Cámaras termográficas en el mercado de sistemas de seguridad.

Cámaras termográficas en el mercado de sistemas de seguridad.

La aparición de las cámaras termográficas en el mercado de los sistemas de seguridad tiene el mismo origen que las cámaras de vídeo. Ambos son productos de la industria de defensa, en los años 1990. Como resultado de la conversión, ingresaron al mercado recientemente abierto de sistemas de seguridad disponibles públicamente. Sólo si las cámaras de videovigilancia, en términos de calidad y especialmente de precio, se adaptan bastante bien a las necesidades y capacidades de una amplia gama de consumidores, las cámaras termográficas seguirán siendo en gran medida productos para unidades especiales, objetos especialmente protegidos, etc. ., para cuyo equipamiento y protección puede haber fondos importantes. Y esto no se debe a los caprichos del mercado. La cuestión es a la vez técnica y política.
Es bien sabido que las cámaras termográficas registran la radiación térmica, lo que permite visualizar imágenes no solo en completa oscuridad, sino también en medio de una espesa niebla, nieve, lluvia, detrás del follaje de los árboles (Fig. 1a y 1b).

Radiación detectada por cámaras termográficas
Las cámaras termográficas registran la radiación infrarroja lejana, también llamada radiación térmica. La radiación térmica la produce cualquier objeto cuya temperatura difiera del cero absoluto. Todos los objetos emiten radiación térmica (infrarroja) con longitudes de onda ligeramente diferentes, es decir, con diferentes energías. Esto permite identificar objetos y, por tanto, luego visualizarlos. Por lo tanto, la cámara termográfica registra objetos incluso en la más absoluta oscuridad, ninguno en absoluto. Ni siquiera se requiere una iluminación de fondo mínima para que la cámara termográfica funcione. La radiación infrarroja (no visible para el ojo humano) o térmica se divide en longitud de onda corta con una longitud de onda λ = 0,76–2,5 μm, longitud de onda media λ = 2,5–50 μm y longitud de onda larga λ = 50–2000 μm. Recordemos que la radiación visible
A menudo llamada luz, es una radiación electromagnética percibida por el ojo humano. Está grabado por cámaras de circuito cerrado de televisión. Esta radiación tiene longitudes de onda que van desde los 380 nm con una energía de 3,1 eV hasta los 760 nm con una energía de 1,6 eV. Es decir, cuanto mayor es la longitud de onda de la radiación, menor es su energía. El máximo del espectro continuo de radiación solar se encuentra en la región «verde» de 550 nm, que representa la máxima sensibilidad del ojo.

El elemento sensible de las cámaras termográficas
La observación mediante imágenes térmicas, al igual que la observación en el espectro de radiación visible mediante cámaras de vídeo tan utilizadas, se basa en el uso de matrices sensibles. Ambas direcciones se originan en el complejo de defensa. En los años 80 y 90. Siglo XX Gracias al intenso desarrollo de la microelectrónica, se han creado conjuntos de elementos sensibles a la radiación que permiten visualizar imágenes de objetos desde los cuales la radiación cae sobre estas matrices sin el uso de dispositivos de escaneo electromecánicos.
Como es sabido, todos Los receptores sensibles a la radiación se pueden dividir en dos grandes grupos según su principio de funcionamiento: térmicos y fotónicos.
Los receptores de fotones se dividen en detectores según:
a) efecto fotoeléctrico externo (fotomultiplicadores y fotocélulas de vacío, convertidores electrón-ópticos);
b) efecto fotoeléctrico interno (fotorresistencias, fotodiodos, fototransistores, etc.).

Tipos de térmicos Cámaras termográficas
Las cámaras termográficas se dividen según el tipo de elemento sensor.
Las cámaras termográficas con el llamado elemento sensor térmico utilizan bolómetros como elemento sensor.
En las cámaras termográficas con un elemento sensible basado en un elemento fotosensible interno, se utilizan como elemento sensible matrices sensibles semiconductoras hechas de materiales sensibles a la región infrarroja lejana del espectro.
Primero, caractericemos estos elementos sensibles en general. términos.
La comparación de la sensibilidad de fotodetectores térmicos y fotodetectores basados ​​en matrices fotosensibles semiconductoras basadas en el efecto fotoeléctrico interno se muestra en la Fig. 2 (1 – detectores térmicos, 2 – detectores de fotones).

Por razones objetivas relacionadas con las peculiaridades de los procesos físicos de los elementos del microbolómetro (absorción de radiación de banda ancha y alto nivel de ruido), la capacidad de detección de estos dispositivos es mucho menor que la capacidad de detección de matrices semiconductoras fotosensibles que funcionan sobre la base del efecto fotoeléctrico interno, sensibles a la radiación con una determinada longitud de onda.
Para evaluar las diferencias entre las cámaras termográficas fabricadas sobre estos y otros elementos sensibles, evaluaremos su capacidad de detección.

La capacidad de detección de elementos semiconductores fotosensibles oscila entre 109 y 1015 cm•Hz1/2W-1. La capacidad de detección de los bolómetros oscila entre 107 y 108 cm•Hz1/2W-1. Además de que esto en sí mismo es una diferencia muy significativa, al comparar estos valores se puede concluir qué cámara termográfica y qué elemento sensible se debe utilizar al registrar un objeto ubicado a diferentes distancias. Los bolómetros se utilizan en sistemas de infrarrojos para observar y reconocer objetos a distancias cortas (10 a 1500 m). Inicialmente, las cámaras termográficas basadas en bolómetros se desarrollaron para miras IR, binoculares, sistemas de visualización IR para vehículos y sistemas de vigilancia IR no tripulados de pequeño tamaño.
Las cámaras termográficas basadas en elementos semiconductores sensibles con una alta capacidad de detección proporcionan «visibilidad» a decenas de kilómetros y se utilizan en complejos serios.

Cámaras termográficas basadas en fotodetectores térmicos para visualización de imágenes (cámaras termográficas basadas en bolómetros)
El principio de funcionamiento de los fotodetectores térmicos se basa en registrar cambios en las propiedades de un material cuando cambia su temperatura debido a la absorción de radiación óptica. Existen diferentes tipos de fotodetectores térmicos en función de diferentes efectos. Los más comunes entre ellos son:
a) bolómetros, que utilizan un cambio en la resistencia de un metal delgado, semiconductor o película superconductora;
b) detectores termoeléctricos como termopares o termopilas, que utilizan el efecto de la aparición de termo-EMF en los contactos de dos metales;
/>c) detectores piroeléctricos basados ​​en el efecto piroeléctrico en piroeléctricos, incluidos cristales ferroeléctricos cercanos a la temperatura de Curie;
d) detectores óptico-acústicos (OAP), a veces llamados detectores IR neumáticos o elementos Golay, que utilizan expansión periódica y compresión de gas cuando calentado por radiación óptica de amplitud modulada absorbida por una membrana delgada.

Un método ampliamente utilizado es cuando se utiliza el fenómeno de cambios en la resistencia eléctrica de un elemento termosensible cuando se calienta debido a la absorción del flujo de radiación medido para medir la energía de radiación total. Este principio subyace al funcionamiento de los bolómetros. Para determinar la composición espectral de la radiación mediante un bolómetro, se utiliza junto con un espectrómetro. Para mediciones espectrales, el elemento sensible del bolómetro se fabrica en forma de dos tiras idénticas. La radiación se dirige a un elemento y el otro sirve para compensar los cambios de temperatura ambiente y las interferencias. El elemento sensible a la temperatura suele ser una capa delgada (0,1–1 μm) de metal (níquel, oro, bismuto, etc.), cuya superficie está cubierta con una capa de color negro, que tiene un alto coeficiente de absorción en una amplia gama. rango de longitudes de onda, o un semiconductor con un alto coeficiente de resistencia a la temperatura (0,04–0,06 °C o más), o dieléctrico. Históricamente, los fotodetectores térmicos aparecieron antes que los detectores de radiación ópticos semiconductores basados ​​en la generación de pares electrón-hueco. Los bolómetros, como todos los detectores térmicos, son detectores de radiación de banda ancha de intensidad constante. Dado que los bolómetros utilizan un elemento sensible al calor, se utilizan específicamente como receptores de radiación infrarroja (térmica). Las dimensiones estándar de la sensible matriz de bolómetros son 320 x 240 o 160 x 120, mientras que la resolución es la misma, pero, como en el caso de las cámaras de video, una matriz más grande permite capturar un área de visualización más grande con la menor distorsión. . Las matrices más grandes son caras. Ahora hay una tendencia a avanzar hacia matrices de tamaño 640 x 480.
La tecnología para crear bolómetros (microbolómetros VOx) en el extranjero fue desarrollada por Honeywell a mediados de los años 80. el siglo pasado en virtud de un contrato con el Departamento de Defensa de Estados Unidos. Desde la década de 1990, esta tecnología ha estado disponible para Raytheon, Flir y algunos otros: BAE Systems, L-3 Communications, DRS Technologies, InfrarrojoVision Technologies Corp., NEC, Institut National d’Optique (INO), ULIS. .
Actualmente, estas tecnologías están en constante desarrollo. En las publicaciones científicas y técnicas se pueden encontrar muchas publicaciones dedicadas a los problemas de mejora y selección de la tecnología óptima.

La esencia de la cuestión se reduce a lo siguiente. Como se mencionó, cada elemento del conjunto de detección de microbolómetro consta de una capa delgada que es sensible a los cambios de temperatura y se deposita sobre un sustrato para aislamiento térmico. Un elemento termosensible, por ejemplo basado en modificaciones del óxido de vanadio VOx, y dos electrodos acoplan el material termosensible y el circuito sensor sobre el sustrato. La energía IR irradiada recibida por cada detector de microbolómetro aumenta la temperatura del detector. Un cambio de temperatura induce un cambio en la resistencia de cada detector, que es detectado por un circuito integrado multiplexor ubicado en el mismo sustrato semiconductor. Un factor importante para lograr altas características técnicas de las matrices de microbolómetros es la elección de una capa termosensible que tenga un alto coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) y un bajo nivel de exceso de ruido, y que también proporcione una buena absorción de radiación en la región espectral de trabajo. La sensibilidad está limitada principalmente por la conductividad térmica de cada píxel. La velocidad de funcionamiento está determinada por la relación entre capacitancia térmica y resistencia térmica. La reducción de la capacidad térmica aumenta no solo la velocidad de funcionamiento, sino también las fluctuaciones térmicas: el ruido. El aumento de la conductividad térmica aumenta la velocidad de funcionamiento, pero reduce la sensibilidad (y para que aumente, es necesario aumentar el TCR y la resistencia base).

Las películas semiconductoras tienen un TCR alto. Un enfoque para resolver algunos de los problemas de los microbolómetros VOx se basa en el uso de silicio amorfo (no cristalino) como material sensible a la temperatura. El silicio amorfo tiene un valor TCR más alto, lo que proporciona un mayor nivel de sensibilidad. Sin embargo, el silicio amorfo tiene una resistencia base más alta, por lo que existe el problema de hacer coincidir la alta impedancia de salida con la impedancia de entrada de los chips de lectura. Los semiconductores también tienen un ruido de corriente excesivo. En este sentido, la elección del material para el elemento sensible es una tarea multifacética.
Las estructuras multicapa, llamadas estructuras tipo sándwich, pueden aumentar significativamente el coeficiente de absorción de la radiación infrarroja. Los sándwiches, construidos en forma de resonadores ópticos, absorben el 80% de la radiación a una longitud de onda de 8 micrones. Se puede lograr una absorción de estructuras planas del 50-80% en la banda de 8,5-10 µm.
La imagen visualizada por cámaras termográficas basadas en bolómetros tiene la misma apariencia que la imagen obtenida por matrices de cámaras termográficas basadas en semiconductores.

Cámaras termográficas basadas en fotoefecto interno para visualización de imágenes
Cuando la radiación electromagnética (incluida la radiación óptica) pasa a través de semiconductores, en ellos se generan electrones libres. En el caso del efecto fotoeléctrico interno, para la autoabsorción, la energía del fotón debe ser al menos el ancho de la llamada banda prohibida del semiconductor (Eg), es decir, para la autoabsorción de fotones con formación de pares electrón-hueco. , se debe cumplir la siguiente condición: h  Por ejemplo, donde h es la energía del fotón
- frecuencia de radiación (λ = с/ν)
h – constante de tabla.
La El límite de fotoconductividad de onda larga está determinado por la relación:
λ = hc/Eg=1,24/Eg(eV)
Esta es la longitud de onda máxima de radiación que será absorbida por un semiconductor con una banda determinada brecha para formar pares electrón-hueco.

Los diferentes materiales semiconductores tienen diferentes bandas prohibidas: GaAs — 1,4 eV, CdSe — 1,8 eV, CdS — 2,5 eV, ZnS — 3,7 eV, Ge — 0,7 eV, Si — 1,1 eV, GaP — 2,3 eV, SiC — 2,4–3,1 eV, etc. En consecuencia, diferentes materiales convierten la radiación con diferentes longitudes de onda en señales eléctricas. En la figura. 3 muestra las características espectrales, y la Fig. 4 – coeficientes de absorción de fotodetectores fabricados con diversos materiales semiconductores. Vemos que todos son sensibles a la radiación de diferentes longitudes de onda. Para registrar el rango espectral visible se utiliza el material más barato y más extendido en la Tierra: el silicio. Las matrices fotosensibles basadas en él se utilizan en cámaras de videovigilancia. El máximo de las características espectrales de los dispositivos de silicio se encuentra en la longitud de onda λ = 0,85 µm, en la región del infrarrojo cercano.
Es decir, las cámaras termográficas registran radiación infrarroja lejana invisible para el ojo con una longitud de onda de 1,0 a 14 micrones, utilizando materiales semiconductores con una banda prohibida correspondiente a este espectro de radiación, principalmente antimonuro y arseniuro de indio, PbSe, así como mercurio y cadmio. telurito. Como ya se mencionó, cualquier objeto cuya temperatura sea diferente del cero absoluto tiene radiación térmica. Además, es diferente para diferentes objetos: el bosque, el agua, la carretera, la pared, la casa, la persona, la ropa humana, varias partes de la cara de una persona, etc. emiten radiación diferente. Incluso existen mapas de calor de la zona (Fig. 5). Este es el avance revolucionario logrado con el desarrollo de las cámaras termográficas.

La cámara termográfica no reproduce los contornos visibles del rostro de una persona, pero muestra la distribución de la temperatura en el rostro. Si, por ejemplo, te llevas la mano al pecho y luego la retiras rápidamente, la imagen térmica capturará tu imagen con los dedos sobre el pecho. El ojo humano o una cámara CCTV normal no reflejará nada parecido. Es decir, una imagen termográfica a menudo refleja una imagen que no nos resulta muy familiar. Por eso están muy extendidos los diseños que contienen en una sola carcasa una cámara de vídeo convencional y una cámara termográfica y que emiten dos imágenes.
Cuanto más sensible es la cámara termográfica, con mayor precisión registra la distribución de la temperatura. Uno de los principales parámetros que caracterizan la calidad de las cámaras termográficas es la capacidad de detección.

Capacidad de detección de las cámaras termográficas
Para los detectores de infrarrojos, el criterio de calidad más utilizado es el específico. capacidad de detección (D*).
D*= A1/2 B 1/2/NEP [cm Hz1/2/W]
— NEP es la potencia incidente rms necesaria para obtener una relación señal-ruido de 1 en una banda de frecuencia de 1 Hz;
— A – área del fotodetector, B – ancho de banda 1 Hz
En la figura. La Figura 6 muestra valores típicos de detectividad para fotorresistores y fotodiodos. Los fotodiodos se denominan PD. En longitudes de onda cercanas a 0,5 µm, un fotorresistor de CdS tiene la mayor eficiencia, mientras que a λ = 10 µm, se prefieren los fotorresistores de HgCdTe. Se trata de materiales muy caros, sus compuestos se obtienen como resultado de complejos procesos tecnológicos. Por lo tanto, el coste de los elementos fotosensibles basados ​​en ellos es varios órdenes de magnitud mayor que el del silicio, lo que se refleja principalmente en el coste final de las cámaras termográficas.
La capacidad de detección de los fotodetectores infrarrojos depende del tipo de material semiconductor. Por supuesto, no se observa tal diferencia en los distintos tipos de matrices fotosensibles de silicio utilizadas para visualizar la radiación visible en cámaras de vídeo.
También cabe señalar que para detectar radiación en los rangos de infrarrojos medio, lejano y ultra lejano, los fotorresistores se enfrían a bajas temperaturas (77 K y 4,2 K). A estas temperaturas, los efectos térmicos que causan el ruido térmico se reducen y la ganancia y eficiencia de detección aumentan. Muy a menudo, para estos fines se utilizan unidades microcriogénicas eléctricas que funcionan en el ciclo Split-Stirlig. Esto también supone una contribución muy importante al coste de las cámaras termográficas.

Resolución de cámaras termográficas
Al igual que las matrices fotosensibles de las cámaras de videovigilancia, las matrices fotosensibles de las cámaras termográficas tienen un número diferente de elementos sensibles (píxeles) y se caracterizan por diferentes resoluciones. Cuanto mayor sea la resolución, más cara será la cámara termográfica. Las tecnologías modernas permiten producir matrices de imágenes térmicas semiconductoras con resolución de megapíxeles. Sin embargo, su uso en el mercado de videovigilancia civil está limitado tanto por factores políticos como de precio.

Cámaras termográficas en el mercado de sistemas de seguridad
Por un lado, la El desarrollo activo del mercado ruso es de interés para muchos fabricantes extranjeros. Por otro lado, los dispositivos termográficos son principalmente un producto del complejo de defensa y el suministro de productos de calidad a Rusia es limitado.
Muy a menudo, debido a la naturaleza específica de la imagen térmica, que dificulta la identificación del área para la percepción visual, para la vigilancia de seguridad, para operaciones de combate y operaciones especiales, se incorpora una cámara de video en color en el cuerpo de la cámara termográfica. Un ejemplo de tal diseño se muestra en la Fig. 9. La figura muestra una cámara termográfica con una cámara de video Oculus RC-5126, que transmite 9 fps y 25 fps como opción, fabricada por Infinity y distribuida en Rusia por STA+. El precio de una cámara termográfica de este tipo con lente de enfoque corto (5,8 mm) es de unos 35.000 euros, y con lente de enfoque largo (25 mm), más de 44.000 euros.
La empresa CBC produce el dispositivo C-allview. Se trata de una cámara de videovigilancia de alta calidad con iluminación IR y una cámara termográfica montada en una sola carcasa. La cámara termográfica en este caso cuesta más de 000. En la Fig. La Figura 8 muestra imágenes obtenidas usando este dispositivo.
LB Sky Global, una división del holding Group LB, suministra a Rusia cámaras termográficas israelíes de calidad suficiente. Esta empresa suministra cámaras termográficas con un elemento fotosensible basado tanto en matrices semiconductoras refrigeradas como en bolómetros. La cámara termográfica marca EYE SES suministrada por esta empresa cuenta con un elemento fotosensible a base de bolómetros, operando en el rango de longitud de onda de 7 micras a 14,0 micras, con un alcance de hasta 1 km. La cámara termográfica EYE SEC se puede montar en una plataforma giratoria controlada para proporcionar vigilancia de 360 ​​grados. Para detectar objetivos a una distancia de al menos 1 km y su posterior reconocimiento a una distancia de aproximadamente 500 m, la cámara termográfica EYE SEC está equipada con una lente motorizada de 75 mm, que proporciona un campo de visión horizontal de 6,1 grados y vertical de 4,6. grados. El coste de esta cámara termográfica es de aproximadamente 000.

La misma empresa suministra el módulo de imágenes térmicas POP (Plug-in Optronic Payload), que es una cámara termográfica refrigerada de tercera generación y una cámara de vídeo en color de alta resolución instaladas en una carcasa sobre una plataforma giratoria giroestabilizada. Una matriz sensible y enfriada a base de antimonuro de indio InSb detecta radiación con una longitud de onda de 3 a 5 μm. El alcance de una cámara termográfica de este tipo es de hasta 6 km, el coste de este módulo es de aproximadamente 0.000 €.
La empresa estadounidense Flir Systems, que fabrica cámaras termográficas, está llevando a cabo una campaña publicitaria muy activa en el mercado ruso de sistemas de seguridad. Estas cámaras termográficas tienen limitadores especiales integrados. El nivel de precios de las cámaras termográficas de esta empresa fluctúa en un rango muy amplio. Así, la cámara termográfica Patriot con un alcance de 100 my una resolución de 160 x 120 píxeles cuesta alrededor de 000, las cámaras termográficas SR-19 y SR-100 tienen un elemento sensible a base de óxido de vanadio, brindan visibilidad a distancias cortas y cuestan alrededor de 000. La cámara termográfica Poseidon «, diseñada para funcionar en un entorno marino, está alojada en una carcasa sellada, cuyos elementos externos están hechos de materiales inoxidables con mayor resistencia a la corrosión. Su costo es de aproximadamente 000. El sistema de imágenes térmicas ThermoVision 2000/3000MS es un sistema de videovigilancia multicanal en un dispositivo giratorio preciso y de alta velocidad con un canal de imágenes térmicas, un canal de video y un telémetro láser opcional, tiene una larga duración. Detector QWIP de onda estrecha de banda estrecha con matriz FPA de 320 x 240 píxeles. Según los distribuidores, este sistema proporciona una visibilidad de hasta 40 km y cuesta 250.000 euros.

Fuentes:
S. Zee. Física de dispositivos semiconductores. M., Mir, 1984.