Leica Wärmebildkameras

Optiques thermiques Leica.

La maîtrise du sujet.

Technologie d’imagerie thermique moderne :
Comment la nuit devient image.

Tout corps est émetteur permanent d’ondes électromagnétiques. Elles se composent d’un mélange issu de la réflexion des ondes lumineuses et des ondes thermiques. Néanmoins, notre œil ne peut capter que la réflexion des ondes qui se trouvent dans le spectre de la lumière visible. Une grande partie des ondes réfléchies dans la région de l’ultraviolet et de l’infrarouge, ne peut être prise en compte par l‘œil humain. Les optiques de chasse conventionnelles telles que les jumelles et les lunettes de visée, sont optimisées de façon à pouvoir transmettre la lumière visible avec le moins de pertes possibles. Pour ce faire le matériau prédestiné dans la fabrication des lentilles est le verre, car il transmet le spectre visible à plus de 90 %.

De nuit les sources de lumière sont très faibles, ce qui en limite la réflexion dans l‘environnement. C’est alors qu‘en raison du spectre de la lumière visible l’œil atteint ses limites, ce qui rend impossible la perception d’une image détaillée.

Moderne Wärmebildtechnik 1

Des supports techniques tels que les intensificateurs de lumière résiduelle sont en mesure de détecter le „spectre infrarouge de proximité“ qui est invisible à l’œil nu, puis de le transformer en lumière visible qui s’affiche sur un écran par le biais d’un circuit électronique. Dans l’obscurité intégrale, il est possible de générer une réflexion artificielle par l’emploi d’une torche infrarouge. Cette technique souffre de trois inconvénients, à savoir une portée limitée, la dépendance d’une source de lumière infrarouge et l’absence de contraste.

C’est là qu’intervient la technologie d’imagerie thermique. Les appareils d’imagerie thermique ne fonctionnent pas avec l’émission d’ondes électromagnétiques, mais avec la chaleur émise par les corps. En fait même la glace émet de la chaleur, comme tout corps dont la température est supérieure à –273 °C. C’est pourquoi la technologie d’imagerie thermique est totalement indépendante de la lumière du jour, ou d’une source artificielle de lumière. L’appareil de vision thermique est d’ailleurs particulièrement efficace dans la prise en compte d’écarts thermiques très fins parfois d’à peine 0,01 °C, qui sont ensuite transformés en image à fort contraste dans le spectre du visible. Plus la température d’un corps est élevée, plus la quantité d’énergie captée par chaque pixel du capteur est importante. Le résultat du captage thermique de l’ensemble des pixels se traduit sous forme d’image au format noir et blanc, riche en dégradés de gris. Chaque dégradé de gris correspond à un décalage thermique de quelques centièmes de degrés Celsius. Cette image en noir et blanc peut ensuite faire l’objet d’un traitement numérique par l’appareil, afin d’être affichée sous différents coloris, par ex. les couleurs de l’arc en ciel, White Hot, Black Hot ou Red Hot.

Au même titre que les caméras vidéo, les appareils de vision thermique sont dotés d’un objectif qui concentre les rayons (dans ce cas la chaleur) vers un capteur. Toutefois, leurs lentilles ne sont pas conçues à partir de verre mais plutôt de germanium, de sulfure de zinc, de sélénite de zinc ou de silicium. Ces éléments sont d’excellents conducteurs d‘ondes thermiques, alors que le verre ne transmet qu’une infime partie de ce spectre. La fabrication de lentilles en germanium est toutefois très élaborée et coûteuse, ce qui se répercute sur le prix des appareils de vision thermique.

Moderne Wärmebildtechnik 2

Une fois concentrées, les ondes thermiques sont envoyées vers un capteur spécifique appelé micro bolomètre. Ce capteur détecte les ondes infrarouges de types médianes et longues, et fait office de capteur d’image bidimensionnel. Il transmet un signal électronique vers un processeur, qui valorise les informations de chaque pixel et les transforme en image visible sur un écran. Inutile de chercher un oculaire sur un appareil de vision thermique. En règle générale, le grossissement se gère via un zoom numérique.

Critères qualitatifs des appareils de vision thermique.

Resolution

Resolution is the number of pixels (detector cells) in horizontal and vertical arrangement (e.g. 640 x 480). As a rule, the higher the number of pixels, the higher the quality of the image obtained. Higher resolution usually means a higher purchase price.

Pitch

Pitch is the size of an individual detector cell (a pixel) in micrometers (e.g. 17 μm or 12 μm). The current state of the art is 12 μ m. A smaller pixel pitch does not necessarily mean a better image. Often, for a similarly good image at 12 μm compared to 17 μm, more elaborate optics are required.

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) is a measure of detector sensitivity. NETD indicates the smallest temperature difference perceived by the sensor and is given in millikelvin (mK). In principle, a lower value is better, but NETD measurements are not standardized. Device performance can only be defined to a limited extent via NETD; the optics concept and the image processing are decisive.

Frame rate

Frame rate in hertz (Hz), or sometimes fps (frames per second), is a criterion for smooth image display during moving observation. Here, higher is better. The current state of the art is 50 Hz.

f-number

f-number (or f-stop) is the ratio of focal length to the effective lens diameter. An f-number around 1.0 is ideal.

Housing

Various aspects are decisive when choosing a material for the housing. Cost-effectiveness, manufacturability and – increasingly important at present – material availability. The properties of modern plastics are no longer inferior to those of traditional materials such as aluminum or magnesium alloys.

a-Si and VOx

a-Si and VOx describe the carrier material of the detector. VOx stands for vanadium oxide, a-Si for amorphous silicon. While a-Si was the preferred material years ago, VOx is now in the lead.

Display

Today’s thermal cameras are equipped with organic LED or AMOLED displays, or LCD or LCoS displays with high resolution. However, display size should always be considered in relation to the sensor’s resolution. Resolution, in conjunction with the optics, determines the performance of the device.

NUC

NUC (Non Uniformity Correction) is the internal calibration of the sensor. It compensates for adverse influences such as the temperature increase of the device/ optics during operation, which can have a negative effect on image quality. This is done either by a mechanical shutter, by image processing algorithms, or simply by covering the lens with a protective cap or by hand.