Ventajas de las cámaras térmicas LWIR SLS

Las cámaras de infrarrojos han rediseñado cómo realizamos las mediciones térmicas para pruebas de investigación y ciencia. En los últimos años, hemos visto avances notables en la lectura y en los sistemas electrónicos de las cámaras que mejoran los límites de resolución, velocidad y sensibilidad. Esto nos permite resolver muchos de los desafíos más difíciles de las pruebas térmicas, como la medición térmica de alta velocidad en airbags, análisis de fallos en sistemas electrónicos a escala micrométrica y visualización óptica de imágenes de gas en gases translúcidos a la vista. Sin embargo no hemos visto avances significativos en la termografía hasta la reciente introducción de superredes de capas tensionadas (SLS por sus siglas en inglés) de tipo II. Este nuevo material de detector aporta a las cámaras térmicas rendimiento a la altura de los homólogos de circuitos integrados de lectura (ROIC por sus siglas en inglés) y sistemas electrónicos de cámara. La integración de SLS en cámaras térmicas comercializadas ofrece una nueva solución de IR de onda larga con mejoras notables de velocidad, rango de temperatura, uniformidad y estabilidad que es menos costosa que materiales de detectores similares.

Mejoras en el velocidad

Aunque las SLS funciona tanto en bandas de infrarrojos de onda larga como de onda media, las mayores ventajas de rendimiento se observan cuando se filtra exclusivamente en la banda LWIR. De hecho, una de las ventajas clave de las SLS la protagonizan sus cortos tiempos de integración, o velocidades de instantánea, en comparación con otros materiales de cámaras de infrarrojos. Las tablas 1 y 2 muestran la diferencia entre los valores de rendimiento de LWIR SLS y de MWIR antimoniuro de indio (InSb). Mirando solo el primer rango de temperatura de la fila uno, se ve que las SLS ofrecen velocidades de instantánea 12,6 veces más rápidas que el mismo rango de la cámara con detector MWIR InSb.

Las velocidades de instantánea más rápidas le permiten detener el movimiento en objetivos a alta velocidad para obtener mediciones de temperatura precisas. Si el tiempo de integración es demasiado lento, las imágenes quedan borrosas y eso puede afectar a las lecturas de temperatura. De forma parecida, las velocidades de instantánea más altas permiten frecuencias de imagen más rápidas. Bastante a menudo, los requisitos de tiempo de integración prolongado del InSb y otros materiales de detectores hacen que la cámara funcione con una frecuencia de imagen más lenta que la máxima del detector. Por ejemplo, pongamos que tiene una cámara que puede generar imágenes a 640 x 512 y 1000 fotogramas por segundo, pero que funciona en un paso de banda que requiere un un tiempo de integración de 1,2 ms. La cámara no podría conseguir su potencial completo de frecuencia de imagen debido a la restricción del tiempo de integración prolongado. Esto puede causar problemas al generar imágenes de objetivos que se calientan deprisa. Un muestreo más lento puede provocar que se caracterice de forma imprecisa el transitorio térmico de su parte y quizá que pase por alto un pico de temperatura crítico en el ciclo de arranque de una placa electrónica.

Bandas más amplias de temperatura

Una segunda ventaja de las cámaras térmicas LWIR SLS son sus bandas más amplias de temperatura. En la tabla 1, vemos que la cámara LWIR SLS tiene un rango de temperatura inicial de -20 a 150 °C con un tiempo de integración. Para conseguir la misma banda de temperatura con MWIR InSb, necesitaría ir cambiando (supertramando) entre tres tiempos de integración diferentes, cada uno representando un rango de temperatura distinto. Ir cambiando entre tres rangos de temperatura para supertramar los en un rango de temperatura completo de -20 a 150 °C tiene como resultado una imagen de supertrama por cada tres fotogramas capturados con la cámara. Esto implica tres veces más trabajo a la hora de calibrar la cámaras, así como una reducción de tres veces de la frecuencia de imagen.

Si miramos las tablas 1 y 2, vemos que hay otro punto que considerar: Las cámaras LWIR SLS le permiten medir rangos de temperatura más altos antes de necesitar un filtro ND. La cámara SLS evaluada permitió realizar mediciones de hasta 650 °C antes de necesitar un filtro ND, mientras que una cámara MWIR InSb solo mide hasta 350 °C antes de necesitar un filtro ND. Esto es en parte una función del funcionamiento de las SLS en la banda de LWIR frente al funcionamiento en la banda de onda de MWIR.

Para ilustrarlo, veamos el gráfico de la figura 1, que muestra la potencia de emisión espectral de un cuerpo negro ideal de 30 °C. El área bajo la curva representa la potencia dentro de esa banda de onda, que es mucho mayor para la banda de LWIR que para la banda de MWIR. Si miramos la figura 2, vemos que a medida que se calientan los objetos, el pico de la curva de emitancia radiante espectral representativa cambia a la izquierda y se reduce a la derecha. El cambio de potencia en la banda de LWIR es menos drástico en el rango de temperatura que el que sucede en la banda MWIR. Así es como el detector LWIR SLS es capaz de evitar exceso o defecto de exposición para un tiempo de integración dado, en comparación con el detector MWIR InSb. Tenga en cuenta que el cambio de potencia en la banda de MWIR es sustancial. Por tanto, cuando un objeto se caliente, la cámara se saturará pronto durante un solo tiempo de integración.

En resumen, las SLS le permiten abordar aplicaciones complicadas en las que el objetivo se calienta en un rango de temperatura amplio rápidamente, como una aplicación de investigación de combustión.

Sin embargo, funcionar en la banda de LWIR no es el único factor. Si nos fijamos en los detectores LWIR teluro de mercurio-cadmio (MCT por sus siglas en inglés), veremos que están limitadas en cuanto a sus rangos, algo parecido a lo que sucede con los detectores MWIR InSb. Observará que las cámaras LWIR MCT tienen las dos rangos individuales más cortos por cada tiempo de integración, así como limitaciones sobre lo elevado de la temperatura que pueden medir antes de necesitar un filtro ND para recortar la señal (ver tabla 3).

Mayor uniformidad y estabilidad a menor coste

Una de las mejores características de las cámaras LWIR SLS en comparación con otras opciones de cámaras LWIR refrigeradas es la mejora drástica en uniformidad y estabilidad en el enfriado, especialmente si se compara con las cámaras LWIR MCT. Los detectores LWIR MCT suelen tener malos niveles de uniformidad y estabilidad. Como consecuencia, cada vez que el usuario enciende una cámara LWIR MCT, la última corrección de uniformidad realizada necesita actualización (ver figura 3).

Esto presenta problemas para aplicaciones sobre el terreno, que simplemente no son favorables para el equipo que le obliga a actualizar la ganancia, la compensación y asignaciones de píxeles inadecuadas por condiciones medioambientales. Esas aplicaciones pueden incluir el control remoto de la cámara que está situada en una sala de pruebas, o el control desde fuera de la zona de impacto de un campo de tiro del ejército. Comparándolas, las cámaras LWIR SLS funcionan de forma muy parecida a las MWIR InSb, en cuanto a que solo hay que encenderlas y empezar a hacer pruebas (ver figura 4). La corrección de uniformidad realizada en el laboratorio funciona también sobre el terreno, sin actualizaciones adicionales de uniformidad de imágenes más allá de posiblemente una actualización de compensación de un punto utilizando el marcador de NUC dentro de la cámara. La NUC también se mantiene bien tras múltiples enfriamientos a lo largo de mucho tiempo. La cámara probada para este artículo no ha necesitado una nueva NUC desde la puesta en servicio inicial de la cámara hace más de un año.

Aunque las cámaras SLS cuestan más que sus homólogas MWIR InSb, tienen un precio un 40 por ciento más bajo que cámaras LWIR MCT comparables. Por tanto, si su aplicación requiere tiempos de exposición más cortos, rangos de temperatura más amplios o una firma espectral que solo se ofrece con cámaras con detector LWIR, SLS ofrece una clara ventaja de coste y uniformidad con respecto a las opciones actuales de detectores LWIR MCT refrigerados.

Resumen

Los materiales de los detectores LWIR SLS son muy interesantes porque ocupan un nicho perfecto en el espectro de rendimiento-precio al ofrecer tiempos de integración más cortos y bandas de temperatura más amplios que MWIR InSb y LWIR MCT, además de mejores niveles de uniformidad, estabilidad y precio que las cámaras LWIR MCT actuales. Un detector LWIR SLS es una gran herramienta a la que acudir cuando la aplicación necesite esta combinación especial de rendimiento y precio.