Raffreddato o non raffreddato?

Le termocamere con sensore raffreddato offrono alcuni vantaggi rispetto a quelle con sensore non raffreddato. Tuttavia, sono più costose. Una moderna termocamera raffreddata ha un sensore immagine integrato con un cryocooler, che abbassa la temperatura del sensore a temperature criogeniche. Il raffreddamento del sensore è necessario per ridurre il rumore termico a un livello inferiore a quello del segnale proveniente dall'inquadratura.

Nei cryocooler sono presenti parti in movimento con tolleranze meccaniche estremamente ridotte, che col tempo sono soggette a usura, ed elio, che lentamente fuoriesce dalle guarnizioni di tenuta. Il cryocooler necessita di un ricondizionamento dopo 10.000 - 13.000 ore di funzionamento.

I vantaggi delle termocamere non raffreddate fanno sorgere l'interrogativo: Quando è meglio utilizzare una termocamera raffreddata per le applicazioni di ricerca e sviluppo?

La risposta è: dipende dall'applicazione.

Se occorre rilevare le più piccole differenze di temperatura, se è richiesta la migliore qualità di immagine, se l'applicazione riguarda oggetti in rapido movimento, se bisogna osservare il profilo termico o misurare la temperatura di soggetti molto piccoli, se si desidera visualizzare le dinamiche termiche in una parte molto specifica dello spettro elettromagnetico, o si vuole sincronizzare la termocamera con altri strumenti di misura, allora lo strumento da preferire è una termocamera raffreddata.

Esempi di confronti

Alta velocità

Queste immagini IR confrontano le immagini di uno pneumatico che ruota a 32 km/h. L'immagine a sinistra è stata acquisita con una termocamera raffreddata. Lo pneumatico sembra fermo, ma solo per effetto della velocità di acquisizione molto elevata della termocamera raffreddata, che ne ha congelato il movimento. La velocità di acquisizione di una termocamera non raffreddata è semplicemente troppo bassa per catturare lo pneumatico in movimento, infatti i raggi della ruota sembrano trasparenti.

Risoluzione spaziale

Le immagini termiche nella figura sovrastante confrontano l'ingrandimento macro migliore ottenibile con una termocamera raffreddata con una non raffreddata. L'immagine a sinistra, scattata con un'ottica macro 4× e una termocamera raffreddata con pitch 13 μm, ha una dimensione spot di 3,5 μm. L'immagine a destra, scattata con un'ottica macro 1× e un sensore non raffreddato con pitch 25 μm, ha una dimensione spot di 25 μm. Le termocamere raffreddate hanno generalmente una maggiore capacità di ingrandimento rispetto alle versioni non raffreddate, perché sono sensibili a lunghezze d'onda dell'infrarosso più corte. Dal momento che le termocamere raffreddate hanno caratteristiche di sensibilità superiori, è possibile utilizzare obiettivi con più elementi ottici o elementi più spessi, senza degradare il rapporto segnale/rumore, a favore della qualità dell'ingrandimento.

Sensibilità

Spesso è difficile apprezzare pienamente il valore offerto dalla maggiore sensibilità delle termocamere raffreddate. In che modo è possibile ravvisare il vantaggio di una termocamera non raffreddata con sensibilità 50 mK rispetto a un modello non raffreddato con sensibilità 20 mK? Per illustrare questo vantaggio abbiamo svolto un rapido esperimento sulla sensibilità. Per questo confronto, abbiamo appoggiato per alcuni secondi la mano su una parete, per creare un'impronta termica. Le prime due immagini mostrano l'impronta della mano subito dopo aver tolto la mano. E la seconda serie di immagini mostra la firma termica dell'impronta della mano dopo due minuti. La termocamera raffreddata può ancora distinguere gran parte della firma termica dell'impronta, mentre le termocamere non raffreddate ne mostrano solo alcuni residui parziali. La termocamera raffreddata è chiaramente in grado di rilevare differenze di temperatura più piccole, e più a lungo, rispetto alla termocamera non raffreddata. Questo significa che la termocamera raffreddata fornirà un dettaglio migliore, utile a rilevare anche la più debole anomalia termica".

Filtraggio spettrale

Uno dei grandi vantaggi delle termocamere raffreddate è la capacità di eseguire facilmente il filtraggio spettrale, per scoprire dettagli ed eseguire misurazioni che sarebbero altrimenti impossibili con le termocamere non raffreddate. Nel primo esempio mostrato, è stato utilizzato un filtro spettrale, collocato in un portafiltro dietro l'ottica o integrato nel gruppo sensore dewar, al fine di acquisire l'immagine attraverso la fiamma. Per questa applicazione era necessario misurare e caratterizzare la combustione delle particelle di carbone all'interno di una fiamma. Utilizzando un filtro infrarosso spettrale per "vedere attraverso la fiamma", è stata filtrata la una banda di frequenza spettrale in cui la fiamma era trasmissiva e quindi è stato possibile visualizzare la combustione delle particelle di carbone. Il primo video è senza filtro di fiamma e tutto ciò che si vede è la fiamma stessa. La seconda immagine è con filtro di fiamma ed è possibile vedere chiaramente la combustione delle particelle di carbone.

Il secondo esempio utilizza un filtro a ossido di azoto che filtra laddove questo ossido assorbe l'IR e permette quindi di "vederlo" con la termocamera raffreddata. L'obiettivo dell'applicazione era di realizzare un migliore sistema di maschera e decontaminatore per l'ossido di azoto; quindi il primo video è un'immagine con il tipo vecchio di maschera e il secondo video usa il nuovo tipo. Come si può notare, il vecchio modello di maschera rilascia un grande quantitativo di gas di azoto nella stanza, un fenomeno negativo per molte ragioni. Il nuovo modello di maschera presenta perdite minime e sembra essere una soluzione migliore.