La ciencia subyacente a la visualización óptica de imágenes de gas

Detectores

Una cámara de visualización óptica de imágenes de gas se puede considerar una versión muy especializada de una cámara termográfica o de infrarrojos. Consta de un objetivo, un detector, componentes electrónicos para procesar la señal del detector y un visor o una pantalla para que el usuario vea la imagen producida por la cámara. Los detectores utilizados para las cámaras OGI son detectores cuánticos que requieren refrigeración a temperas criogénicas (en torno a 70 K o -203 °C). Las cámaras de onda media que detectan gases como el metano suelen funcionar en un rango de entre 3 y 5 μm y utilizan un detector de antimoniuro de indio (InSb). Las cámaras de onda larga que detectan gases como el hexafluoruro de azufre suelen funcionar en un rango de entre 8 y 12 μm y utilizan un fotodetector infrarrojo de pozos cuánticos (QWIP).

Cuando los materiales utilizados para los detectores cuánticos están a temperatura ambiente, tienen electrones a distintos niveles de energía. Algunos electrones tienen suficiente energía térmica para estar en la banda de conducción, lo que significa que tienen libertad para desplazarse y que el material puede conducir la corriente eléctrica. Sin embargo, la mayoría de electrones se encuentran en la banda de valencia y no transportan corriente porque no se pueden desplazar libremente.

Cuando el material se refrigera a una temperatura suficientemente baja, que varía en función del material elegido, la energía térmica de los electrones puede ser tan baja que ninguno llegue a la banda de conducción. Por consiguiente, el material no puede transportar corriente. Cuando estos materiales están expuestos a fotones incidentes y los fotones tienen suficiente energía, la energía estimula a los electrones situados en la banda de valencia y hace que asciendan a la banda de conducción. A continuación, el material (el detector) puede transportar fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.

Hay un umbral de energía muy preciso de fotones incidentes que permite que un electrón pase de una banda de valencia a la banda de conducción. Esta energía está relacionada con una determinada longitud de onda: la longitud de onda límite. Dado que la energía fotónica es inversamente proporcional a su longitud de onda, las energías de la banda de onda corta u onda media son superiores a las de la onda larga. Así pues, por regla general, las temperaturas operativas de los detectores de onda larga son inferiores a las de los detectores de onda corta y onda media. Para un detector de onda media de InSb, la temperatura necesaria debe ser inferior a 173 K (-100 °C), aunque puede funcionar a una temperatura mucho menor. En cambio, un detector de onda larga de QWIP normalmente necesita una temperatura de aproximadamente 70 K (-203 °C) o menos. La longitud de onda y la energía de los fotones incidentes debe ser suficiente para superar la brecha energética, ΔE.

Método de refrigeración

Los detectores de la mayoría de cámaras OGI se refrigeran mediante refrigeradores Stirling. El proceso Stirling retira el calor del dedo frío (Figura 1) y lo disipa en el lado caliente. La eficiencia de este tipo de refrigerador es relativamente baja, pero es lo suficientemente buena para refrigerar un detector de cámara de infrarrojos.

Figura 1. El refrigerador Stirling integrado, que funciona con gas helio, pude enfriar el detector a -196 ºC o, en ocasiones, a una temperatura inferior.

Normalización de la imagen

Otro aspecto complejo es el hecho de que cada detector individual de la matriz de plano focal (FPA, por sus siglas en inglés) tiene una ganancia y una compensación de cero ligeramente distintas. Para crear una termografía útil, se deben corregir las distintas ganancias y compensaciones a un valor normalizado. Este proceso de calibración en varios pasos lo realiza el software de la cámara. El paso final del proceso consiste en la corrección de no uniformidad (NUC, por sus siglas en inglés). En las cámaras de medición, esta calibración la realiza automáticamente la propia cámara. En la cámara OGI, la calibración es un proceso manual. Esto se debe a que la cámara no tiene un obturador interno que presente una fuente de temperatura uniforme al detector.

El resultado final es una termografía que representa con precisión las temperaturas relativas en el objeto o la escena de destino. No se realiza ninguna compensación de la emisividad o la radiación de otros objetos que se refleja desde el objeto de destino hasta la cámara (temperatura aparente reflejada). La imagen es una imagen auténtica de la intensidad de la radiación, independientemente del origen de la radiación térmica.

Adaptación espectral

La cámara OGI utiliza un método de filtro espectral que le permite detectar compuestos gaseosos. El filtro está instalado delante del detector y se refrigera junto con este para evitar el intercambio de radiación entre el filtro y el detector. El filtro restringe las longitudes de onda de la radiación que puede pasar a través del detector a una banda muy estrecha denominada paso de banda. Esta técnica se conoce como adaptación espectral.

Figura 2. Diseño interno de un núcleo de cámara de visualización óptica de imágenes de gas

Espectro de absorción de infrarrojos por parte de los gases

Para la mayoría de compuestos gaseosos, las características de absorción de infrarrojos dependen de la longitud de onda. En las figuras 3A y 3B, el pico de absorción del propano y del metano se manifiesta en la brusca disminución de las líneas de transmitancia de los gráficos. Las regiones en amarillo representan un filtro espectral de muestra utilizado en una cámara OGI, que está diseñado para corresponderse con el rango de longitud de onda en que la mayoría de energía infrarroja de fondo sería absorbida por el gas de interés en particular.

Figura 3A. Características de absorción de infrarrojos del propano

Figura 3B. Características de absorción de infrarrojos del metano

La mayoría de hidrocarburos absorbe energía en un rango cercano a 3,3 μm, por lo que el filtro de muestra de la Figura 3 se puede utilizar para detectar una amplia variedad de gases. Los factores de respuesta (RF) de más de 400 compuestos adicionales están disponibles en el siguiente sitio: http://rfcalc.providencephotonics.com.

El etileno tiene dos bandas de absorción fuertes, pero un sensor de onda larga detectará este gas con mayor sensibilidad que un sensor de onda media en función de la curva de transmitancia que se muestra a continuación.

Figura 4. Características de absorción de infrarrojos del etileno

La selección de un filtro que limite la cámara para que funcione únicamente en una longitud de onda en la que un gas tenga un pico de absorción muy alto (o punto mínimo de transmisión), mejorará la visibilidad del gas. El gas "bloqueará" de manera efectiva una cantidad mayor de absorción procedente de los objetos que se encuentran en el fondo detrás de la columna.

¿Por qué algunos gases absorben radiación de infrarrojos?

Desde el punto de vista mecánico, las moléculas de un gas podrían compararse a dos pesas (las bolas de la Figura 5) unidas mediante muelles. En función del número de átomos, de su tamaño y masa correspondientes, y de la constante elástica de los muelles, las moléculas pueden desplazarse en una dirección determinada, vibrar a lo largo del eje, girar, doblarse, estirarse, balancearse, moverse de arriba a abajo, etc.

Las moléculas de gas más simples son átomos sencillos como el helio (He), el neón (Ne) o el criptón (Kr). Estas moléculas no pueden vibrar ni girar, y solo se pueden desplazarse mediante un movimiento de traslación en una dirección cada vez.

Figura 5. Un solo átomo

La siguiente categoría más compleja de moléculas es homonuclear y se compone de dos átomos como el hidrógeno (H2), el nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2). Estas moléculas tienen la capacidad de rodar alrededor de sus ejes, además de realizar movimientos de traslación.

Figura 6. Dos átomos

Después están las moléculas diatómicas complejas como el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el hexafluoruro de azufre (SF6) o el estireno (C6H5CH=CH2) (estos son solo algunos ejemplos).

Figura 7. Dióxido de carbono: 3 átomos por molécula

Figura 8. Metano: 5 átomos por molécula

Este supuesto solo es válido para moléculas multiatómicas.

Figura 9. Hexafluoruro de azufre: 6 o 7 átomos por molécula

Figura 10. Estireno: 16 átomos por molécula

El grado aumentado de libertad mecánica de estas moléculas les permite realizar múltiples transiciones de rotación y vibración. Puesto que se componen de varios átomos, pueden absorber y emitir calor d manera más efectiva que las moléculas sencillas. Según la frecuencia de las transiciones, algunas se sitúan en rangos de energía que se encuentran en la región infrarroja donde la cámara de infrarrojos es sensible.

Tabla 1. Rangos de frecuencia y longitud de onda de los movimientos moleculares

Para que una moléculas absorba un fotón (de energía infrarroja) mediante la transición de un estado a otro, la molécula debe tener un momento dipolar capaz de oscilar brevemente a la misma frecuencia que el fotón incidente. Esta interacción mecánica cuántica permite que el campo de energía electromagnética del fotón sea "transferido" a la molécula o absorbido por esta.

Las cámaras OGI aprovechan la naturaleza absorbente de determinadas moléculas para visualizarlas en sus entornos nativos. Las matrices de plano focal (FPA) y los sistemas ópticos de las cámaras están sintonizados de manera específica con rangos espectrales muy estrechos, en el orden de cientos de nanómetros, y, por tanto, son ultraselectivos. Solo se pueden detectar los gases absorbentes de la región infrarroja que está delimitada por un filtro de paso de banda estrecho (Figuras 3 y 4).

Visualización de la corriente gaseosa

Si la cámara se dirige a una escena donde no hay presencia de fuga de gas, los objetos del campo de visión emitirán y reflejarán la radiación de infrarrojos a través del objetivo y el filtro de la cámara. El filtro solo permitirá el paso de determinadas longitudes de onda de radiación a través del detector y desde la cámara generará una imagen sin compensar de la intensidad de la radiación. Si hay una nube de gas entre los objetos y la cámara, y el gas absorbe la radiación en el rango de paso de banda del filtro, se reducirá la cantidad de radiación que pasa a través de la nube hasta el detector (Figura 11).

Figura 11. Efecto de una nube de gas

Para ver la nube en relación con el fondo, debe haber un contraste radiante entre la nube y el fondo. Es decir, la cantidad de radiación que sale de la nube no debe ser igual a la cantidad de radiación que entra en ella (Figura 12). Si la flecha azul de la Figura 12 tiene el mismo tamaño que la flecha roja, la nube será invisible.

Figura 12. Contraste radiante de la nube

En realidad, la cantidad de radiación que las moléculas reflejan en la nube es muy pequeña y se puede ignorar. Por lo tanto, la clave para que la nube sea visible es la diferencia de temperatura aparente entre la nube y el fondo (Figura 13).

Figura 13. Diferencia de temperatura aparente

Conceptos clave para hacer que las nubes de gas sean visibles

• El gas debe absorber la radiación de infrarrojos en la banda de onda que ve la cámara.
• La nube de gas debe tener un contraste radiante con respecto al fondo.
• La temperatura aparente de la nube debe ser distinta a la del fondo.
• El movimiento hace que la nube sea más fácil de ver.

• La calibración del equipo OGI para medir la temperatura es crucial para poder evaluar el Delta T (temperatura aparente entre el gas y el fondo).