Les avantages des caméras thermiques SLS LWIR

Les caméras thermiques ont réinventé la façon dont nous effectuons les mesures thermiques pour les tests dans les domaines de la recherche et de la science. Ces dernières années, nous avons pu assister à des avancées significatives en matière de composants électroniques de lecture et de caméra qui repoussent les limites de la résolution, de la vitesse et de la sensibilité. Ces avancées nous permettent de résoudre de nombreuses difficultés relatives aux tests thermiques, comme la mesure thermique à grande vitesse sur les airbags, l'analyse des pannes sur les composants électroniques à l'échelle du micron, et l'imagerie optique sur les gaz translucides visibles. Cependant, ce n'est qu'à l'arrivée récente du matériau SLS (hétérostucture à couches contraintes) de type II que nous avons pu assister à des avancées importantes en matière d'imagerie thermique. Ce nouveau matériau de détecteur permet d'aligner les performances des caméras thermiques sur leur circuit intégré (ROIC) et sur les homologues électroniques des caméras. L'intégration du SLS à des caméras thermiques grand public offre une nouvelle solution infrarouge à ondes longues avec des améliorations importantes en matière de vitesse, plage de températures, uniformité et stabilité qui coûte moins cher que les matériaux de détecteurs analogiques.

Améliorations de la vitesse

Alors que le SLS fonctionne à la fois dans les bandes infrarouges à ondes longues et moyennes, le plus gros avantage concerne l'utilisation exclusive de la bande LWIR. En fait, un des avantages principaux du SLS est son temps d'intégration réduit, ou vitesses d'instantané, par rapport aux autres matériaux de caméra IR. Les tableaux 1 et 2 présentent la différence entre les mesures de performance SLS LWIR et antimoniure d'indium (InSb) MWIR. Si l'on examine uniquement la première plage de températures de la première ligne, nous pouvons voir que le SLS offre des vitesses d'instantané 12,6 fois plus rapides que celles de la même plage pour la caméra à détecteur InSb MWIR.

Des vitesses d'instantané plus élevées vous permettent d'effectuer des arrêts sur image sur des cibles à grande vitesse afin d'obtenir des mesures de température précises. Si le temps d'intégration est trop lent, l'image floue obtenue pourrait avoir un impact sur la mesure de température. De la même façon, des vitesses d'instantané plus rapides permettent des fréquences d'images plus rapides. Souvent, les exigences relatives au temps d'intégration long du InSb et d'autres matériaux de détecteur font que la caméra fonctionne avec une fréquence d'images plus lente que la fréquence maximale du détecteur. Par exemple, imaginons que vous avez une caméra avec une résolution d'image de 640 x 512 à 1 000 images/seconde, mais qu'elle fonctionne dans un passe-bande qui nécessite un temps d'intégration de 1,2 ms. La caméra ne pourrait pas atteindre son plein potentiel de fréquence d'images en raison de la contrainte de temps d'intégration plus long. Cela peut provoquer des problèmes lors de la réalisation d'images de cibles qui chauffent rapidement. Avec un échantillonnage plus lent, vous pourriez caractériser de manière incorrecte la transition thermique de votre pièce et peut-être manquer une pointe de température critique dans le cycle de démarrage sur un circuit imprimé.

Grandes plages de températures

Un autre avantage des caméras thermiques SLS LWIR tient à leurs plages de températures plus grandes. Dans le tableau 1, nous pouvons voir que la caméra SLS LWIR a une plage de températures de départ de -20°C à 150°C avec un seul temps d'intégration. Pour obtenir la même plage de températures avec un détecteur InSb MWIR, vous devez passer trois temps d'intégration (supertrame), chacun représentant une plage de températures différente. Passer trois plages de température afin d'en effectuer une supertrame pour une plage de températures complète de -20°C à 150°C génère une seule image de supertrame pour trois images capturées par la caméra. Cela signifie trois fois plus de travail pour étalonner la caméra et également une réduction d'un tiers de la fréquence d'images générale.

Si l'on examine de nouveau les tableaux 1 et 2, nous pouvons voir un autre point dont il faut tenir compte : Les caméras SLS LWIR vous permettent de mesurer des plages de température plus élevées avant d'avoir besoin d'un filtre ND. La caméra SLS évaluée permettait des mesures jusqu'à 650°C avant d'avoir besoin d'un filtre ND, alors qu'une caméra InSb MWIR mesure seulement jusqu'à 350°C avant qu'un filtre ND soit nécessaire. C'est en partie une fonction du SLS fonctionnant dans la bande spectrale LWIR par rapport au InSb dans la bande spectrale MWIR.

Pour illustrer ce point, examinons le graphique de l'illustration 1, qui présente la puissance d'émission spectrale d'un corps noir idéal à 30°C. La zone sous la courbe représente la puissance dans cette bande spectrale, qui est bien plus importante pour la bande LWIR que pour la bande MWIR. Lorsque nous examinons l'illustration 2, nous pouvons voir qu'au fur et à mesure que les objets chauffent, le pic de la courbe d'émissivité de rayonnement spectral représentatif augmente vers la gauche et diminue vers la droite. Le changement de puissance dans la bande LWIR est moins important sur une plage de températures que l'énorme changement qui se produit dans la bande MWIR. C'est de cette façon que le détecteur SLS LWIR est capable d'éviter une surexposition ou une sous-exposition pour un temps d'intégration donné, par rapport au détecteur InSb MWIR. Veuillez noter que le changement de puissance dans la bande MWIR est important ; par conséquent, alors qu'un objet chauffe, la caméra saturera rapidement pour un temps d'intégration unique.

Pour résumer, le SLS permet de résoudre les applications difficiles où la cible chauffe rapidement sur une grande plage de températures, comme une application de recherche sur la combustion.

Cependant, fonctionner dans la bande LWIR n'est pas le seul facteur. Si nous examinons les détecteurs MCT (tellurure de mercure et de cadmium) LWIR, nous pouvons voir que leurs plages sont également limitées, de la même façon que les détecteurs InSb MWIR. Vous remarquerez que les caméras MCT LWIR ont toutes les deux des plages individuelles courtes par temps d'intégration ainsi que des limites quant à la chaleur qu'elles peuvent mesurer avant d'avoir besoin d'un filtre ND pour réduire le signal (voir tableau 3).

Uniformité et stabilité améliorées pour moins cher

Une des meilleures fonctionnalités des caméras SLS LWIR par rapport aux autres options de caméras refroidies LWIR est l'uniformité et la stabilité qui ont été considérablement améliorées pendant les refroidissements, en particulier par rapport aux caméras MCT LWIR. Les détecteurs MCT LWIR souffrent généralement d'une uniformité et d'une stabilité de mauvaise qualité. En conséquence de quoi, chaque fois que l'utilisateur allume une caméra MCT LWIR, la dernière correction d'uniformité effectuée doit être mise à jour (voir illustration 3).

Cela présente des problèmes pour les applications sur le terrain qui ne sont pas adaptées à du matériel qui nécessite que vous mettiez à jour le gain, le zéro et des cartes de pixels incorrects en raison des conditions environnementales. Ces applications peuvent inclure le contrôle de la caméra à distance quand elle se trouve dans la salle de test, ou le contrôle depuis l'extérieur de la zone d'explosion pour des essais gouvernementaux. En comparaison, les caméras SLS LWIR fonctionnent de façon similaire aux caméras InSb MWIR, c'est-à-dire qu'il suffit de les allumer et de commencer les tests (voir illustration 4). La correction d'uniformité effectuée au laboratoire fonctionne aussi bien sur le terrain sans mises à jour d'uniformité d'image supplémentaire jusqu'à une mise à jour possible du zéro en un point avec un indicateur NUC interne dans la caméra. La NUC se maintient également bien pendant plusieurs refroidissements sur une longue durée. La caméra testée pour cet article n'a pas eu besoin d'une nouvelle NUC en raison d'une première utilisation sur le terrain il y a plus d'un an.

Alors que les caméras SLS coûtent plus cher que leurs homologues InSb MWIR, elles sont 40 % moins cher que des caméras MCT LWIR comparables. Par conséquent, si votre application nécessite des temps d'exposition courts, de grandes plages de températures, ou une signature spectrale uniquement proposée par des caméras à détecteur LWIR refroidi, le SLS offre un avantage financier et d'uniformité évident par rapport aux options à détecteurs MCT LWIR actuels.

Résumé

Les matériaux des détecteurs SLS LWIR sont très intéressants parce qu'ils comblent parfaitement une niche en matière de performances/gamme de prix en proposant des temps d'intégration réduits et des plages de températures plus étendues que les matériaux InSb MWIR et MCT LWIR, ainsi qu'une uniformité, une stabilité et des prix améliorés par rapport aux caméras MCT LWIR actuelles. Un détecteur SLS LWIR est un formidable outil à avoir dans son escarcelle quand l'application exige un bon rapport qualité/prix.