La caméra bolométrique des Travaux Pratiques de l Ecole Supérieure d Optique

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Jeanne Mathieu
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1 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

Lautier Encadrés par : Marc Bondiou La caméra

2 Caméra thermique Thermographie La caméra bolométrique des Travaux Pratiques de l Ecole Supérieure d Optique

3 1. Fonctionnement d une caméra bolométrique 2. Rayonnement du corps noir 3. Résolution spatiale et résolution en température 4. Diverses applications

4 1- Fonctionnement de la caméra bolométrique Scène à filmer Rayonnement thermique infrarouge (IR) Caméra bolométrique Moniteur Électronique Capteur matriciel Matrices bolométriques Image : carte des températures

bolométrique Moniteur Électronique Capteur matriciel

5 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 plaque chauffée variation de conductivité électrique en fonction de la température conductrices électriquement isolées thermiquement Le signal vidéo est proportionnel au flux reçu par chaque pixel.

fines(50 µm x 50 µm) d oxyde de vanadium plaque chauffée variation de conductivité électrique en fonction de la

6 Carte des températures La carte des températures (en couleur ou en noir et blanc) se lit avec l échelle associée : jaune bleu Image prise à la caméra thermique chaud froid La caméra établit une échelle de température de sorte d obtenir une image de la scène avec un bon contraste

prise à la caméra thermique chaud froid La caméra établit une échelle

7 Fonctionnement global Énergie des photons hν Microbolomètre Échauffement ΔT ΔR mesurée à partir de U et I Traitement des données Carte des températures Mise en forme du signal vidéo Température T de l objet détecté par le microbolomètre

I Traitement des données Carte des températures Mise en

8 2. Rayonnement électromagnétique d un corps Tout corps émet un rayonnement électromagnétique caractéristique de sa température T et de son émissivité ε. Corps ( T, ε ) E=hν 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 Rayonnement émis par un corps noir ( < 1 )

Corps ( T, ε ) E=hν L émissivité ε est mesurée en comparant au rayonnement d un «corps noir» à

9 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. Flux lumineux incident Aucune réflexion Tout le flux reçu est réémis par le corps noir à la température T 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 5 λ 2 =.. C k. λ. T e En intégrant cette relation sur tout le spectre de longueurs d ondes, on obtient la loi de Stefan Ftotal = σ. T 4 Le flux énergétique total émis par corps noir dépend de sa température absolue. B 1. dλ 1

émis par un corps noir, à la température T, est donné par la loi de Planck : df( λ)

10 Le pic d émission du corps noir est donnée par la loi de Wien : λ pic x T = constante = 2898 K.µm L pic (6000 K)=0,5 µm L pic (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 (λ pic ).

11 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

12 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 : Mire carrée constituée de barres alternativement chaude froide (T et T + Δ Τ) T + Δ Τ T période p

l aide d un corps noir différentiel : Mire carrée constituée de

13 4. Diverses applications Domaines d applications Nombreux avantages mesures à distance et non destructrices (milieu étudié non perturbé) précision des mesures facilité d utilisation (portable) Surveillance militaire Mécanique Contrôle aérien Médecine Surveillance des canalisations

précision des mesures facilité d utilisation (portable) Surveillance

14 Exemples d applications Surveillance industrielle : visualisation d un niveau de liquide Contrôle d une ligne électrique : visualisation d une zone d échauffement

15 Pris la main dans le sac! Cliquez pour lancez la vidéo (15 s) visible ou infrarouge Caméra Vidéo Paume de la main (34 C) Caméra thermique Image thermique Le sac plastique n est pas transparent pour les longueurs d onde visibles Le sac plastique est transparent dans l infrarouge

Vidéo Paume de la main (34 C) Caméra thermique Image thermique Le sac

16 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)

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