As Vantagens das Câmeras Termográficas SLS LWIR

As câmeras termográficas de infravermelho têm redefinido a forma como realizamos medições térmicas nas áreas de pesquisa e testes científicos. Nos últimos anos, temos visto avanços significativos na leitura e eletrônica de câmeras que ampliam os limites de resolução, velocidade e sensibilidade. Isso permite que resolvamos muitos dos desafios mais difíceis em testes térmicos, tais como a medição térmica de alta velocidade em airbags, a análise de falhas em componentes eletrônicos de escala mícron e imagens ópticas de gás para gases visivelmente transparentes. Entretanto, só com a introdução recente do Strained Layer Superlattice (SLS) Tipo II é que vimos avanços significativos nas imagens térmicas. Esse novo material do detector alinha o desempenho da câmera termográfica com o do circuito integrado de leitura (ROIC) e dos componentes eletrônicos da câmera. A integração do SLS nas câmeras termográficas comercialmente disponíveis oferece uma nova solução de IV de onda longa com melhorias significativas de velocidade, faixa de temperatura, uniformidade e estabilidade que custa menos que os materiais detectores análogos.

Melhorias de Velocidade

Apesar do SLS funcionar em ambas as faixas de infravermelho de onda média e longa, você verá os maiores benefícios de desempenho quando ele é filtrado pela faixa LWIR exclusivamente. Na verdade, um dos principais benefícios do SLS são seus curtos tempos de integração ou velocidades de instantâneo, quando comparados com outros materiais de câmera de infravermelho. As tabelas 1 e 2 demonstram a diferença métrica de desempenho entre o SLS LWIR e o antimoneto de índio (InSb) MRWIR. Observando somente a primeira faixa de temperatura na linha superior, vemos que o SLS oferece velocidades de instantâneo 12,6 vezes mais rápidas que a mesma faixa para a câmera com detector Insb MWIR.

Velocidades de instantâneo mais rápidas permitem a você parar o movimento em alvos de alta velocidade para conseguir medições de temperatura precisas. Se o tempo de integração for muito lento, o borrado na imagem resultante pode impactar nas leituras de temperatura. Da mesma forma, velocidades de instantâneo mais rápidas permitem taxas de quadro mais rápidas. Os requisitos de longo tempo de integração do InSb e outros materiais de detector fazem a câmera operar em uma taxa de quadros que com bastante frequência é menor que o máximo do detector. Por exemplo, se você tiver uma câmera que pode gerar imagens de 640 x 512 a 1000 quadros por segundo, mas que opera em uma passagem de faixa que requer um tempo de integração de 1,2 ms. A câmera não seria capaz de atingir sua taxa de quadro completo máxima devido ao problema de tempo de integração mais longo. Isso pode causar problemas ao gerar imagens de alvos que aquecem rapidamente. A amostragem mais lenta pode fazer com que você caracterize o transiente térmico da sua peça imprecisamente, talvez perdendo um pico crítico de temperatura no ciclo de inicialização de uma placa eletrônica.

Faixas de Temperatura Mais Amplas

Um segundo benefício das câmeras termográficas SLS LWIR são suas faixas de temperatura mais amplas. Na Tabela 1, vemos que a câmera SLS LWIR tem uma faixa de temperatura inicial que vai de -20 °C a 150 °C com um tempo de integração. Para conseguir a mesma faixa de temperatura com o InSb MWIR, você precisaria fazer um ciclo completo (superframe) de três tempos de integração, cada um representando uma faixa de temperatura diferente. Fazer o ciclo completo de três faixas de temperatura para realizar o superframe delas em uma faixa de temperatura completa de -20 °C a 150 °C gera somente uma imagem de superframe por três quadros capturados da câmera. Isso significa três vezes mais trabalho ao calibrar a câmera, além da redução de um terço na taxa de quadros total.

Observando as Tabelas 1 e 2 novamente, vemos que há outro ponto a se considerar: as câmera SLS LWIR permitem medir faixas de temperatura superiores antes da necessidade de um filtro ND. A câmera SLS avaliada permitiu medições de até 650 °C antes de precisar de um filtro ND, quando uma câmera InSb MWIR somente mede até 350 °C antes de precisar de um filtro ND. Isso é em parte uma função da operação SLS na faixa LWIR em comparação com a operação InSb na faixa de ondas MWIR.

Para ilustrar, vamos observar o gráfico na Figura 1 que mostra a potência emissiva espectral de um corpo negro ideal de 30 °C. A área sob a curva representa a potência dentro dessa faixa de ondas, que é muito maior para a faixa LWIR que para a faixa MWIR. Quando observamos a Figura 2, vemos que com o aquecimento dos objetos, o pico da curva de emitância radiante espectral representativa muda para a esquerda e diminui para a direita. A mudança na potência na faixa LWIR é menos acentuada em uma faixa de temperaturas que a mudança mais acentuada que acontece na faixa MWIR. É assim que o detector SLS LWIR é capaz de evitar a supra ou subexposição para um dado tempo de integração, comparado com o detector InSb MWIR. Observe que a mudança na potência na faixa MWIR é substancial; portanto, com o aquecimento do objeto, a câmera logo ficaria saturada para um único tempo de integração.

Resumindo, o SLS permite abordar aplicações desafiadoras onde o alvo se aquece rapidamente em uma ampla faixa de temperatura, tal como uma aplicação de pesquisa em combustão.

Porém, a operação na faixa LWIR não é o único fator. Se observarmos os detectores LWIR de mercúrio-cádmio-telúrio (MCT), vemos que eles também são limitados em suas faixas, similar aos detectores InSb MWIR. Você notará que as câmeras LWIR MCT têm faixas individuais menores por tempo de integração além de limitações na capacidade de medição antes de precisarem de um filtro ND para reduzir o sinal (veja a Tabela 3).

Melhor Uniformidade e Estabilidade com Menor Custo

Um dos melhores recursos das câmeras SLS LWIR em comparação com outras opções de câmeras refrigeradas LWIR é a acentuada melhoria da uniformidade e estabilidade por meio dos arrefecimentos, especialmente se comparado às câmeras LWIR MCT. Os detectores LWIR MCT geralmente sofrem com sua pouca uniformidade e estabilidade. Como resultado, toda vez que o usuário ligar uma câmera LWIR MCT, a última correção de uniformidade realizada precisa de atualização (Veja a Figura 3).

Isso apresenta problemas para aplicações de campo que simplesmente não são conducentes para equipamentos que requerem que você atualize o ganho, offset e mapas ruins de pixel devido às condições ambientais. Essas aplicações podem incluir o controle remoto da câmera fixada em uma câmara de testes, ou o controle da câmera fora da zona de explosão para um campo de testes governamental. Em comparação, o SLS LWIR opera muito similarmente ao InSb MWIR, porque você só precisa ligar e iniciar o teste (veja a Figura 4). A correção de uniformidade realizada no laboratório funciona tão bem quanto em campo, e sem atualizações extras de uniformidade de imagem além da atualização do offset de um ponto usando o sinal de NUC interno dentro da câmera. A NUC também se sai bem após vários arrefecimentos por um longo tempo de duração. A câmera testada para esse artigo não precisou de uma NUC nova desde a testagem inicial da câmera, há mais de um ano.

Apesar das câmeras SLS custarem mais que suas equivalentes InSb MWIR, elas têm preço 40 por cento menor que as câmeras LWIR MCT compatíveis. Portanto, se sua aplicação requer tempos de exposição menores, faixas de temperatura maiores ou uma assinatura espectral somente oferecida por câmeras com detectores LWIR refrigerados, o SLS oferece uma óbvia vantagem de custo e uniformidade em relação às opções de detectores LWIR MCT refrigerados atuais.

Resumo

Os materiais de detectores SLS LWIR impressionam porque estão dentro de um nicho perfeito no seu espectro de desempenho/preço ao oferecer tempos de integração menores e faixas de temperatura maiores que os materiais de InSb MWIR e LWIR MCT, além da melhor uniformidade, estabilidade e preço que as câmeras LWIR MCT atuais. Um detector SLS LWIR é um às para se ter na manga quando a aplicação pede uma mistura especial de desempenho e preço.