Comparaison caméras thermiques refroidies VS non refroidies

Il existe deux grandes familles de caméras thermiques : celles dites refroidies et celles dites non refroidies (ou bolométriques). Les caméras thermiques refroidies ont, comme leur nom l’indique, un détecteur refroidi. Celui-ci est intégré à un cryoréfrigérateur qui permet de maintenir le capteur d’imagerie à une température cryogénique. Ceci est indispensable afin de minimiser le bruit thermique face à celui du signal de la scène observée. Cette technologie rend donc les caméras thermiques refroidies plus sensibles que les caméras thermiques non refroidies. En revanche, cela les rend également plus coûteuses.

De plus, les caméras thermiques refroidies nécessitent plus d’entretien que les caméra thermiques non refroidies. En effet, leur cryoréfrigérateur s’use avec le temps, ce qui implique une remise en état au bout de 10 000 à 13 000 h de fonctionnement.

Ainsi, les caméras thermique refroidies et non refroidies présentent chacune des avantages et des inconvénients. Mais alors, comment savoir laquelle choisir ?

Tout dépendra de votre application.

Voici quelques exemples de comparaison pour vous éclairer.

Observation d’une scène thermique à grande vitesse

Images obtenues à gauche avec une caméra thermique refroidie, à droite avec une caméra thermique non refroidie

Deux caméras thermiques, une refroidie et une non refroidie, ont été utilisées pour observer un pneu en rotation à 9 m/s. Nous pouvons alors constater qu’avec la caméra thermique refroidie (image de gauche ci-dessus), le pneu semble à l’arrêt. Tandis qu’avec la caméra thermique non refroidie (image de droite ci-dessous), le pneu semble effectivement bien en mouvement. Cette différence est due à la fréquence d’acquisition, plus élevée sur la caméra refroidie que sur la non refroidie.

Différence de résolution spatiale

Images obtenues à gauche avec une caméra thermique refroidie, à droite avec une caméra thermique non refroidie

Un autre point de comparaison entre les caméras thermiques est l’agrandissement maximal possible de la scène thermique observée. Les images thermiques ci-dessus illustrent parfaitement cette différence :

• à gauche, une image prise avec une caméra thermique refroidie équipée d’un objectif macro 4x. Le pas du détecteur de la caméra étant de 13 μm, la taille finale du pixel observé est de 3,5 μm;
• à droite, une image prise avec une caméra thermique non refroidie équipée d’un objectif macro 1x. Le pas du détecteur de la caméra étant de 25 μm, la taille finale du pixel observé est de 25 μm.

Comme vous pouvez le constater, l’image prise avec la caméra thermique refroidie peut être beaucoup plus agrandie que celle prise avec la caméra thermique non refroidie. En effet, c’est habituellement le cas car le détecteur des caméras thermiques refroidies permet de capter des longueurs d’onde infrarouges plus courtes que celui des non refroidies. Cela les rend donc beaucoup plus sensibles, ce qui permet d’utiliser des objectifs avec plus d’éléments optiques ou plus épais pour agrandir l’image, sans risquer de dégrader le rapport signal sur bruit.

Différence de sensibilité

Images obtenues à gauche avec une caméra thermique refroidie de sensibilité 20 mK, à droite avec une caméra thermique non refroidie de sensibilité 50 mK. En haut images prises à T0, en bas images prises à T0+2min

Un paramètre qui rentre également en jeu est la sensibilité thermique de la caméra (ou NETD). Ce paramètre rend compte de la plus petite variation thermique perceptible par votre caméra thermique. Afin d’illustrer l’influence de ce paramètre, une rapide expérience a été faite par Teledyne FLIR avec 2 caméras : une caméra thermique refroidie de sensibilité 20 mK (cf. images de gauche ci-dessus) et une caméra thermique non refroidie de sensibilité 50 mK (cf. images de droite ci-dessus). Un utilisateur a posé la main quelques secondes sur un mur pour créer une empreinte thermique qui a été observée avec les 2 caméras thermiques. Les deux images du haut montrent la signature thermique de l’empreinte immédiatement après que l’utilisateur ait retiré sa main ; celles du bas montrent la signature thermique 2 min après le retrait de la main.

Comme vous pouvez le constater, la caméra thermique refroidie perçoit plus longtemps la signature thermique de la main que la caméra thermique non refroidie. En effet, son détecteur étant plus sensible thermiquement, la caméra thermique refroidie fournit un meilleur niveau de détail de ma scène thermique observée. Cela lui permet de détecter les anomalies thermiques les plus infimes.

Utilisation d’un filtre spatial

Images obtenues avec une caméra thermique refroidie (à gauche sans filtre, à droite avec filtre)

Les caméras thermiques refroidies présentent un avantage sur les caméras thermiques non refroidies : il est possible d’ajouter un filtre entre leur détecteur et leur objectif. Cela permet ainsi de déceler certains détails et de prendre des mesures impossibles sans le filtre. Pour illustrer l’utilité de ces filtres, prenons l’exemple d’un utilisateur qui souhaiterait mesurer et caractériser la combustion des particules de carbone dans une flamme. Pour ce faire, un filtre spectral a été associé à une caméra thermique refroidie afin de « voir au travers de la flamme ». En effet, ce filtre permet d’exploiter une bande spectrale où la flamme transmet. Cela donne accès à l’image thermique de la combustion des particules de carbone. Vous pouvez voir le résultat sur les images infrarouges ci-dessus : à gauche la flamme observée sans filtre, à droite la flemme observée avec filtre.

Images obtenues avec une caméra thermique refroidie

Ici, un deuxième exemple qui illustre l’utilité des filtres. Une étude a été faite sur des masques au protoxyde d’azote. Le but de l’étude était d’améliorer leur conception et plus particulièrement celle du système d’évacuation du gaz. Sur l’image de gauche ci-dessus, nous pouvons voir une image thermique de l’ancienne version ; à droite, une image thermique de la nouvelle version. En effet, grâce au filtre inséré dans la caméra thermique refroidie, les opérateurs ont pu mettre en évidence les fuites de protoxyde d’azote causées par le premier masque. Afin de corriger ces fuites qui peuvent occasionner de nombreux problèmes, un nouveau modèle a été conçu. Après vérification avec la caméra thermique refroidie et le filtre, il semble en effet bien meilleur car il ne présente plus de fuites de gaz.