie plus courante. Avec la popularité croissante des caméras thermiques portables dans les applications de maintenance et de dépannage électrique, on prend de plus en plus conscience des avantages industriels de cette technologie.

En 2020, nous avons à nouveau rencontré la nouvelle épidémie de couronne, et un grand nombre de solutions d'imagerie thermique infrarouge ont logiquement afflué sur le marché. Diverses technologies de capteurs d’imagerie thermique et caméras sont utilisées pour la détection de la chaleur, bien que techniquement, les capteurs d’imagerie thermique ne puissent mesurer que la température de la surface de la peau.

Néanmoins, l’imagerie thermique infrarouge reste mystérieuse pour de nombreux utilisateurs finaux. Même le personnel le plus qualifié peut être à court de techniques d’imagerie par lumière non visible. Ce n’est pas inhabituel, car les humains n’ont pas la capacité visuelle de percevoir visuellement la température.

Pour mieux comprendre les performances des caméras infrarouges et des caméras thermiques , les utilisateurs doivent comprendre le fonctionnement des caméras thermiques infrarouges et la physique impliquée. Contrairement aux caméras de vision industrielle standard qui fonctionnent dans le spectre visible (bande de 400 nm à 700 nm), les caméras infrarouges et la technologie d'imagerie thermique couvrent une plage spectrale plus large, qui est subdivisée en trois bandes principales : 0,9 μm à 1,7 μm. La bande appartient aux ondes courtes. infrarouge (SWIR), la bande de 3 μm à 5 μm appartient à l’infrarouge à ondes moyennes (MWIR) et la bande de 8 μm à 14 μm appartient à l’infrarouge à ondes longues (LWIR).

Les bandes spectrales sont principalement définies par les caractéristiques de la technologie des détecteurs dans différents types de caméras. Les bandes spectrales proviennent des longueurs d'onde sensibles du matériau détecteur. Selon les principes scientifiques, la littérature physique peut classer la spectroscopie infrarouge de différentes manières.

Une brève introduction à l'infrarouge à ondes longues

LWIR collecte la lumière dans la bande spectrale de 8 μm à 14 μm, la gamme de longueurs d'onde de la plupart des caméras thermiques disponibles. En fait, selon la loi de Planck, les cibles au sol sont principalement émises en LWIR. Les applications du système LWIR incluent l'imagerie thermique/contrôle de la température, la maintenance prédictive, la détection des fuites de gaz, l'imagerie de scènes sur une très large plage de température (et nécessitant une large plage dynamique), l'imagerie de fumée, etc... les deux plus couramment utilisées. Les détecteurs non refroidis dans Les LWIR sont constitués de silicium amorphe (a-Si) et d'oxyde de vanadium (VOx), tandis que les détecteurs refroidis dans cette région sont principalement du HgCdTe.

Microbolomètres : une technique d’imagerie thermique plus économique

Le véritable effet thermique à température ambiante et en dessous se manifeste dans les bandes de 3 μm et plus. Les appareils d'imagerie capables de capturer ces effets thermiques sont souvent considérés comme de véritables caméras thermiques. Le terme « caméra infrarouge » ne fait pas uniquement référence à cette partie des appareils d'imagerie thermique, car la plupart des signaux qu'ils captent proviennent du rayonnement infrarouge à ondes longues.

Les détecteurs MWIR peuvent également être utilisés en imagerie thermique. Cependant, ils présentent un inconvénient commun : ils sont très chers. Le prix de vente médian d'un détecteur de 640 x 512 pixels est d'environ 70 000 $. Ces détecteurs sont chers car ils doivent être refroidis à environ 75K (ou -198,15℃). Le matériau du détecteur lui-même est très sensible au rayonnement thermique, provoquant ainsi une saturation immédiate du capteur à température ambiante.

Dans les caméras MWIR modernes, le refroidissement cryogénique est réalisé par un refroidisseur Stirling en circuit fermé situé à l'intérieur du boîtier de la caméra. Dans le passé, le refroidissement de telles caméras nécessitait l’utilisation de grands cylindres remplis d’azote liquide.

Une option plus économique est une caméra thermique avec un détecteur microbolomètre intégré. En fonction de la résolution en pixels, des niveaux de bruit du détecteur et de la précision des mesures de température, ces caméras peuvent démarrer à moins de 1 000 $ avec une résolution de 80 x 60 pixels. Les microbolomètres fonctionnent très différemment des détecteurs de photons classiques et sont principalement basés sur de minuscules pixels thermiquement résistifs. Certaines de ces caméras utilisent principalement des éléments de refroidissement thermoélectriques, plus faciles à utiliser. Lorsque ces pixels sont exposés au rayonnement infrarouge (chaleur), leur résistance change. Aucune réfrigération à basse température n'est requise, le fonctionnement est plus simple et le coût est inférieur.

Chaque pixel d'une caméra LWIR possède une masse physique qui doit capter le rayonnement thermique de l'objet sur lequel il est pointé pour le chauffer. Cela donne une constante de temps fixe pour le temps nécessaire à chaque pixel pour se réchauffer avant que la caméra ne lise le changement de résistance. Cette constante est généralement comprise entre 8 et 14 millisecondes, selon la taille des pixels. L’inconvénient de ces détecteurs est que la constante de temps présente des défis lorsqu’il s’agit d’imager des objets en mouvement.

Huit millisecondes peuvent sembler une courte période, cependant, en fonction du champ de vision de la caméra et de la vitesse de l'objet imagé, un flou de mouvement peut être perceptible dans l'image capturée. Pendant le temps d'intégration (c'est-à-dire la constante de temps), un flou de mouvement se produit lorsqu'une partie de l'objet passe le pixel du détecteur. En d’autres termes, le pixel peut ne pas avoir pleinement intégré le rayonnement thermique qu’il tente de capturer avant que l’objet ne se déplace vers un pixel adjacent. En conséquence, cela peut provoquer des effets de moyenne de température, ce qui peut entraîner des erreurs de mesure et d’autres problèmes.

Le flou de mouvement n’est pas le seul type de flou en imagerie thermique. Le contraste des images thermiques étant dû aux changements de température, la plupart des images thermiques semblent floues. Ce flou n’est pas le résultat d’une mise au point ou d’un manque de mise au point. Plus précisément, cela est dû aux fonctions thermodynamiques physiques.

L'énergie thermique circule des régions plus chaudes avec une énergie plus élevée vers des régions plus froides avec une énergie plus faible. Ce comportement est totalement dynamique, entraînant des transitions de température ou des gradients thermiques. Les changements de température sont représentés dans les images thermiques sous forme de changements de luminosité : le blanc représente les zones plus chaudes, le noir représente les zones plus froides et une transition grise se produit entre les zones plus chaudes et plus froides.

Ces transitions rendent les bords de l’image flous. Cet effet n'est généralement pas observé dans les applications de vision industrielle standard, qui reposent davantage sur l'effet de la lumière réfléchie par une surface ou un élément. Ce motif de réflexion est constant, tout comme le contraste qu’il produit dans l’image. Les images thermiques n'apparaissent plus nettes que lorsque la luminosité change ou lorsque les zones plus chaudes sont thermiquement isolées des zones environnantes. C’est ce comportement dynamique provoqué par la diffusion thermique qui suggère que l’imagerie thermique pourrait avoir davantage à voir avec le traitement du signal qu’avec le traitement de l’image.

Comprendre l'émissivité

L'émissivité est probablement le phénomène le plus important à comprendre lors de l'étude des caméras thermiques. Il s’agit donc généralement de l’un des sujets les plus brûlants des cours et séminaires sur l’imagerie thermique. En termes simples, l'émissivité caractérise la capacité d'un solide à rayonner de l'énergie infrarouge. L'émissivité est principalement composée de trois composantes : la réflexion, la transmission et l'énergie rayonnante. La somme de ces facteurs doit être égale à 1.

Étant donné que la plupart des matériaux ne transmettent pas le rayonnement infrarouge, l’imagerie concerne principalement l’énergie réfléchie et rayonnée. Dans ce cas, le processus de dérivation peut rendre difficile la mesure de la température de l’objet réfléchissant la chaleur. Par exemple, essayer de déterminer la température d’un réservoir en acier inoxydable brillant est considéré comme une application d’imagerie thermique impossible à moins que l’émissivité de la surface du réservoir ne puisse être modifiée. Si cela est autorisé, de la peinture noire peut être appliquée sur une zone du réservoir pour augmenter son émissivité à 0,9 ou plus. Grâce à la conductivité thermique, ce revêtement à haute émissivité absorbera la température de la surface du réservoir. Le revêtement aide ensuite à transmettre l’énergie à la caméra thermique, permettant ainsi des mesures précises de la température.

Lorsqu'il s'agit d'applications impliquant des surfaces à faible émissivité qui ne peuvent pas être modifiées, une mesure par des méthodes de contact (par exemple, connexion d'un thermocouple physique) peut être nécessaire.

Un autre facteur à prendre en compte lors de l’utilisation d’une caméra thermique en vision industrielle est la résolution spatiale disponible de la caméra thermique. Pour les applications commerciales, les caméras thermiques ont une résolution maximale d’environ 1,3 MP, les caméras plus économiques offrant 640×480 ou 640×512 pixels. Cette résolution est dérisoire par rapport aux caméras de vision industrielle de pointe, qui offrent 70 MP, voire 100 MP. Les caméras infrarouges ont donc encore beaucoup à faire.

Les matériaux des lentilles des caméras thermiques sont spéciaux. Le plus typique est le germanium (Ge). Le verre borosilicate standard bloque la lumière infrarouge à ondes moyennes et infrarouges à ondes longues, ce qui le rend impropre comme matériau optique pour les caméras thermiques.

Les fabricants d'appareils photo doivent calibrer leurs objectifs en fonction de l'appareil photo lui-même, c'est pourquoi de nombreux fabricants d'appareils photo sont également leurs fournisseurs d'objectifs. Par conséquent, il n’est pas rare que chaque caméra thermique n’offre que 1 à 5 options d’objectif, ce qui complique la conception du système d’imagerie.

La situation est encore plus compliquée si la caméra thermique a également besoin d'un boîtier pour la protéger des environnements difficiles. Dans ce cas, la fenêtre de visualisation doit également être équipée d'un verre transmettant les infrarouges en germanium ou en un autre matériau approprié.

Conclusion

Malgré ces défis et lacunes, les caméras thermiques deviennent de plus en plus importantes dans les applications d'imagerie industrielles et non industrielles. Les caméras thermiques brilleront à leur manière.

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