Cómo funciona la imagen térmica

Después de los atentados con bombas en el maratón de Boston, la persecución para poner fin a todas las cacerías estaba en marcha. Solo había un problema: a pesar de su enorme ventaja en mano de obra y potencia de fuego, las autoridades parecían no poder encontrar a los perpetradores.

Avisados ​​​​por un propietario sospechoso, finalmente redujeron su búsqueda a un bote grande y cubierto que se encontraba en un camino de entrada. Debido a que el sospechoso estaba oculto a la vista, no pudieron confirmar visualmente su posición exacta en el bote, ni pudieron ver si estaba armado. Los oficiales trabajaban en la oscuridad, ciegos al peligro. Fue entonces cuando una cámara termográfica ayudó a salvar el día.

Esa cámara , montada en un helicóptero que volaba en círculos, mostraba claramente al hombre tendido boca abajo en el piso del bote. También reveló que la persona estaba viva y en movimiento. Con la ayuda de la información visual del helicóptero, un equipo SWAT finalmente pudo acercarse al bote y detener al sospechoso.

Una cámara termográfica (o cámara infrarroja ) detecta luz infrarroja (o calor) invisible para el ojo humano. Esa característica hace que estas cámaras sean increíblemente útiles para todo tipo de aplicaciones, incluidos los usos de seguridad, vigilancia y militares, en los que se rastrea a los malos en entornos oscuros, llenos de humo, neblinosos o polvorientos... o incluso cuando están escondidos detrás de la cubierta de un barco. .

Los arqueólogos despliegan cámaras infrarrojas en los sitios de excavación. Los ingenieros los utilizan para encontrar deficiencias estructurales. Los médicos y técnicos médicos pueden identificar y diagnosticar problemas en el cuerpo humano. Los bomberos observan el corazón de los incendios. Los trabajadores de servicios públicos detectan problemas potenciales en la red eléctrica o encuentran fugas en las líneas de agua o gas. Los astrónomos usan tecnología infrarroja para explorar las profundidades del espacio. Los científicos los utilizan para una amplia gama de propósitos experimentales.

Existen diferentes tipos de dispositivos de imágenes térmicas para todas estas tareas, pero cada cámara se basa en el mismo conjunto de principios para funcionar. En la página siguiente, le mostraremos exactamente cómo funciona la termografía.

1. Iluminación de luz
2. La imagen térmica se calienta
3. Complejidades de la imagen térmica
4. Visión nocturna... No
5. Tecnología súper caliente

Los ojos humanos son órganos maravillosamente complicados e intrincados. Están hechos para ver la luz visible . Esta luz se refleja en los objetos, haciéndolos visibles para nosotros.

La luz, que es un tipo de radiación , viene en más sabores además del tipo visible. El rango de luz abarca un espectro electromagnético completo , compuesto por luz visible e invisible, así como rayos X , rayos gamma, ondas de radio, microondas y luz ultravioleta.

La longitud de onda (también llamada frecuencia ) es lo que hace que cada uno de estos tipos de luz sea diferente entre sí. En un extremo del espectro, por ejemplo, tenemos los rayos gamma, que tienen longitudes de onda muy cortas. En el otro lado del espectro, tenemos las ondas de radio, que tienen longitudes de onda mucho más largas. Entre esos dos extremos, hay una banda estrecha de luz visible, y cerca de esa banda es donde existen longitudes de onda infrarrojas , en frecuencias de 430 THz (tetrahercios) a 300 GHz (gigahercios).

Al comprender el infrarrojo , podemos usar dispositivos de imágenes térmicas para detectar la firma de calor de casi cualquier objeto. Casi toda la materia emite al menos un poco de calor, incluso los objetos muy fríos como el hielo. Esto se debe a que, a menos que ese objeto esté en el cero absoluto (menos 459,67 grados Fahrenheit o menos 273,15 grados Celsius), sus átomos todavía se mueven y vibran, dando tumbos y generando calor.

A veces, los objetos están tan calientes que emiten luz visible; piense en las bobinas rojas y ardientes de una estufa eléctrica o en las brasas de una fogata. A una temperatura más baja, esos objetos no brillarán en rojo, pero si definitivamente puedes acercar tu mano a ellos, puedes sentir el calor, o los rayos infrarrojos, a medida que fluyen hacia tu piel.

Sin embargo, muy a menudo nuestra piel no es muy útil para detectar infrarrojos. Si llenaras un vaso con agua tibia y otro con agua fría y los pusieras en una mesa al otro lado de la habitación, no tendrías idea de cuál es cuál. Sin embargo, una cámara termográfica lo sabe al instante.

En una situación como esta, los humanos confían en las herramientas electrónicas para obtener ayuda. En esencia, los dispositivos de imágenes térmicas son como un compañero para nuestra vista, ya que amplían nuestro rango visual para que podamos ver el infrarrojo además de la luz visible. Empoderados con esta información visual ampliada, nos convertimos en los superhéroes del espectro electromagnético.

Pero, ¿cómo es posible que un dispositivo digital detecte señales de calor invisibles y cree una imagen que tenga sentido para nuestros ojos? En la página siguiente, verá cómo los avances en el procesamiento digital lo hacen posible.

Las cámaras termográficas son dispositivos modernos de alta tecnología. Pero el descubrimiento de la luz infrarroja se produjo hace mucho, mucho tiempo.

En 1800, un astrónomo británico llamado Sir William Herschel descubrió el infrarrojo. Lo hizo usando un prisma para dividir un rayo de luz solar en sus diferentes longitudes de onda y luego sosteniendo un termómetro cerca de cada color de luz. Se dio cuenta de que el termómetro detectaba calor incluso donde no había luz visible, en otras palabras, en las longitudes de onda donde existe el infrarrojo.

A lo largo de la década de 1800, una serie de intrépidos pensadores experimentaron con materiales que cambiaban de conductividad cuando se exponían al calor. Esto condujo al desarrollo de termómetros extremadamente sensibles, llamados bolómetros , que podían detectar diminutas diferencias de calor a distancia.

Sin embargo, no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que la investigación de infrarrojos realmente comenzó a calentarse. Se produjeron rápidos avances, en gran parte gracias al descubrimiento de los transistores , que mejoraron la construcción de la electrónica de muchas maneras.

Actualmente, la evolución de las cámaras infrarrojas se ha dividido en dos categorías, denominadas detección directa y detección térmica .

Los generadores de imágenes de detección directa son fotoconductores o fotovoltaicos . Las cámaras fotoconductoras emplean componentes cuya resistencia eléctrica cambia cuando son golpeados por fotones de una longitud de onda específica. Los materiales fotovoltaicos, por otro lado, también son sensibles a los fotones, pero en lugar de cambiar la resistencia, cambian de voltaje. Tanto las cámaras fotoconductoras como las fotovoltaicas requieren sistemas de refrigeración intensos para que sean útiles para la detección de fotones.

Al sellar la carcasa del generador de imágenes y enfriar criogénicamente su electrónica, los ingenieros reducen la posibilidad de interferencia y amplían en gran medida la sensibilidad y el alcance general del detector. Este tipo de cámaras son costosas, más propensas a fallar y costosas de reparar. La mayoría de los reproductores de imágenes no tienen sistemas de refrigeración integrados. Eso los hace un poco menos precisos que sus contrapartes enfriados, pero también mucho menos costosos.

La tecnología de detección térmica, sin embargo, a menudo se integra en herramientas llamadas microbolómetros . No detectan fotones. En cambio, detectan las diferencias de temperatura al detectar la radiación térmica de un objeto distante.

A medida que los microbolómetros absorben energía térmica, la temperatura de sus sensores detectores aumenta, lo que a su vez altera la resistencia eléctrica del material del sensor. Un procesador puede interpretar estos cambios en la resistencia y usar los puntos de datos para generar una imagen en una pantalla. Estos arreglos no necesitan ningún sistema de enfriamiento loco. Eso significa que se pueden integrar en dispositivos más pequeños, como gafas de visión nocturna, miras de armas y cámaras termográficas portátiles.

Las imágenes térmicas funcionan un poco como el ojo humano. Solo que en lugar de captar la luz visible reflejada, los dispositivos de imágenes térmicas detectan el calor liberado por un objeto.

Como ya sabes, los objetos tanto fríos como calientes emiten calor. A medida que ese calor se mueve hacia afuera del objeto, un dispositivo de imagen térmica puede verlo. Al igual que una cámara, estos dispositivos tienen una lente óptica que enfoca la energía en un detector de infrarrojos . Este detector tiene miles de puntos de datos para que pueda detectar cambios sutiles en la temperatura, desde menos 4 grados Fahrenheit (menos 20 grados Celsius) hasta 3600 grados Fahrenheit (2000 grados Celsius).

Luego, el detector construye un termograma , que es básicamente un patrón de temperatura. Los datos del termograma se transforman en señales eléctricas y se comprimen en un chip de procesamiento en la cámara. Ese chip convierte los datos sin procesar del termograma en señales visuales que aparecen en una pantalla. Todo el proceso funciona muy rápido, actualizándose unas 30 veces por segundo.

Muchos reproductores de imágenes muestran los objetos como imágenes monocromáticas, con las áreas más calientes en negro y las más frías en gris o blanco. En una impresora de imágenes en color, los objetos calientes saltan de la pantalla como blanco, amarillo, rojo y naranja, mientras que las áreas frías son azules o violetas. Estas se denominan imágenes en color falso , porque el dispositivo asigna colores artificialmente a cada área de la imagen, a diferencia de una cámara normal , que crea imágenes en color verdadero que muestran los objetos tal como aparecen en la vida real.

Dependiendo de la calidez relativa de cada objeto a la vista, la imagen resultante puede ofrecer detalles visuales sorprendentes, como una imagen completa de un hombre que sostiene un arma. En los casos en que las gradaciones de temperatura son menos claras, la imagen puede ser más borrosa y menos definitiva.

La calidad de la imagen cambia dependiendo de si la cámara está activa o pasiva . Los sistemas activos en realidad calientan la superficie de un objeto objetivo utilizando un láser u otra fuente de energía para hacerlo más visible para su detector (y también para cualquier persona que se encuentre cerca del área objetivo). Por ejemplo, algunos fabricantes de automóviles calientan las piezas de los vehículos cuando pasan por la fábrica, lo que hace que cualquier falla en la construcción sea más visible para las cámaras térmicas. Los sistemas pasivos solo detectan el calor que el objeto emite de forma natural. Ambos sistemas tienen sus pros y sus contras, pero la simplicidad de los sistemas pasivos los hace mucho más comunes.

Las primeras versiones de los detectores infrarrojos eran grandes, difíciles de manejar y ruidosas. Los sistemas refrigerados contemporáneos han mejorado mucho, pero incluso ahora siguen siendo pesados, voluminosos y caros, y a menudo se conectan a grandes vehículos o aviones para que puedan trasladarse a un lugar y luego ponerse en uso.

Un sistema refrigerado popular, por ejemplo, es el FLIR SAFIRE III, que se utilizó para reducir la búsqueda del sospechoso del atentado de Boston [fuente: Peluso ]. Esta unidad es lo suficientemente resistente para uso militar y estabilizada con un giroscopio a bordo, y funciona en vehículos terrestres o en aviones. También pesa 100 libras y cuesta alrededor de $ 500,000 a partir de 2013. Las unidades de detección "más baratas" a menudo cuestan decenas de miles de dólares, lo que las hace demasiado caras para el público en general.

Los productos no refrigerados son mucho menos costosos y también son mucho más pequeños. Tome el Extech i5: cuesta alrededor de $ 1,600 y pesa lo mismo que una lata de refresco. Tiene una batería recargable de iones de litio, una pantalla LCD a color de 2,8 pulgadas (7,1 centímetros) y, como una cámara digital típica, almacena sus imágenes en una tarjeta flash extraíble.

O considere el monocular FLIR Scout PS24, que se vende al por menor por aproximadamente $2,000. Tiene solo 6,7 pulgadas (17 centímetros) de largo, por lo que los excursionistas, cazadores y profesionales de la seguridad pueden llevarlo a donde sea que vayan. A pesar de su pequeño tamaño, tiene una pantalla a color y también es resistente al agua.

Algunos de estos lectores de imágenes ofrecen funciones ingeniosas como pantallas de imagen en imagen, lentes intercambiables, punteros láser (para que pueda ver exactamente hacia dónde apunta la cámara), GPS integrado , conectividad WiFi e incluso micrófonos para que pueda agregar voz. comentarios a cada imagen.

Los productos de Extech y FLIR se basan en tecnología de microbolómetros. Son muy diferentes a la mayoría de las cámaras de visión nocturna o iluminadas por infrarrojos comunes a nivel de consumidor. Conoces estos aparatos: producen ese brillo verde enfermizo en las películas y los programas de televisión.

Ese tipo de visión nocturna no detecta el calor. En cambio, esos productos amplifican en gran medida los hilos de luz ambiental para revelar objetos en la oscuridad. En otras palabras, todavía necesitan que la luz visible se refleje en esos objetos o no funcionarán muy bien.

Lo mismo ocurre con las cámaras iluminadas por infrarrojos. Estas cámaras proyectan un rayo infrarrojo (piense en el control remoto de su televisor), que rebota en los objetos objetivo y refleja la luz hacia el sensor de la cámara.

Las cámaras termográficas mejoran continuamente en sensibilidad y características. Pero no son una tecnología perfecta.

Claro, estas cámaras pueden ver señales de calor dentro de vehículos, casas y otros materiales densos. Pero cualquier material físico (como ventanas de vidrio) que bloquee el calor reducirá la efectividad del dispositivo. Incluso puede comprar ropa que contrarrestará algunos sensores de búsqueda de calor [fuente: Maly ].

También está la cuestión de interpretar las imágenes que aparecen en la pantalla de una cámara. Las imágenes cambiantes, a menudo borrosas, son simplemente representaciones de la temperatura y no imágenes reales, por lo que darles sentido depende de la experiencia del usuario. Las personas sin experiencia pueden malinterpretar esas imágenes, especialmente en escenarios con circunstancias atenuantes como inclemencias del tiempo o interferencias.

Los gastos seguirán siendo un problema para cualquiera que no tenga mucho dinero. Incluso los generadores de imágenes más asequibles cuestan muchos cientos de dólares y tienen solo una fracción de la capacidad de los desplegados por agencias gubernamentales y militares.

Sin embargo, aquellos que tienen la masa pueden realizar algunas hazañas increíbles. Los aspectos de seguridad y vigilancia son casi un hecho: los malos tienen muchos menos lugares donde esconderse cuando los policías y los soldados pueden rastrear a los sospechosos incluso sin línea de visión, ya sea en un área urbana, en las fronteras nacionales o dentro de edificios.

Usando cámaras térmicas, los bomberos pueden ubicar a las personas atrapadas dentro de las estructuras, ubicarse en puntos calientes e identificar problemas estructurales antes de que alguien resulte herido. Los científicos pueden encontrar guaridas de osos polares del Ártico en lo profundo de los bancos de nieve. Las ruinas antiguas a menudo exhiben firmas de calor diferentes a las del suelo y las rocas que las rodean, lo que significa que los arqueólogos pueden usar generadores de imágenes para encontrar su próximo sitio de excavación.

Los inspectores de edificios llevan cámaras térmicas para encontrar fugas o deficiencias en los techos y el aislamiento. De manera similar, los trabajadores de remediación pueden encontrar agua y el posterior crecimiento de moho detrás de las paredes, incluso en los casos en que el dueño de la propiedad no tenía idea de que había un problema.

Los componentes de la red eléctrica que se sobrecalientan pueden provocar fallas y luego apagones . Para evitar interrupciones, los trabajadores aprovechan los generadores de imágenes para detectar áreas de deterioro en una cuadrícula. Las fugas de gas son otro desafío importante para las empresas de servicios públicos, y las cámaras térmicas pueden ver las fugas antes de que se conviertan en problemas mayores.

¿Preocupado por una epidemia? Instale cámaras térmicas en áreas públicas de mucho tráfico, como estaciones de tren y aeropuertos, y podrá detectar personas con fiebre entre la multitud.

La lista de usos sigue y sigue. Y a medida que las empresas inviertan más en investigación y desarrollo, las cámaras térmicas solo serán mejores y más baratas y, por lo tanto, encontrarán un lugar en muchas más situaciones, desde recreación hasta investigación. Lo que ahora es una tecnología candente solo se está volviendo más candente, y los humanos estamos viendo nuestro mundo de una manera completamente nueva.

Nota del autor: cómo funciona la termografía

Las llamamos cámaras térmicas, pero en realidad no son cámaras. En cambio, las cámaras termográficas son sensores. Y por el momento, son muy, muy caros. Tuve la suerte de jugar con un generador de imágenes portátil hace unos años cuando buscábamos la fuente de una misteriosa intrusión de agua en una casa suburbana. Cámara en mano, encontramos que un rincón de la casa estaba mucho más fresco que otras paredes. Quitamos el panel de yeso y encontramos un agujero lo suficientemente grande como para crear un problema de agua durante los fuertes aguaceros. Es posible que hayamos usado el dispositivo solo por un par de horas, pero definitivamente demostró su valor.

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