camera_thermique - Institut d`Optique Graduate School
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Présentation réalisée par des étudiants de SupOptique : Jean-Baptiste Frossard, Julien Saby, Thierry Lautier Encadrés par : Marc Bondiou La caméra bolométrique des Travaux Pratiques de l ’Ecole Supérieure d ’Optique Caméra thermique Thermographie La caméra bolométrique des Travaux Pratiques de l ’Ecole Supérieure d ’Optique 1. Fonctionnement d ’une caméra bolométrique 2. Rayonnement du corps noir 3. Résolution spatiale et résolution en température 4. Diverses applications 1- Fonctionnement de la caméra bolométrique Scène à filmer Rayonnement thermique infrarouge (IR) Caméra bolométrique Capteur matriciel Électronique Matrices bolométriques Moniteur Image : carte des températures 2. Fonctionnement 240 pixels 320 pixels Objectif en germanium (transparent dans la bande [ 2 µm - 20 µm ]) Détecteur bolométrique (matriciel) petites résistances très fines de très faible capacité calorifique plaque très fines(50 µm x 50 µm) d’oxyde de vanadium conductrices électriquement plaque chauffée variation de conductivité électrique en fonction de la température isolées thermiquement ⇒ Le signal vidéo est proportionnel au flux reçu par chaque pixel. Carte des températures La carte des températures (en couleur ou en noir et blanc) se lit avec l’échelle associée : jaune chaud bleu froid Image prise à la caméra thermique La caméra établit une échelle de température de sorte d’obtenir une image de la scène avec un bon contraste Fonctionnement global Énergie des photons hν Échauffement ΔT ΔR mesurée à partir de U et I Microbolomètre Traitement des données Température T Carte des températures Mise en forme du signal vidéo de l’objet détecté par le microbolomètre 2. Rayonnement électromagnétique d’un corps Tout corps émet un rayonnement électromagnétique caractéristique de sa température T et de son émissivité ε. E=hν Corps ( T, ε ) L’émissivité ε est mesurée en comparant au rayonnement d’un « corps noir » à même température d’émissivité, ε corps noir = 1. ε= Rayonnement émis par le corps réel ( < 1 ) Rayonnement émis par un corps noir Le corps noir Corps noir = objet qui absorbe toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit sans la réfléchir, tout en réémettant la totalité du flux absorbé. Tout le flux reçu est réémis par le corps noir à la température T Flux lumineux incident Aucune réflexion Corps noir (T) Le flux à une longueur d ’onde donnée émis par un corps noir, à la température T, est donné par la loi de Planck : dF (λ ) = 2π .=.C 2 λ 5 1 . e = .C k B .λ .T .dλ −1 En intégrant cette relation sur tout le spectre de longueurs d ’ondes, on obtient la loi de Stefan Ftotal = σ . T4 Le flux énergétique total émis par corps noir dépend de sa température absolue. Le pic d ’émission du corps noir est donnée par la loi de Wien : λpic x T = constante = 2898 K.µm Lpic(6000 K)=0,5 µm Lpic(300 K)=10 µm T/20 ⇒ Plus l’objet est chaud, plus important est le rayonnement émis et plus faible est la longueur d ’onde du maximum d’émission (λpic). 4 Limites de résolution Le bruit Bruits : - Bruit de photons : créé par le flux de photons du rayonnement lié à température ambiante - Bruits électroniques : bruits thermiques, bruits d ’amplification,.. ⇒ Limite la résolution en température des capteurs infrarouges La résolution spatiale est limitée : ⇒par la dimension des pixels ⇒par les aberrations de l’optique ou la diffraction Mesure pratique des limitations des imageurs infrarouges On prend en compte la résolution spatiale la résolution thermique Mesure à l’aide d’un corps noir différentiel : T+ΔΤ Mire carrée constituée de barres alternativement chaude froide (T et T + Δ Τ) période p T 4. Diverses applications Domaines d’applications mesures à distance et non destructrices Nombreux avantages (milieu étudié non perturbé) précision des mesures facilité d’utilisation (portable) Surveillance militaire Contrôle aérien Mécanique Médecine Surveillance des canalisations Exemples d’applications Surveillance industrielle : visualisation d’un niveau de liquide Contrôle d’une ligne électrique : visualisation d’une zone d’échauffement Pris la main dans le sac ! Cliquez pour lancez la vidéo (15 s) visible ou infrarouge Caméra Vidéo Paume de la main (34°C) Le sac plastique n’est pas transparent pour les longueurs d’onde visibles Caméra thermique Image thermique Le sac plastique est transparent dans l’infrarouge Attention de ne pas salir le mur ! Cliquez dessus pour lancez la vidéo (15 s) Main chaude Transmission de chaleur au mur Emission de photons plus importante au niveau de la trace Trace de main visible sur le mur (qui disparaît avec la diffusion de la chaleur)
