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Tecnologia Infrarosso

La radiazione infrarossa è la radiazione elettromagnetica con una frequenza inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio. La radiazione infrarossa ha una lunghezza d'onda compresa tra 700 nm ed i 300 µm. Viene spesso associata con i concetti di "calore" e "radiazione termica", poiché ogni oggetto con temperatura superiore allo zero assoluto emette spontaneamente radiazione in questa banda (aumentando la temperatura, il picco si sposta sempre più verso il visibile). I Detector, che siano telecamere o sensori monocanale, si suddividono in categorie diverse a seconda sel materiale di cui sono costituiti e quindi alla regione spettrale a cui sono sensibili. In particolare possono essere elenati come segue:


Sensore
 
 Regione Infrarossa    Banda spettrale (µm) 
Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Near infrared      (NIR) 0.9 – 1.7 (2.5)
Indium Antimonide (InSb) Mid-wave infrared (MWIR) 3.0 - 5.0
Quantum Well Infrared Photodetector Long-wave infrared (LWIR) 8.0 - 9.0
Microbolometer, Amorphous Silicium (Asi), Vanadium Oxide (VOx) Long-wave infrared (LWIR) 7.5 – 13.5 (8 - 14)

 

Attorno ad ognuno di questi sensori vengono costruite delle telecamere o dei sistemi dedicati alle applicazioni di maggiore interesse sul mercato. Di seguito elenchiamo una breve descrizione di queste applicazioni suddivisa per sensori utilizzati:


Indium Gallium Arsenide (InGaAs)


  • STUDIO DI LASER :

    Grazie ai detector InGaAs è possibile rilevare ed analizzare molte tipologie di laser con emissione nella regione spettrale del vicino infrarosso. Spesso viene studiata la riflessione del laser attraverso un corpo (target) di materiale inerte; in questa situazione risulta determinante minimizzare gli effetti di diffusione dovuti ad agenti atmosferici. Questo è possibile grazie all’appropriato utilizzo di telecamere InGaAs calibrate in fabbrica. E’ molto importante anche la loro capacità di risolvere gli impulsi laser nel tempo, così da permetterne una precisa analisi evolutiva. Sensibilità, precisione e linearità di risposta fanno di questi detector la miglior soluzione tecnologica per lo studio della propagazione di raggi laser.

Non minor importanza ha l’impiego di un detector InGaAs in applicazioni quali:


  • telecomunicazioni:

    vengono utilizzati laser a 1.3 e 1.5 µm per lo studio della propagazione del fascio attraverso fibre ottiche

  • Visualizzazione di fonti di calore attraverso il vetro:

    le classiche termocamere non riescono ad oltrepassare il “muro” del vetro in quanto quest’ultimo non è trasparente nella banda 7-13 µm

  • Imaging di wafer di silicio:

    viene sfruttata la proprietà del Si di essere trasparente alla banda spettrale del vicino IR per poter vedere eventuali difetti di costruzione sottostanti il wafer

  • Determinazione della presenza di acqua:

    l’acqua assorbe moltissimo a 1.45 µm, creando in questo modo una regione "buia" nell'immagine visualizzata

  • Imaging iperspettrale:

    con il simultaneo utilizzo di uno spettrografo che seleziona le opportune lunghezze d'onda, è possibile individuare e visualizzare immagini relative alla sola emissione o riflessione di interesse. Si aprono quindi innumerevoli applicazioni sia nel microscopico (studio di farmaci e molecole) sia nel macroscopico (in astronomia stelle e galassie hanno forte emissione nel vicino IR).

  • Restauro di beni culturali:

    i materiali con i quali sono stati dipinti i quadri hanno una riflessione diversificata nell’infrarosso. Sfruttando tale proprietà è possibile osservare un quadro in maniera “complementare” al visibile, scoprendo quali siano stati gli eventuali ripensamenti dell’artista o eventuali zone predisposte al deterioramento.

  • Gas Detection:

    Diverse molecole emettono nel range di lunghezze d’onda 3-5 µm. Questa proprietà viene sfruttata in maniera particolare in ambito militare, infatti la CO2 scaricata da missili ed aerei permette l’individuazione e lo studio delle traiettorie degli stessi.

 

Indium Antimonide (InSb):


  • Marcature I/R:

    sempre in ambito militare e sfruttando i principi sopraccitati risulta di particolare interesse lo studio delle “flares”, cioè di quei finti bersagli che vengono lanciati da aerei e navi per ingannare i missili da cui stanno per essere colpite. La visualizzazione dei gas emessi da questi oggetti ne permette lo studio delle relative traiettorie, al fine di migliorare le manovre eversive.

  • Imaging ad alta sensibilità:

    con differenze di temperature inferiori a 0.02 °C: la caratteristica più peculiare dei sensori Indium Antimonide è la grande sensibilità termica.

  • Applicazioni medicali:

    la sensibilità di questi sensori è sfruttata anche in campo medicale, ove possono essere evidenziati i flussi sanguigni attraverso tessuti viventi

  • Test non distruttivi:

    Utilizzando una lampada flash allo xenon si applica il calore ad un campione e se ne visualizza la dissipazione attraverso la superficie con l’ausilio di una termocamera sensibile nel range 3 – 5 µm.

 

Microbolometer, Amorphous Silicium (Asi), Vanadium Oxide (Vox) e Quantum Well:


  • SORVEGLIANZA:

    Spesso risulta difficoltoso tenere sotto controllo una zona riservata al fine di garantirne l’inaccessibilità ad eventuali intrusi, in quanto le zone sono ampie e durante la notte le distanze visive diminuiscono esponenzialmente. Una soluzione a questa problematica viene offerta dall’utilizzo di una rete di telecamere sensibile nella regione spettrale del lontano infrarosso. Un detector di questo tipo è sensibile solo agli oggetti che emettono calore, in questo modo, durante la notte saranno perfettamente riconoscibili corpi “caldi” come uomini o animali.

 

Questi sensori hanno però una sempre crescente molteplicità di applicazioni come per esempio:

  • vulcanologia:

    una telecamera sensibile al calore ha molte possibilità di impiego in un campo dove lo studio di ambienti come i vulcani, dove il calore è il fenomeno dominante.
     individuazione delle ceneri vulcaniche

  • Determinazione di cortocircuiti o malfunzionamenti su componenti elettronici.


  • Individuazione di fonti di calore inaspettate


  • Anti incendio:

    la sensibilità al calore permette una veloce individuazione delle fonti principali dello stesso al fine di porre fine più velocemente ai suoi effetti. Si pensi quali possano essere i vantaggi dell’utilizzo di una camera di queste caratteristiche per i velivoli canader, per i quali sapere quale sia l’origine dell’incendio è determinante per un risparmio di “viaggi” per raccogliere acqua e tempo di spegnimento.

  • Salvataggio:

    è chiaro come sia più semplice l’individuazione di persone disperse in mare o in ambienti vasti, soprattutto durante la notte

  • Visione attraverso la nebbia e la neve:

    la trasparenza di nebbia e neve al lontano infrarosso permette agli aerei la possibilità di manovra anche in difficili condizioni climatiche

Infine molte altre applicazioni vengono risolte se le telecamere sono opportunamente calibrate per consentire la MISURA DELLA TEMPERATURA di oggetti a distanza:

  • Manutenzione predittiva:

    è un tipo di manutenzione che permette di prevedere il tempo entro il quale si manifesterà un guasto. Producendo le parti deteriorate un maggior attrito e quindi una maggior produzione di calore, la termografia è in grado di evidenziare le zone che più necessitano riparazione.

  • Termografia edile:

    è tra le metodiche non distruttive maggiormente utilizzate per la diagnostica delle patologie edilizie. Infatti tutti gli edifici sono soggetti a degrado a causa dell'invechiamento dei materiali e della prolungata mancanza di manutenzione.La termografia consente di poter operare all'interno degli edifici senza dover sospendere le normali attività, limitando al minimo i disagi per gli abitanti; permette inoltre di evitare ulteriori traumi a strutture dissestate, limitando il numero dei saggi distruttivi ai punti realmente rappresentativi per la formulazione del quadro disgnostico generale. Esempio applicativo: Roma all'Infrarosso

  • Termografia di PCB e Componenti:

    nel processo produttivo lo studio termografico dei PCB e dei componenti risulta determinante. Le telecamere ad infrarosso sono molto utili ad analizzare le caratteristiche termiche dei circuiti stampati e nell'individuare punti di calore.

  • Termografia Spettrale:

    questa tecnica sfrutta le caratteristiche spettrali di alcuni materiali o gas per eseguire dei controlli qualità. Per esempio può essere utilizzata durante il processo di costruzione di lampade. Grazie all'uso aggiunto di particolari filtri può essere determinata la distribuzione di temperatura del vetro, oppoure la distribuzione di temperatura del filamento all'interno del bulbo. Questa distribuzione può essere misurata spettralmente a definite bande di assorbimento solo se i materiali interessati sono traspaenti per la termografia

  • Termografia ad elevata velocità:

    questo tipo di termografia apre le porte a tutte quelle applicazioni ove sia necessario acquisire una sequenza di immagini con elevata velocità, fino anche al Khz. E' quindi ideale per quei processi termici che si evolvono molto rapidamente, il tutto non va comunque a scapito della sensibilità, che grazie alle ultime generazioni di Focal Plance array rimane eccellente. Sono inoltre in genere presenti tutti gli accorgimenti hardware e software per la corretta sincronizzazione dell'acquisizione con gli eventi da dover osservare. Tipici esempi applicativi sono il minitoraggio di esplosioni o di propagazione di gas, test di materiali e procedure di riscaldamento o raffreddamento di processi ad elevata dinamica.

Altre applicazioni:

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