Las cámaras térmicas son cámaras que capturan las radiaciones infrarrojas que emiten todos los objetos cuya temperatura está por encima del cero absoluto 0º Kelvin (-273º Celsius). Inicialmente estas cámaras fueron desarrolladas para propósitos militares, si bien en la actualidad son múltiples sus aplicaciones: seguridad, industria, detección de gas,…

Las cámaras de CCTV día-noche son cámaras que capturan la luz visible, ya sea en escala de grises (por la noche) o en imágenes RGB (por el día). Este tipo de cámaras requieren la presencia de una mínima iluminación, por pequeña que esta sea, para poder captar las imágenes, pues en ausencia total de luz, los objetos no tienen luz que reflejar y no llega impulso alguno a la cámara que pueda ser capturado. Es por ello que las cámaras de CCTV se acompañan de luces IR de longitud de onda de 850 nanómetros -espectro cercano a la luz visible- para poder proporcionar la iluminación necesaria a la escena ante una total falta de iluminación.

Si embargo, los objetos emiten por si mismos en el espectro de longitud de onda medio-largo (de los 3 a 14 micrómetros), espectro infrarrojo, con una longitud de onda e intensidad, dependiente de la temperatura a la que se encuentra el propio cuerpo, sin necesidad de la presencia de ninguna fuente de luz. Son estas radiaciones las que son captadas por las cámaras térmicas.

EL ESPECTRO INFRARROJO

El espectro infrarrojo se sitúa entre el espectro visible y las microondas, y abarca desde los (0,7 a los 1.000 micrómetros) como se muestra en la siguiente figura:

Figura 1: Espectro electromagnético con detalle del espectro infrarrojo y sus subdivisiones. Fuente: [2]

Como puede observarse en la Figura 1 el espectro infrarrojo se subdivide de la siguiente forma:

División del espectro infrarrojo	Abreviatura	Rango de longitudes de onda
Infrarrojo próximo (al espectro visible)	NIR	0,7-1,4 micrómetros
Infrarrojo de onda corta	SWIR	1,4-3,0 micrómetros
Infrarrojo de onda media	MWIR	3-8 micrómetros
Infrarrojo de onla larga	LWIR	8-15 micrómetros
Infrarrojo lejano (al espectro visible)	FIR	15-1000 micrómetros

La atmósfera terreste sólo permite la transmisión de determinadas longitudes de onda debido a que el resto son absorbidas por el agua y el dióxido de carbono presente en la misma. En la siguiente figura se muestra el porcentaje de absorción en función de la longitud de onda:

Figura 2: Transmitancia del espectro en la región de los infrarrojos en la atmósfera. Fuente: [2]

LAS CÁMARAS TÉRMICAS

Figura 3: Esquema de una cámara térmica. Fuente: Infiray

Actualmente la tecnología imperante en los fabricantes de cámaras térmicas es la IRFPA, basada en un sensor bidimensional formado por un conjunto de celdas detectoras, en la que cada elemento detecta una porción del campo de imagen de la cámara. Estos detectores pueden ser de dos tipos:

• Detectores de fotones, que convierten la radiación electromagnética absorbida en un cambio de la distribución de la energía en el semiconductor de la celda detectora. Este tipo de detectores trabajan en la banda MWIR (de 3 a 8 micrómetros) en la que el contraste térmico es alto, y el uso de estos detectores permite una ratio de imágenes por segundo más alto que los detectores térmicos que se describen a continuación. El principal inconveniente de estos detectores es que requieren de refrigeración a temperaturas por debajo de 77º Kelvin para reducir el ruido térmico, lo cual encarece su coste de adquisición y mantenimiento [1].
• Detectores térmicos, que convierten la radiación electromagnética absorbida en un incremento de la temperatura de la celda detectora, que a su vez debido al incremento de temperatura cambia sus propiedades, su resistencia, eléctrica. Este tipo de detectores trabajan en la banda LWIR (de 8 a 14 micrómetros) y no requieren refrigeración. Normalmente se trata de microbolómetros de Óxido de Vanadio o Silicio amorfo [1].

Los detectores térmicos basados en microbolómetros se han impuesto en las aplicaciones de CCTV por una serie de ventajas:

• Su alta sensibilidad medida a través del parámetro NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) que determina la diferencia de temperatura mínima detectable, y que actualmente se sitúa, en algunos fabricantes por debajo de los 40mK. En cámaras de detectores de fotones (refrigeradas) el valor de este parámetro está por debajo de los 25mK.
• Permiten un tamaño de celda detectora (pixel) menor, y con ello una mejor resolución, con lo que consiguen capturar una mayor área o campo. Actualmente ya hay fabricantes con resoluciones de 640×512 píxeles. Además, cuando mayor es la resolución mayor precisión se consigue en cada punto.
• Permiten una menor distancia entre píxeles o pixel pitch. El pixel pitch es la distancia en micrómetros entre dos sensores adyacentes de un microbolómetro, y su valor influye en la distancia máxima de detección, a menor valor, menores dimensiones del sensor IRFPA y mayor distancia de detección. Actualmente se está imponiendo la tecnología con un pixel pitch de 12 micrómetros, frente a los 17 micrómetros que se utilizaban anteriormente.

Un elemento importante de las cámaras témicas es la lente, como el vidrio tiene unos niveles bajos de transmitancia de la radiación térmica es necesario utilizar otro material, siendo el Germánio el más usado. El Germanio es un metaloide de color blanco grisaceo que se comporta de manera transparente para la luz infrarroja pero refleja la luz en el espectro visible. Al ser un metal de alto coste hace cobrar importancia al tamaño de las lentes, por el elevado coste de éstas.

Una característica importante de las lentes es el campo de visión (FOV) y se refiere a la extensión de la escena que la cámara puede capturar. Cuanto mayor sea el campo de visión, mayor será el área o espacio que se podrá capturar con la cámara térmica. Sabiendo la distancia a la que se puede instalar la cámara y el tamaño del más mínimo detalle que queremos medir en la escena, nos permite identificar la óptica ideal para nuestra aplicación:

Figura 4: Esquema del campo de visión FOV de las cámaras térmicas. Fuente: visiontir.com

Además de todo lo anterior, es necesario tener en cuenta también una serie de parámetros de las cámaras térmicas, como son:

• La precisión de la cámara, que se determina con una tolerancia en grados centígrados, las cámaras con mayor precisión tienen una tolerancia de ±2º Celsius, mientras que las menos precisas tiene una tolerancia de ±8º Celsius.
• El rango de temperaturas en el que la cámara puede trabajar.
• Flat Field Correction (FFC) es una calibración de compensación para mejorar la calidad de la imagen térmica compensando ciertos errores que se acumulan durante el funcionamiento de la cámara.
• Las imágenes térmicas tienen poco contraste debido a la dispersión de la radiación térmica en la escena. Generalmente resulta difícil separar los objetos del fondo en estas imágenes. Por lo tanto, en el procesamiento de imágenes IR, es una tarea crítica aumentar los detalles de la escena (Digital Detail Enhancement-DDE) y reducir el ruido, afinando los bordes y aumentando el contraste para distinguir correctamente los objetivos en la escena [3].

Bibliografia

[1] Thermal Cameras and Applications. A survey. Gade, Rikke; Moeslund, Thomas B. Published in: Machine Vision & Applications

[2] Thermal imaging systems and its real time applications: A survey. Mritunjay, Rai; Tanmoy Maity, R.K. Yadav. ASEE American Society for Engineering Education. Journal of Engineering Technology (ISSN: 0747-9964) Volume 6, Issue 2, July 2017, pp: 290-303

[3] Gaussian Filter Based Digital Detail Enhancement in Thermal Images. H. Bozkurt and A. Taşyapi Celebi. 2021 29th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), Istanbul, Turkey, 2021, pp. 1-4, doi: 10.1109/SIU53274.2021.9477966.

Artículo publicado el LinkedIn el 20/03/2024, para acceder al artículo pulsar aquí.