Imagerie thermique : révéler les détails cachés pour une analyse précise

Nous aimons les rayons chauds du soleil d'été, apprécions nous rafraîchir avec une boisson fraîche ou une baignade revigorante. Nous apprécions le contact chaleureux d'une autre personne, aimons un thé chaud ou une cheminée réconfortante en hiver. Nous ressentons la température, mais nous ne pouvons pas la « voir » avec nos yeux.

Les imageurs thermiques rendent visible l'invisible

Les imageurs thermiques rendent visible cette partie du spectre électromagnétique cachée à nos yeux. Puisque pratiquement chaque objet dans notre environnement émet un rayonnement thermique, les imageurs thermiques peuvent produire une image de l'environnement même dans l'obscurité absolue. Utilisés pour la sécurité et la surveillance, peu de choses restent cachées à un imageur thermique.

Avec une calibration radiométrique complète, ces imageurs peuvent non seulement rendre visibles les différences de température, mais fournir une mesure de température absolue. Un imageur thermique avec capteur VGA et fréquence d'images 60 Hz peut donner plus de 18,4 millions de mesures de température individuelles par seconde.

Miniaturisation et optimisation de la performance

Produire un imageur thermique simple qui visualise la chaleur (c'est-à-dire détecte et traduit la distribution relative de chaleur d'une scène en image affichée) n'est plus l'état de l'art. Vous pouvez accessoiriser votre iPhone avec un imageur thermique additionnel pour moins de 200 $. Le vrai défi technique commence avec les demandes croissantes sur la sensibilité et la précision de mesure — afficher les plus petites différences de température ou mesurer les températures le plus précisément possible — tout en miniaturisant simultanément l'imageur thermique et en répondant aux besoins de performance du marché plus large.

Les fabricants leaders d'imageurs thermographiques combinent aujourd'hui à la fois le NETD (Différence de Température Équivalente au Bruit) le plus bas et la meilleure précision de mesure de température dans un seul dispositif. Historiquement, ces caméras haute performance étaient sensibles et précises — mais aussi grandes et lourdes. C'est là que les tendances de miniaturisation et d'intégration système ouvrent de nouvelles applications pour les imageurs thermiques.

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

Paramètres de performance clés

Autant ces applications sont diverses, autant le sont les exigences pour la technologie d'imageur thermique miniaturisation et intégration système — caractéristiques de mesure, détecteurs, optiques, interfaces de données, boîtiers et autres paramètres de design et fabrication doivent être optimisés pour l'application spécifique. Cependant, l'intégration facile dans des solutions système spécifiques à l'application est un défi particulier pour de nombreux OEMs et intégrateurs système, car les imageurs thermiques puissants sont souvent offerts seulement comme produits standards avec configurabilité limitée.

Les imageurs thermiques les plus efficaces sont adaptés pour surmonter ces défis et combler exactement ce gap du marché. Trois domaines où la performance de l'imageur thermique et la facilité d'intégration sont impactées sont le détecteur, les capacités radiométriques de l'imageur, et les caractéristiques optiques et électriques offertes.

Technologie de détecteur avancée : pas de pixel réduit

La technologie de détecteur avancée réduit constamment l'espacement pixel à pixel. Cette tendance a été largement menée par l'industrie du téléphone portable et a été plus évidente dans les caméras visibles mais a aidé à améliorer les imageurs thermiques aussi. Plus le pas de pixel du détecteur est petit — tout en maintenant ou améliorant la sensibilité (NETD) et la performance bruit — plus l'imageur thermique est efficace. Un pas plus petit supporte généralement une consommation plus faible, des contraintes de design mécanique plus petites, et peut généralement accommoder des optiques f/# plus lentes (économies supplémentaires de taille et poids système). De plus, les FPAs à pas de pixel plus petit permettent aussi des imageurs thermiques à plus haute résolution sans pénalité significative en taille, poids, et puissance.

Performance radiométrique : au-delà du ROI

Les propriétés de performance radiométrique incluent l'expansion des mesures de Région d'Intérêt (ROI) seulement vers des mesures radiométriques complètes sur chaque pixel du FPA, précision de mesure de température améliorée, et plages de température cible étendues.

Électronique et optique : composants plus compacts et efficaces

La concurrence extrême du marché dans le gaming, réalité virtuelle et augmentée, smartphone, télécom, et industries véhicules autonomes a dramatiquement augmenté les capacités de traitement électronique tout en réduisant l'empreinte composant et la consommation d'énergie. En résultat, les designers d'imageurs thermiques ont un éventail plus large d'options de composants électroniques à choisir qui n'existaient pas il y a quelques années. La plus grande variété d'options de composants facilite aussi le design et l'intégration de systèmes plus compacts, plus efficaces, et plus performants. Pendant ce temps, les techniques de fabrication optique et optomécanique ont aussi avancé, permettant aux designers de remplacer les optiques conventionnelles par des optiques non traditionnelles pour réduire davantage la taille et le poids des sous-ensembles optiques. Ces tendances industrielles plus larges, couplées aux avancées continues des détecteurs et radiométriques dans le segment imagerie thermique, peuvent offrir aux OEMs et intégrateurs système une large gamme de flexibilité quand le bon imageur thermique supporte ces options.

Exemple de marché : imageurs thermiques radiométriques format QVGA

Le Tableau 1 résume un certain nombre de paramètres de performance clés pour cinq imageurs thermiques radiométriques actuels avec 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 format vidéo (VGA ou QVGA), fréquence d'images, obturateur mécanique ou fonctionnement sans obturateur stable long terme, interfaces de communication standard multiples (USB, GigE, et CMOS) et options de lentilles pour permettre des champs de vision de l'imageur de 5 degrés à 60 degrés.

Les imageurs sont pleinement fonctionnels comme dispositifs autonomes, mais ils ont été conçus pour faciliter l'intégration dans des applications OEM (fabricant d'équipement d'origine). L'approche « boîte à outils » d'EVIDIR d'options de configuration disponibles est employée pour une personnalisation facile. Des options comme lentilles, obturateur, format vidéo, et interface de communication sont modulaires, permettant au client de mélanger et assortir pour mieux convenir 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 réseaux plans focaux microbolomètres non refroidis à pixel 12 µm à la pointe de l'art, et images thermiques stables, uniformes, avec NETD meilleur que 30 mK standard. Le cœur de l'imageur est une pile à deux cartes consistant du réseau plan focal (intégré dans un assemblage de circuit imprimé) et 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 vers les formats d'image standard désirés (ex: USB ou GigE). Les versions CMOS de l'imageur consomment <950mW pour un imageur QVGA tournant à 60Hz. L'assemblage de boîtier aluminium de l'imageur mesure 20mm × 30mm × 30mm et pèse 27g sans lentille. Il y a divers adaptateurs de lentille pour permettre une multitude de lentilles du commerce à être utilisées pour mieux matcher l'application. Les caméras radiométriques obtiennent une calibration améliorée mais sont sinon identiques aux versions imageur.

Résumé

Les imageurs thermiques à la pointe de l'art d'aujourd'hui offrent aux OEMs une alternative plus haute performance, plus faible coût, aux caméras thermiques et radiométriques QVGA et VGA antérieures sur le marché. Quand conçus appropriément, la personnalisation de l'imageur thermique permet aux OEMs d'adapter la caméra pour mieux convenir à leur application et minimiser le coût.

Les améliorations continues de l'industrie fourniront aux clients exactement le bon produit pour leurs besoins incluant capteurs SXGA (1280 × 1024) avec pas 12µm, XGA amélioré (1024 × 768) capteur et technologie VGA (640 × 480), amélioration de résolution, sous-images, zoom numérique électronique (e-zoom) et stabilisation d'image électronique, fonctionnement avec ou sans obturateur, fréquences d'images sélectives additionnelles, et interfaces électriques optionnelles comme CameraLink.

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