Nuevos sistemas de imágenes térmicas sin refrigeración
En los últimos cinco años se ha producido un rápido progreso en la tecnología de imágenes térmicas. De hecho, durante estos años hubo una transición de instrumentos escaneados con un único elemento sensor y una unidad lineal a matrices de plano focal plano bidimensionales sin escaneo de gran formato. Este proceso ha mejorado drásticamente el rendimiento de las cámaras termográficas. Sin embargo, algunos problemas seguían sin resolverse. Estos son, en primer lugar, las grandes dimensiones y el coste relativamente elevado de las cámaras, así como la necesidad de una refrigeración criogénica de los elementos sensibles. Por esta razón, un mercado de ventas tan prometedor como el de los equipos de vigilancia medioambiental permaneció prácticamente cerrado para las cámaras termográficas.
Parece que ahora los especialistas de la empresa Amber, parte de la empresa Raytheon, han encontrado una solución aceptable a los problemas, que han desarrollado un conjunto de plano focal IR no refrigerado basado en microbolómetros. La cámara Sentinel con este conjunto ofrece mayor sensibilidad y calidad de imagen mejorada que muchas cámaras refrigeradas existentes. Con un peso de poco más de 1800 g, la cámara Sentinel, que parece una cámara de vídeo normal, está equipada con un conjunto de microbolómetros en el plano focal con unas dimensiones de 320 x 240 píxeles, que son sensibles a la radiación con una longitud de onda de 8 a 12 micrones.
Un impulso significativo al desarrollo de la tecnología de imágenes térmicas lo dio el desarrollo por parte de Amber de un circuito integrado de lectura CMOS personalizado con elementos internos de procesamiento de señales, incluida la corrección de desplazamiento de píxeles en el chip y la amplificación de voltaje. La señal de lectura se envía a un convertidor analógico a digital convencional de 12 bits. La sensibilidad de la cámara supera los 100 mK.
Según los desarrolladores, la nueva cámara encontrará una amplia aplicación en los sectores civil y militar: dispositivos para monitorear las condiciones de producción y la contaminación ambiental, miras termográficas de combate, dispositivos de reconocimiento, sistemas económicos de guía de misiles, sistemas de intensificación de imágenes para vehículos, etc.
A principios de los años 70 y 80, los científicos y desarrolladores de Texas Instruments y Honey se dieron cuenta de que la nueva tecnología de circuitos integrados podría convertirse en la base para la creación de dispositivos de imágenes térmicas no refrigerados. Como consecuencia de esto, surgieron un gran número de asociaciones y grupos diferentes, en su mayoría financiados por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, que intentaron crear la producción de cámaras termográficas refrigeradas por hielo. El primer sistema comercial de imágenes térmicas no refrigeradas se basó en un conjunto de plano focal piroeléctrico o ferroeléctrico desarrollado por Texas Instruments.
Las cámaras ferroeléctricas suelen utilizar un helicóptero mecánico para estabilizar la imagen. Este nodo determina en última instancia la sensibilidad térmica de la cámara. Sin embargo, la sensibilidad y, por tanto, la calidad de la imagen de las cámaras sin refrigeración de los microbolómetros suele ser mayor que la de las cámaras ferroeléctricas sin refrigeración. Esto da como resultado una diferencia de temperatura de ruido equivalente a la cámara Sentinel de 0,07°C. Durante el próximo año o año y medio, los especialistas de la compañía planean aumentar hasta dos veces la sensibilidad del conjunto de bolómetros.
Es importante señalar que Sentinel detecta las más mínimas fluctuaciones de temperatura en la escena que se está viendo, a diferencia de los cambios en los niveles de luz en la televisión convencional. Esto lo diferencia fundamentalmente de los dispositivos de visión nocturna con intensificadores de imagen, que requieren al menos la fuente de iluminación más débil para funcionar. Los intensificadores de imagen quedan fácilmente cegados por las fuentes de luz. Las fuentes de luz no suponen ningún peligro para una cámara termográfica. Por lo tanto, proporciona una imagen clara tanto en un día claro y soleado como en completa oscuridad.
«Ojo» La cámara Sentinel es una serie de bolómetros de plano focal que miden menos de 6,45 cm. El microelemento sensible de dicha red es el elemento termorresistivo del micropuente. Un micropuente es una estructura suspendida que sostiene el elemento sensible al calor sobre el sustrato. Este diseño proporciona un buen aislamiento térmico y resistencia mecánica del micropuente suspendido.
Cada píxel tiene unas dimensiones de 0,05×0,05 mm y el factor de relleno del área sensible es del 48%. El elemento termistor es una película semiconductora de óxido de vanadio con un espesor de 50 nm, cuyo coeficiente de resistencia a la temperatura es del 2% por 1°C. Cuando el píxel absorbe calor, el micropuente se calienta y el elemento termistor registra el aumento de temperatura. Según las mediciones de los dispositivos fabricados, la conductividad térmica del micropuente es de 2×10 W por 1°C.
Se utiliza tecnología fotolitográfica convencional para formar elementos de película delgada de píxeles individuales. La sensibilidad de los píxeles es de 70.000 V/W por fuente de cuerpo negro a 300 K. En un sistema óptico con apertura de f/0,1, esto corresponde a una diferencia de temperatura de ruido equivalente de menos de 0,1 °C. Los bolómetros se forman directamente sobre la señal del sustrato de lectura de silicio. eliminando la necesidad
soldar la electrónica al micropuente. Se espera que a medida que la tecnología madure, el rendimiento aumentará y el coste de fabricación de los dispositivos disminuirá.
Se sabe que la mayoría de los sistemas de imágenes térmicas de alta gama no pueden funcionar sin un enfriamiento criogénico del sensor. Se necesitan unos 10 minutos para alcanzar la temperatura deseada del sensor (aproximadamente 200 °C) después de encender el dispositivo. El dispositivo Sentinel está listo para usar solo 1 minuto después de encenderlo.
Se requieren menos de 5 minutos para el «calentamiento» Mira termográfica no refrigerada LION (Lightweight Infrared Observation Night) fabricada por las empresas holandesas Signaal USFA y Delft Sensor Systems. El primer modelo del dispositivo debía aparecer a mediados de 1996. El Ejército Real de los Países Bajos se decidió por este modelo en noviembre de 1995, después de estudiar cuidadosamente sus perspectivas. Después de tomar una decisión sobre el dispositivo, el Ministerio de Defensa pagó por su desarrollo y planea comprar 300 modelos de producción a partir de 1997. Además, ambas empresas cuentan con exportar el dispositivo al extranjero.
LION, una mira de imágenes térmicas en una matriz de tantalato de plomo y escandio (PST) con 256×128 píxeles fabricada por GEC-Marconi Sensors. Longitud de onda de trabajo: 8-13 micrones, aumento del sistema óptico: x3, campo de visión: 10×5 grados. El alcance de detección del vehículo es de 2 km, el alcance de reconocimiento es de 700 m, el alcance de identificación es de 350 m. La imagen se forma en un tubo de rayos catódicos en el ocular. El peso de la mira es de 2 kg, las dimensiones son 10x20x24 cm y el consumo de energía es de 7 W. Alimentación: con seis pilas de litio durante 10 horas o con pilas alcalinas estándar durante 2 horas. El ruido del dispositivo en funcionamiento no se oye a una distancia de 2 m del mismo.
El desarrollo de cámaras termográficas de matriz de plano focal no refrigeradas conducirá sin duda a mayores oportunidades de mercado. Al mismo tiempo, cabe señalar que las cámaras termográficas refrigeradas siguen siendo las más eficaces en una serie de aplicaciones militares y civiles, ya que los dispositivos no refrigerados no pueden proporcionar la sensibilidad, resolución y tiempo de respuesta necesarios para resolver una serie de problemas.
Por ejemplo, cuando se realizan reconocimientos de vigilancia y en sistemas a bordo de aviones para visualizar el hemisferio delantero, se suele utilizar ópticas de enfoque largo, que hoy en día no son compatibles con los sistemas de imágenes térmicas no refrigerados. Las cámaras refrigeradas de InSb y HgCdTe son capaces de funcionar con sistemas ópticos con aperturas de f/4. En este caso, se utilizan sistemas ópticos más económicos y de menor tamaño en comparación con los necesarios para el funcionamiento de cámaras no refrigeradas.
Actualmente se está trabajando para mejorar las características tácticas y técnicas de los sistemas no refrigerados, y en En los próximos años habrá diferencias en los parámetros operativos de los sistemas de ambas clases y se reducirán. La llegada de la tecnología no refrigerada representa un importante paso adelante en la reducción del coste y la complejidad de los sistemas de imágenes térmicas, pero el coste actual de los componentes ópticos, especialmente los fabricados con germanio, seguirá siendo un obstáculo importante para reducir el coste de los sistemas refrigerados y Dispositivos de vigilancia por imágenes térmicas no refrigerados. Por lo tanto, cualquier reducción significativa en el costo de los equipos de imágenes térmicas estará asociada principalmente con el desarrollo de nuevos sistemas ópticos.