I vantaggi delle termocamere SLS LWIR

Le termocamere hanno reinventato il modo in cui si eseguono misurazioni termiche per la ricerca e i test scientifici. Negli ultimi anni, abbiamo assistito a significativi progressi nelle letture e nell'elettronica della termocamera, che hanno spinto più avanti i limiti di risoluzione, velocità e sensibilità. Questi sviluppi ci consentono di risolvere molte delle più complesse sfide del collaudo termico, come la misurazione termica ad alta velocità su airbag, l'analisi di guasti su parti elettroniche microscopiche e l'analisi ottica su gas visibilmente traslucidi. Tuttavia, è stata solo la recente introduzione dello Strained Layer Superlattice (SLS) di tipo II che ci ha permesso di assistere a progressi significativi nella termografia. Questo nuovo materiale del sensore porta le prestazioni di una termocamera alla pari con le rispettive controparti, i Circuiti di integrazione Read-Out (ROIC) e le componenti elettroniche. L'integrazione di SLS nelle termocamere disponibili in commercio offre una nuova soluzione infrarossa longwave con significativi miglioramenti in termini di velocità, intervallo di temperatura, uniformità e stabilità, a un prezzo inferiore rispetto a materiali analoghi per sensori.

Miglioramenti in velocità

Sebbene SLS funzioni sia con le bande di infrarosso a onde lunghe che con quelle a onde medie, i maggiori benefici in termini di prestazioni saranno evidenti quando si filtra esclusivamente sulla banda LWIR. Infatti, uno dei principali vantaggi di SLS è rappresentato dai tempi di integrazione brevi, o dalle velocità di scatto, rispetto ad altri materiali per termocamere. Le tabelle 1 e 2 dimostrano la differenza tra le misurazioni delle prestazioni dell'SLS LWIR e dell'antimoniuro di indio (InSb) MWIR. Osservando anche il solo primo intervallo di temperatura nella prima riga, vediamo che SLS offre una velocità di scatto 12,6 volte più rapida rispetto al sensore InSb MWIR nello stesso intervallo.

Velocità di scatto più alte consentono di bloccare il movimento su soggetti a elevata velocità per ottenere misurazioni accurate della temperatura. Se il tempo di integrazione è troppo lento, la sfocatura dell'immagine risultante potrebbe influire sulle letture della temperatura. Allo stesso modo, velocità di scatto superiori consentono frame rate più veloci. Molto spesso, i lunghi tempi di integrazione richiesti dall'InSb e da altri materiali per sensori fanno sì che la termocamera funzioni a una frame rate più lenta rispetto alla velocità massima del sensore. Ad esempio, supponiamo di avere una termocamera in grado di acquisire immagini di 640 × 512 a 1000 fotogrammi al secondo, ma che funziona in un passa-banda che richiede un tempo di integrazione di 1,2 ms. La termocamera non sarebbe in grado di raggiungere il suo pieno potenziale di frame rate a causa del vincolo di un tempo di integrazione superiore. Questo può creare problemi nell'acquisizione di immagini da soggetti che si riscaldano rapidamente. Un campionamento più lento può causare imprecisioni nella caratterizzazione del transitorio termico del componente, o anche impedire di cogliere un picco di temperatura critico nel ciclo di avvio su una scheda elettronica.

Gamma di temperatura più ampia

Un secondo vantaggio delle termocamere SLS LWIR è rappresentato dalle loro più ampie gamme di temperatura. In Tabella 1, vediamo che la termocamera SLS LWIR ha un intervallo di temperatura iniziale da -20 °C a 150 °C con un solo tempo di integrazione. Per ottenere la stessa gamma di temperatura con l'InSb MWIR, è necessario utilizzare a rotazione tre tempi di integrazione (superframe), ognuno dei quali rappresenta un intervallo di temperatura diverso. Il passaggio attraverso tre gamme di temperature, per combinarle in un unico intervallo di temperatura completo tra -20 °C e 150 °C, produce una sola immagine superframe ogni tre fotogrammi acquisiti dalla termocamera. Questo significa un lavoro triplo per la calibrazione della termocamera nonchè una riduzione di un terzo della frame rate complessiva.

Osservando di nuovo le Tabelle 1 e 2, notiamo che vi è un altro punto da considerare: le termocamere SLS LWIR consentono di misurare intervalli di temperatura più elevati prima di richiedere un filtro ND. La termocamera SLS valutata permette misurazioni fino a 650 °C prima di richiedere un filtro ND, mentre una termocamera InSb MWIR misura solo fino a 350 °C prima di richiedere un filtro ND. Questo è dovuto in parte al fatto che la SLS opera nella gamma LWIR rispetto alla termocamera InSb che opera nella gamma di frequenza MWIR.

Per illustrare il punto, osserviamo il grafico di Figura 1, che mostra la potenza emissiva spettrale di un corpo nero ideale a 30 °C. La zona sotto la curva rappresenta la potenza all'interno di quella gamma di frequenza, molto superiore per la gamma LWIR rispetto alla gamma MWIR. Dalla Figura 2, si nota che mentre l'oggetto si surriscalda, il picco della curva d'emissione radiante spettrale rappresentativa si sposta a sinistra e diminuisce verso destra. La variazione di potenza nella gamma LWIR è meno drammatica su uno spettro di temperature rispetto alla variazione più accentuata che si verifica nella gamma MWIR. Ecco in che modo il sensore SLS LWIR è in grado di evitare la sovra o sottoesposizione per un determinato tempo di integrazione, a differenza del sensore InSb MWIR. La variazione di potenza nella gamma MWIR è notevole: man mano che un oggetto si surriscalda, la termocamera presto si satura per un singolo tempo di integrazione.

In sintesi, l'SLS si adatta ad applicazioni impegnative, in cui il soggetto si riscalda rapidamente in un'ampia gamma di temperature, ad esempio in applicazioni di ricerca sulla combustione.

Tuttavia, il funzionamento nella banda LWIR non è l'unico fattore in gioco. Anche i sensori LWIR al tellururo di mercurio e cadmio (MCT) sono limitati negli intervalli di operatività, proprio come i sensori InSb MWIR. Appare chiaro che le termocamere MCT LWIR hanno intervalli individuali più brevi per ciascun tempo di integrazione e presentano limitazioni sui valori superiori di misurazione prima di richiedere un filtro ND per ridurre il segnale (vedere la Tabella 3).

Uniformità e stabilità migliori a un costo inferiore

Le caratteristiche migliori delle termocamere SLS LWIR, rispetto ad altri modelli LWIR raffreddati, sono l'uniformità e la stabilità notevolmente migliorate nel corso dei raffreddamenti, soprattutto se confrontate con le termocamere MCT LWIR. I sensori MCT LWIR generalmente soffrono di scarsa uniformità e stabilità. Di conseguenza, ogni volta che l'utente accende una termocamera MCT LWIR, l'ultima correzione di uniformità eseguita deve essere aggiornata (vedere la Figura 3).

Questo vincolo presenta qualche problema nelle applicazioni sul campo, non idonee ad apparecchiature che richiedano di aggiornare guadagno, offset e mappe di pixel difettosi a causa delle condizioni ambientali. Fra tali applicazioni possiamo annoverare il controllo remoto di una termocamera posizionata in una camera di test, o all'interno di un poligono dove si svolgono prove su esplosivi. Al confronto, l'SLS LWIR funziona in modo simile ai modelli InSb MWIR, infatti è sufficiente accenderlo e avviare i test (vedere la Figura 4). La correzione di uniformità eseguita in laboratorio funziona altrettanto bene sul campo e non prevede altri aggiornamenti dell'uniformità di immagine oltre a un eventuale adeguamento dell'offset a singolo punto mediante il flag interno NUC della termocamera. Il NUC ha inoltre una buona tenuta nel corso di molteplici raffreddamenti di lunga durata. La termocamera testata per questo articolo non ha richiesto un nuovo NUC dopo l'iniziale predisposizione sul campo più di un anno fa.

Benché le termocamere SLS costino più delle loro omologhe InSb MWIR, hanno un prezzo inferiore del 40% rispetto alle termocamere MCT LWIR paragonabili. Pertanto, se l'applicazione richiede tempi di esposizione più brevi, intervalli di temperatura più ampi o una firma spettrale offerta solo con termocamere con sensore LWIR raffreddato, l'SLS offre un chiaro vantaggio in termini di costo e uniformità rispetto agli attuali modelli con sensore MCT LWIR raffreddato.

Conclusioni

I materiali dei sensori SLS LWIR sono interessanti perché si inseriscono in una nicchia perfetta della gamma prestazioni/prezzo, offrendo tempi di integrazione più brevi e intervalli di temperatura più ampi rispetto ai materiali InSb MWIR e MCT LWIR, oltre a vantaggi in termini di uniformità, stabilità e prezzo rispetto alle attuali termocamere MCT LWIR. Un sensore SLS LWIR è un ottimo asso nella manica quando l'applicazione richiede questo speciale mix di prestazioni e prezzo.