Refroidies ou non refroidies ?

Les caméras thermiques dotées d'un détecteur refroidi offrent certains avantages sur les caméras thermiques équipées d'un détecteur non refroidi. Elles sont cependant plus coûteuses. Une caméra thermique refroidie moderne dispose d'un capteur d'imagerie intégré à un cryoréfrigérateur, lequel réduit la température du capteur à un niveau cryogénique. Cet abaissement de la température du capteur est nécessaire pour réduire le bruit thermique à un niveau inférieur à celui du signal de la scène filmée.

Les cryoréfrigérateurs comprennent des pièces mobiles dont les tolérances mécaniques font qu'elles s'usent au fil du temps. De même, l'hélium qu'ils renferment finit à la longue par s'échapper des joints d'étanchéité. Finalement, une remise en état du cryoréfrigérateur est nécessaire au bout de 10 000 à 13 000 heures de fonctionnement.

Les avantages des caméras non refroidies nous amènent à nous poser la question suivante : Quand faut-il mieux utiliser les caméras thermiques refroidies pour les applications de R&D ?

La réponse dépend de l'application.

Vous voulez voir les écarts thermiques à la minute près ? Vous avez besoin de la meilleure qualité d'image possible ? Vous avez des applications rapides/à grande vitesse ? Vous avez besoin de voir le profil thermique ou de mesurer la température d'une très petite cible ? Vous voulez voir les phénomènes thermiques dans une partie très spécifique du spectre électromagnétique ? Vous voulez synchroniser votre caméra thermique avec d'autres appareils de mesure ? Dans ce cas, privilégiez une caméra thermique refroidie.

Exemples de comparaison

Grande vitesse

Ces images infrarouges permettent de comparer les résultats de capture d'un pneu en rotation à 9 m/s. Celle de gauche a été prise avec une caméra thermique refroidie. On dirait que le pneu n'est pas en rotation, car la vitesse de capture de la caméra refroidie est très importante et fige le mouvement du pneu. La vitesse de capture de la caméra non refroidie est trop insuffisante pour saisir le pneu en rotation, de sorte que les rayons de la roue semblent transparents.

Résolution spatiale

Les images thermiques ci-dessus permettent de comparer le meilleur agrandissement possible avec une caméra refroidie et non refroidie. L'image à gauche a été prise avec une caméra refroidie combinant un objectif macro 4x et un pas de 13 μm, produisant une taille de points de 3,5 μm. L'image à droite a été prise avec une caméra non refroidie combinant un objectif macro 1x et un pas de 25 μm, produisant une taille de points de 25 μm. Les caméras refroidies présentent habituellement des capacités d'agrandissement supérieures à celles des caméras non refroidies, car elles captent les longueurs d'onde infrarouges plus courtes. Étant donné que les caméras refroidies sont dotées d'une plus grande sensibilité, des objectifs comportant plus d'éléments optiques ou des éléments plus épais peuvent être utilisés sans dégrader le rapport signal - bruit, ce qui permet d'améliorer les capacités d'agrandissement.

Sensibilité

Il est souvent difficile d'apprécier pleinement l'intérêt du gain de sensibilité des caméras thermiques refroidies. Comment percevez-vous les avantages apportés par une caméra thermique non refroidie d'une sensibilité de 50 mK par rapport à une caméra thermique refroidie d'une sensibilité de 20 mK ? Pour illustrer ces avantages, nous avons testé la sensibilité lors d'une rapide expérience. Pour effectuer cette comparaison, nous avons posé la main quelques secondes sur un mur pour créer une empreinte thermique. Les deux premières images montrent cette empreinte immédiatement après le retrait de la main. La seconde série d'images présente la signature thermique de l'empreinte après deux minutes. Comme vous pouvez le voir, la caméra refroidie continue à percevoir la signature thermique de l'empreinte, alors que la caméra non refroidie ne montre que des traces partielles de l'empreinte. La caméra refroidie peut clairement détecter les écarts thermiques, et ce sur des durées plus longues que la caméra non refroidie. En d'autres termes, la caméra refroidie fournira un meilleur niveau de détail de la cible et vous aidera à détecter les anomalies thermiques les plus infimes. »

Filtrage spectral

L'un des principaux avantages des caméras thermiques refroidies réside dans la possibilité d'appliquer un filtre thermique, afin de déceler certains détails et de prendre des mesures autrement impossibles avec des caméras thermiques non refroidies. Dans le premier exemple présenté, nous utilisons un filtre spectral, placé dans un porte-filtres situé derrière l'objectif ou intégré au détecteur Dewar, afin d'obtenir une image au travers de la flamme. L'utilisateur final voulait mesurer et caractériser la combustion des particules de charbon dans une flamme. Nous avons utilisé la caméra refroidie avec un filtre infrarouge spectral permettant de « voir au travers de la flamme » afin d'exploiter une bande spectrale où la flamme était transmissive, et ainsi de réaliser des images de la combustion des particules de charbon. La première vidéo ne comporte aucun filtre et nous ne voyons que la flamme. La seconde a été obtenue avec le filtre pour flammes ; on voit clairement la combustion des particules de charbon.

Le second exemple utilise un filtre pour le protoxyde d'azote qui permet de mettre en évidence les endroits où ce gaz réagit aux rayons infrarouges et ainsi de le voir avec la caméra thermique refroidie. L'objectif était d'améliorer la conception d'un masque au protoxyde d'azote et d'un système assurant l'évacuation du gaz ; la première vidéo présente l'ancien modèle de masque et la seconde le nouveau modèle. Comme vous pouvez le constater, l'ancien modèle émet une grande quantité de protoxyde d'azote dans la pièce, ce qui pose de nombreux problèmes. La conception du nouveau modèle réduit ces émissions et semble être meilleure.