Imagerie thermique — Rendre visibles les détails cachés

Nous aimons les chauds rayons du soleil d'été, profiter de se rafraîchir avec une boisson fraîche ou un plongeon rafraîchissant dans la piscine. Nous apprécions la touche chaleureuse d'une autre personne, savourons un thé chaud ou un feu de cheminée en hiver. Nous sentons la température, mais nous ne pouvons pas la "voir" avec nos yeux.

Les caméras thermiques rendent visible cette partie du spectre électromagnétique qui est cachée à nos yeux. Étant donné que pratiquement tous les objets de notre environnement émettent un rayonnement thermique, les caméras thermiques peuvent produire une image de l'environnement même dans l'obscurité absolue. Lorsqu'il est utilisé pour la sécurité et la surveillance, peu de choses restent cachées d'une caméra thermique.

Avec un étalonnage radiométrique complet, ces imageurs peuvent non seulement rendre visibles les différences de température, mais également fournir une mesure de température absolue. Une caméra thermique avec un capteur VGA et une fréquence d'images de 60 Hz peut fournir plus de 18,4 millions de mesures de température individuelles par seconde.

Miniaturisation et optimisation des performances

La production d'un imageur thermique simple qui visualise la chaleur (c'est-à-dire qui détecte et traduit la répartition relative de la chaleur d'une scène considérée en une image affichée) n'est plus à la pointe de la technologie. Vous pouvez accessoiriser votre iPhone avec un module complémentaire d'imageur thermique pour moins de 200 $. Le véritable défi technique commence par des exigences croissantes en matière de sensibilité et de précision de mesure - afficher les plus petites différences de température ou mesurer les températures aussi précisément que possible - tout en miniaturisant simultanément l'imageur thermique et en répondant toujours aux besoins de performance du marché plus large.

Les principaux fabricants actuels d'imageurs thermographiques combinent à la fois le NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) le plus bas et la meilleure précision de mesure de la température dans un seul appareil. Historiquement, ces caméras hautes performances étaient sensibles et précises, mais aussi grandes et lourdes. C'est là que les tendances de miniaturisation et d'intégration de systèmes ouvrent de nouvelles applications pour les caméras thermiques.

De plus en plus d'applications utilisent des imageurs thermiques, en les reliant à d'autres capteurs, tels que des caméras vidéo couleur ou des capteurs LiDAR. Les applications sont diverses et vont des caméras de surveillance intelligentes pour la sécurité publique et privée à l'automatisation des bâtiments; du contrôle des processus de fabrication aux aides pour les services de lutte contre les incendies et de sauvetage ; des solutions de vision nocturne pour les véhicules autonomes à la maintenance prédictive.

Paramètres de performance clés

Aussi diverses que soient ces applications, les exigences en matière de miniaturisation de la technologie d'imageur thermique et d'intégration de système le sont également - les caractéristiques de mesure, les détecteurs, les optiques, les interfaces de données, les boîtiers et d'autres paramètres de conception et de fabrication doivent être optimisés pour l'application spécifique. Cependant, une intégration facile dans des solutions système spécifiques à l'application est un défi particulier pour de nombreux OEM et intégrateurs de systèmes, car les imageurs thermiques puissants ne sont souvent proposés qu'en tant que produits standard avec une configurabilité limitée.

Les imageurs thermiques les plus efficaces sont conçus pour surmonter ces défis et combler exactement cette lacune du marché. Les performances et la facilité d'intégration de l'imageur thermique sont affectées par trois domaines :le détecteur, les capacités radiométriques de l'imageur et les fonctionnalités optiques et électriques proposées.

La technologie de détection avancée réduit constamment l'espacement pixel à pixel. Cette tendance a été largement induite par l'industrie de la téléphonie mobile et a été plus évidente dans les caméras visibles, mais a également contribué à améliorer les imageurs thermiques. Plus le pas de pixel du détecteur est petit – tout en maintenant ou en améliorant la sensibilité (NETD) et les performances de bruit – plus un imageur thermique est efficace. Un pas plus petit prend généralement en charge une puissance inférieure, des contraintes de conception mécanique plus petites et peut généralement s'adapter à des optiques f/# plus lentes (taille du système et économies de poids supplémentaires). De plus, les FPA à pas de pixel plus petit permettent également des imageurs thermiques à plus haute résolution sans pénalité significative en termes de taille, de poids et de puissance.

Les propriétés de performance radiométrique incluent l'extension des mesures de la région d'intérêt (ROI) uniquement aux mesures radiométriques complètes sur chaque pixel du FPA, une précision de mesure de température améliorée et des plages de température cible étendues.

La concurrence extrême sur le marché dans les secteurs des jeux, de la réalité virtuelle et augmentée, des smartphones, des télécommunications et des véhicules autonomes a considérablement augmenté les capacités de traitement électronique tout en réduisant l'empreinte des composants et la consommation d'énergie. Par conséquent, les concepteurs d'imageurs thermiques disposent d'un plus large éventail d'options de composants électroniques parmi lesquels ils n'existaient pas il y a quelques années. La plus grande variété d'options de composants facilite également la conception et l'intégration de systèmes plus compacts, plus efficaces et plus performants. Parallèlement, les techniques de fabrication optiques et opto-mécaniques ont également progressé, ce qui permet aux concepteurs de remplacer les optiques conventionnelles par des optiques non traditionnelles afin de réduire davantage la taille et le poids des sous-ensembles optiques. Ces tendances plus larges de l'industrie, associées aux progrès continus des détecteurs et de la radiométrie dans le segment de l'imagerie thermique, peuvent offrir aux équipementiers et aux intégrateurs de systèmes une large gamme de flexibilité lorsque le bon imageur thermique prend en charge ces options.

Échantillon de marché des imageurs thermiques radiométriques

Le tableau 1 résume un certain nombre de paramètres de performance clés pour cinq imageurs thermiques radiométriques actuels avec un format de pixel QVGA.

Pour illustrer certains des paramètres de performance clés identifiés dans la section précédente, nous nous concentrons sur la première entrée du tableau, le JENOPTIK EVIDIR. EVIDIR alpha est une famille d'imageurs infrarouges compacts "plug and play" qui offrent une variété d'options de configuration standard telles que le format vidéo (VGA ou QVGA), la fréquence d'images, l'obturateur mécanique ou le fonctionnement stable à long terme sans obturateur, plusieurs interfaces de communication standard (USB, GigE et CMOS) et options d'objectif pour permettre des champs de vision de l'imageur de 5 à 60 degrés.

Les imageurs sont entièrement fonctionnels en tant qu'appareils autonomes, mais ils ont été conçus pour faciliter l'intégration dans les applications OEM (fabricant d'équipement d'origine). L'approche « boîte à outils » d'EVIDIR des options de configuration disponibles est utilisée pour une personnalisation facile. Les options telles que les objectifs, l'obturateur, le format vidéo et l'interface de communication sont modulaires, ce qui permet au client de les mélanger et de les assortir pour mieux s'adapter à son application.

Les versions QVGA et VGA de l'imageur et des imageurs radiométriques partagent des interfaces mécaniques, optiques, électriques et de commande communes pour permettre une mise à niveau facile et minimiser le temps de développement OEM. Les imageurs sont construits autour de matrices de plans focaux de micro-bolomètres non refroidis de 12 μm de pixels et d'images thermiques stables et uniformes avec une norme NETD supérieure à 30 mK. Le cœur de l'imageur est un empilement à deux cartes composé d'un réseau plan focal (intégré dans un assemblage de circuit imprimé) et d'une carte processeur.

Le format de sortie natif de l'imageur est CMOS et les intégrateurs OEM peuvent utiliser ce format pour minimiser la taille et la puissance ou sélectionner une carte d'interface pour convertir la sortie aux formats d'image standard souhaités (par exemple, USB ou GigE). Les versions CMOS de l'imageur consomment moins de 950 mW pour un imageur QVGA fonctionnant à 60 Hz. Le boîtier en aluminium de l'imageur mesure 20 mm × 30 mm × 30 mm et pèse 27 g sans objectif. Il existe différents adaptateurs d'objectif pour permettre d'utiliser une multitude d'objectifs prêts à l'emploi pour mieux correspondre à l'application. Les caméras radiométriques bénéficient d'un étalonnage amélioré mais sont par ailleurs identiques aux versions d'imageur.

Résumé

Les imageurs thermiques à la pointe de la technologie d'aujourd'hui offrent aux équipementiers une alternative plus performante et moins coûteuse aux caméras thermiques et radiométriques QVGA et VGA antérieures sur le marché. Lorsqu'elle est conçue de manière appropriée, la personnalisation de l'imageur thermique permet aux OEM d'adapter au mieux la caméra à leur application et de minimiser les coûts.

Les améliorations continues de l'industrie fourniront aux clients exactement le bon produit pour leurs besoins, y compris les capteurs SXGA (1280 × 1024) avec un pas de 12 μm, le capteur XGA amélioré (1024 × 768) et la technologie VGA (640 × 480), l'amélioration de la résolution, les sous-cadres, zoom électronique numérique (e-zoom) et stabilisation d'image électronique, fonctionnement avec ou sans obturateur, fréquences d'images sélectionnables supplémentaires et interfaces électriques en option telles que CameraLink.

Cet article a été rédigé par le Dr Daniel Brenner, MBA, Division Lumière et Optique, JENOPTIK Optical Systems GmbH (Jena, Allemagne). Pour plus d'informations, cliquez ici .