Come funziona l'imaging termico

All'indomani degli attentati alla maratona di Boston, era in corso la caccia all'uomo per porre fine a tutte le cacce all'uomo. C'era solo un problema: nonostante il loro enorme vantaggio in termini di manodopera e potenza di fuoco, le autorità non riuscivano a trovare gli autori.

Avvisati da un proprietario di casa sospettoso, alla fine hanno ristretto la loro ricerca a una grande barca coperta situata in un vialetto. Poiché il sospetto era nascosto alla vista, non potevano confermare visivamente la sua posizione esatta sulla barca, né potevano vedere se fosse armato. Gli ufficiali stavano lavorando nell'oscurità, ciechi al pericolo. Fu allora che una termocamera ha contribuito a salvare la situazione.

Quella telecamera , montata su un elicottero che volava sopra la sua testa, mostrava chiaramente l'uomo sdraiato prono sul pavimento della barca. Ha anche rivelato che la persona era viva e in movimento. Aiutata dalle informazioni visive dell'elicottero, una squadra SWAT è stata finalmente in grado di avvicinarsi alla barca e catturare il sospetto.

Una telecamera termografica (o telecamera a infrarossi ) rileva la luce infrarossa (o il calore) invisibile all'occhio umano. Questa caratteristica rende queste telecamere incredibilmente utili per tutti i tipi di applicazioni, inclusi sicurezza, sorveglianza e usi militari, in cui i malintenzionati vengono rintracciati in ambienti bui, fumosi, nebbiosi o polverosi... o anche quando sono nascosti dietro la copertura di una barca .

Gli archeologi impiegano telecamere a infrarossi nei siti di scavo. Gli ingegneri li usano per trovare carenze strutturali. Medici e tecnici medici possono individuare e diagnosticare i problemi all'interno del corpo umano. I vigili del fuoco scrutano nel cuore degli incendi. Gli operatori delle utility rilevano potenziali problemi sulla rete elettrica o trovano perdite nelle linee dell'acqua o del gas. Gli astronomi utilizzano la tecnologia a infrarossi per esplorare le profondità dello spazio. Gli scienziati li usano per una vasta gamma di scopi sperimentali.

Esistono diversi tipi di dispositivi di imaging termico per tutte queste attività, ma ogni telecamera si basa sullo stesso insieme di principi per funzionare. Nella pagina successiva toglieremo i paraocchi su come funziona esattamente la termografia.

1. Illuminazione leggera
2. L'immagine termica si riscalda
3. Complessità delle immagini termiche
4. Visione notturna... No
5. Tecnologia super calda

Gli occhi umani sono organi meravigliosamente complicati e intricati. Sono fatti per vedere la luce visibile . Questa luce si riflette sugli oggetti, rendendoli visibili a noi.

La luce, che è un tipo di radiazione , ha più sapori del solo tipo visibile. La gamma di luce copre un intero spettro elettromagnetico , composto da luce visibile e invisibile, oltre a raggi X , raggi gamma, onde radio, microonde e luce ultravioletta.

La lunghezza d'onda (detta anche frequenza ) è ciò che rende ciascuno di questi tipi di luce diverso l'uno dall'altro. Ad un'estremità dello spettro, ad esempio, abbiamo i raggi gamma, che hanno lunghezze d'onda molto corte. Dall'altro lato dello spettro, abbiamo le onde radio, che hanno lunghezze d'onda molto più lunghe. Tra questi due estremi, c'è una banda stretta di luce visibile, e vicino a quella banda è dove esistono le lunghezze d'onda dell'infrarosso , in frequenze da 430 THz (tetrahertz) a 300 GHz (gigahertz).

Comprendendo gli infrarossi , possiamo utilizzare i dispositivi di imaging termico per rilevare la firma del calore di qualsiasi oggetto. Quasi tutta la materia emette almeno un po' di calore, anche oggetti molto freddi come il ghiaccio. Questo perché, a meno che quell'oggetto non sia allo zero assoluto (meno 459,67 gradi Fahrenheit o meno 273,15 gradi Celsius), i suoi atomi si muovono ancora e oscillano, sbattono e generano calore.

A volte, gli oggetti sono così caldi da spegnere la luce visibile: pensa alle bobine rosse e roventi su una stufa elettrica o ai carboni in un falò. A una temperatura più bassa quegli oggetti non si illuminano di rosso, ma se puoi assolutamente avvicinare la mano a loro puoi sentire il calore, o i raggi infrarossi, mentre fluiscono verso l'esterno verso la tua pelle.

Tuttavia, molto spesso la nostra pelle non è molto utile per rilevare gli infrarossi. Se riempissi una tazza di acqua calda e una di acqua fredda e le mettessi su un tavolo dall'altra parte di una stanza, non avresti idea di quale fosse. Una termocamera, tuttavia, lo sa immediatamente.

In una situazione come questa, gli esseri umani si affidano a strumenti elettronici per l'assistenza. In sostanza, i dispositivi di imaging termico sono come un aiuto per la nostra vista, estendendo il nostro raggio visivo in modo da poter vedere gli infrarossi oltre alla luce visibile. Potenziati da queste informazioni visive ampliate, diventiamo i supereroi dello spettro elettromagnetico.

Ma come può un dispositivo digitale captare segnali di calore invisibili e creare un'immagine che abbia senso per i nostri occhi? Nella pagina successiva vedrai come i progressi nell'elaborazione digitale lo rendono possibile.

Le termocamere sono dispositivi moderni ad alta tecnologia. Ma la scoperta della luce infrarossa è arrivata molto, molto tempo fa.

Nel 1800, un astronomo britannico di nome Sir William Herschel scoprì l'infrarosso. Lo ha fatto usando un prisma per dividere un raggio di luce solare nelle sue diverse lunghezze d'onda e quindi tenendo un termometro vicino a ciascun colore di luce. Si rese conto che il termometro rilevava il calore anche dove non c'era luce visibile, in altre parole, nelle lunghezze d'onda in cui esiste l'infrarosso.

Per tutto il 1800, una serie di intrepidi pensatori sperimentò materiali che cambiavano in conducibilità se esposti al calore. Ciò ha portato allo sviluppo di termometri estremamente sensibili, chiamati bolometri , che potevano rilevare minuscole differenze di calore a distanza.

Eppure è stato solo dopo la seconda guerra mondiale che la ricerca sugli infrarossi ha iniziato davvero a surriscaldarsi. Rapidi progressi avvennero, in gran parte grazie alla scoperta dei transistor , che migliorarono la costruzione dell'elettronica in una moltitudine di modi.

In questi giorni, l'evoluzione delle telecamere a infrarossi si è divisa in due categorie, chiamate rilevamento diretto e rilevamento termico .

Gli imager a rilevamento diretto sono fotoconduttivi o fotovoltaici . Le fotocamere fotoconduttive utilizzano componenti che cambiano nella resistenza elettrica quando vengono colpiti da fotoni di una lunghezza d'onda specifica. I materiali fotovoltaici, d'altra parte, sono anche sensibili ai fotoni, ma invece di cambiare resistenza, cambiano di tensione. Sia le telecamere fotoconduttive che quelle fotovoltaiche richiedono entrambi sistemi di raffreddamento intensi per renderle utili per il rilevamento dei fotoni.

Sigillando la custodia dell'imager e raffreddando criogenicamente l'elettronica, gli ingegneri riducono la possibilità di interferenze ed estendono notevolmente la sensibilità e la portata complessiva del rilevatore. Questi tipi di telecamere sono costosi, più soggetti a guasti e costosi da riparare. La maggior parte degli imager non dispone di sistemi di raffreddamento integrati. Ciò li rende in qualche modo meno precisi delle loro controparti raffreddate, ma anche molto meno costosi.

La tecnologia di rilevamento termico, tuttavia, è spesso integrata in strumenti chiamati microbolometri . Non rilevano i fotoni. Invece, rilevano le differenze di temperatura rilevando la radiazione termica da un oggetto distante.

Quando i microbolometri assorbono energia termica, i loro sensori di rilevamento aumentano di temperatura, il che a sua volta altera la resistenza elettrica del materiale del sensore. Un processore può interpretare questi cambiamenti nella resistenza e utilizzare i punti dati per generare un'immagine su un display. Questi array non hanno bisogno di pazzi sistemi di raffreddamento. Ciò significa che possono essere integrati in dispositivi più piccoli, come occhiali per la visione notturna, mirini per armi e termocamere portatili.

Le immagini termiche funzionano un po' come l'occhio umano. Solo invece di captare la luce visibile e riflessa, i dispositivi di imaging termico rilevano il calore rilasciato da un oggetto.

Come già sapete, gli oggetti sia caldi che freddi emettono calore. Mentre quel calore si sposta verso l'esterno dall'oggetto, un dispositivo di imaging termico può vederlo. Come una fotocamera, questi dispositivi hanno una lente ottica, che concentra l'energia su un rivelatore a infrarossi . Questo rilevatore ha migliaia di punti dati in modo che possa rilevare sottili variazioni di temperatura, da circa meno 4 gradi Fahrenheit (meno 20 gradi Celsius) a 3.600 gradi Fahrenheit (2.000 gradi Celsius).

Then, the detector constructs a thermogram, which is basically a temperature pattern. The data from the thermogram is transformed into electrical signals and zipped to a processing chip in the camera. That chip converts the thermogram's raw data into visual signals that appear on a display screen. The whole process works very quickly, updating about 30 times per second.

Many imagers show objects as monochrome pictures, with hotter areas shown as black and cooler areas as gray or white. On a color imager, hot objects jump off the screen as white, yellow, red and orange, while cool areas are blue or violet. These are called false color images, because the device artificially assigns colors to each area of the image -- unlike a regular camera , which creates true color images that show objects as they appear in real life.

Depending on the relative warmth of each object in view, the resulting image may offer striking visual detail, such as a full picture of a man holding a gun. In instances where temperature gradations are less distinct, the image may be fuzzier and less definitive.

Picture quality changes depending on whether the imager is active or passive. Active systems actually warm the surface of a target object using a laser or other energy source in order to make it more visible to its detector (and also anyone standing near the target area). For example, some car manufacturers warm vehicle parts as they pass through the factory, making any flaws in construction more visible to thermal cameras. Passive systems just detect the heat that the object emits naturally. Both systems have their pros and cons, but the simplicity of passive systems makes them far more common.

Early versions of infrared detectors were big, unwieldy and noisy. Contemporary cooled systems are much improved, but even now they are still heavy, bulky and expensive, and often attached to large vehicles or planes so that they can be moved to a location and then put to use.

One popular cooled system, for example, is the FLIR SAFIRE III, which was used to narrow the search for the Boston bombing suspect [source: Peluso]. This unit is tough enough for military use and stabilized with an onboard gyroscope, and it works on land vehicles or on aircraft. It also weighs 100 pounds and costs around $500,000 as of 2013. "Cheaper" detecting units often run into tens of thousands of dollars, making them too expensive for the general public.

Uncooled products are much less expensive, and they are a lot smaller, too. Take the Extech i5 -- it costs around $1,600 and it weighs the same as a can of soda. It has a rechargeable lithium-ion battery, a 2.8-inch (7.1-centimeter) color LCD screen and, like a typical digital camera, it stores its pictures to a removable flash card.

Or consider the FLIR Scout PS24 monocular, which retails for roughly $2,000. It's only 6.7 inches (17 centimeters) long, so hikers, hunters and security professionals can take it wherever they roam. In spite of its small size, it has a color display and is waterproof, too.

Some of these imagers offer nifty features such as picture-in-picture displays, interchangeable lenses, laser pointers (so you can see exactly where you're pointing the camera), integrated GPS , WiFi connectivity and even microphones so that you can add voice comments to each image.

The Extech and FLIR products are both based on microbolometer technology. They're much different than most of the night-vision or infrared illuminated cameras common at the consumer level. You know these gadgets -- they produce that sickly green glow in movies and TV shows.

That kind of night vision doesn't detect heat. Instead, those products greatly amplify wisps of ambient light in order to reveal objects in the dark. In other words, they still need visible light being reflected off of those objects or they won't work very well.

The same goes for infrared illuminated cameras. These cameras project an infrared beam (think of your TV's remote control), which bounces off target objects and reflects light back towards the camera sensor.

Thermal imagers are continually improving in sensitivity and features. But they are not a perfect technology.

Certo, queste telecamere possono vedere le firme di calore all'interno di veicoli, case e altri materiali densi. Ma qualsiasi materiale fisico (come le finestre di vetro) che blocca il calore ridurrà l'efficacia del dispositivo. Puoi persino acquistare vestiti che contrastino alcuni sensori di ricerca del calore [fonte: Maly ].

C'è anche la questione dell'interpretazione delle immagini che appaiono sul display di una fotocamera. Le immagini spesso sfocate e mutevoli sono semplicemente rappresentazioni della temperatura e non immagini reali, quindi dare loro un senso dipende dall'esperienza dell'utente. Le persone inesperte possono interpretare erroneamente tali immagini, specialmente in scenari con circostanze attenuanti come condizioni meteorologiche avverse o interferenze.

Le spese continueranno a essere un problema per chiunque non abbia tasche profonde. Anche gli imager più convenienti costano molte centinaia di dollari e hanno solo una frazione delle capacità di quelli schierati dal governo e dalle agenzie militari.

Coloro che hanno l'impasto, tuttavia, possono eseguire alcune prodezze incredibili. Gli aspetti di sicurezza e sorveglianza sono quasi scontati: i cattivi hanno molti meno posti dove nascondersi quando poliziotti e soldati possono rintracciare i sospetti anche senza linea visiva, che si tratti di un'area urbana, ai confini nazionali o all'interno di edifici.

Utilizzando telecamere termiche, i vigili del fuoco possono localizzare le persone intrappolate all'interno delle strutture, alloggiare in punti caldi e individuare i problemi strutturali prima che qualcuno si faccia male. Gli scienziati possono trovare tane di orsi polari artici nelle profondità dei banchi di neve. Le antiche rovine spesso mostrano firme di calore diverse rispetto al suolo e alle rocce che le circondano, il che significa che gli archeologi possono utilizzare gli imager per trovare il loro prossimo sito di scavo.

Gli ispettori edili portano telecamere termiche per trovare perdite o carenze nei tetti e nell'isolamento. Allo stesso modo, gli addetti alla bonifica possono trovare l'acqua e la successiva formazione di muffe dietro i muri, anche nei casi in cui il proprietario di un immobile non avesse idea che ci fosse un problema.

I componenti della rete elettrica che si surriscaldano possono causare guasti e quindi blackout . Per scongiurare interruzioni, i lavoratori sfruttano gli imager per individuare le aree deteriorate in una griglia. Le perdite di gas sono un'altra sfida importante per i servizi pubblici e le termocamere possono vedere le perdite prima che diventino problemi più gravi.

Preoccupato per un'epidemia? Installa telecamere termiche in aree pubbliche ad alto traffico come stazioni ferroviarie e aeroporti e puoi individuare la gente febbricitante in mezzo alla folla.

L'elenco degli usi potrebbe continuare all'infinito. E man mano che le aziende investono di più in ricerca e sviluppo, le termocamere diventeranno sempre migliori e più economiche, e quindi troveranno posto in molte più situazioni, dalla ricreazione alla ricerca. Quella che ora è una tecnologia calda sta diventando sempre più calda e noi umani stiamo vedendo il nostro mondo in un modo completamente nuovo.

Nota dell'autore: come funziona l'imaging termico

Le chiamiamo termocamere, ma in realtà non sono telecamere. Invece, le termocamere sono sensori. E per il momento, sono davvero molto costosi. Ho avuto la fortuna di giocare con un imager portatile alcuni anni fa, quando stavamo cercando la fonte di una misteriosa intrusione d'acqua in una casa di periferia. Fotocamera alla mano, abbiamo scoperto che un angolo della casa era molto più fresco delle altre pareti. Abbiamo rimosso il muro a secco e trovato un buco abbastanza grande da creare un problema con l'acqua durante i forti acquazzoni. Potremmo aver usato il dispositivo solo per un paio d'ore, ma ha sicuramente dimostrato il suo valore.

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