La termografía de alta velocidad combina datos térmicos y 3D espaciales dinámicos

Investigadores de Alemania han desarrollado un sistema de cámaras para la detección 3D de objetos

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Investigadores de Fraunhofer IOF en Jena han desarrollado un sistema de cámaras para la detección tridimensional de objetos con dos cámaras monocromáticas de alta velocidad, alta resolución y un proyector GOBO. Los cambios de temperatura pueden desempeñar un rol en aplicaciones dinámicas típicas, como pruebas de choques o el despliegue de bolsas de aire, además de procesos espaciales rápidos. El equipo de investigación de Jena actualizó recientemente su sistema con una cámara termográfica refrigerada de alto rendimiento de FLIR como parte de un proyecto de medición conjunta con el objetivo de crear un verdadero sistema de termografía 3D con capacidad de grabar a velocidades de hasta 1000 fotogramas por segundo.

Fraunhofer IOF: soluciones con luz

El Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión (IOF, www.iof.fraunhofer.de) de Jena, lleva a cabo investigaciones orientadas a las aplicaciones en el campo de la fotónica y desarrolla sistemas ópticos innovadores para controlar la luz: desde la generación y manipulación hasta las aplicaciones. El espectro de servicio del instituto cubre toda la
cadena de procesos fotónicos desde el diseño de sistemas optomecánicos y optoelectrónicos hasta la producción de soluciones y prototipos específicos para el cliente. Desde 2019, también se ha incluido un sistema de termografía 3D de alta velocidad con una cámara científica de FLIR.

Sistema de termografía 3D

El equipo de IOF desarrolló un sistema de cámaras 3D de alta velocidad en 2016. Este sistema consta de dos cámaras en blanco y negro de alta velocidad en disposición estéreo y un proyector GOBO autodesarrollado para iluminación activa. Los investigadores ahora han agregado una cámara termográfica al sistema. Utilizan una cámara termográfica FLIR X6900sc SLS LWIR que funciona a velocidades de fotogramas de hasta 1000 Hz con una resolución de 640 × 512 pixeles.

Áreas de aplicación y objetivos

El objetivo del sistema es combinar datos espaciales 3D y térmicos altamente dinámicos. Procesos extremadamente rápidos como un atleta en movimiento, una prueba de choque o el despliegue de una bolsa de aire no solo muestran los cambios rápidos en la forma de la superficie, sino también cambios en la temperatura local. Anteriormente, no era posible capturar estos cambios simultáneamente. Esto se ha logrado por primera vez con el nuevo sistema de medición termográfica 3D de alta velocidad de Fraunhofer IOF.

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Cómo funciona el sistema

El sistema se basa en dos cámaras monocromáticas sensibles en el rango espectral visual (VIS). Funcionan a velocidades de fotogramas de más de 12,000 Hz y una resolución de un megapíxel, aunque es posible obtener velocidades de fotogramas más altas a una resolución más baja. Sin embargo, las dos cámaras aún no son capaces de producir datos 3D significativos con la calidad deseada. Además, se requiere un sofisticado sistema de iluminación que proyecte una secuencia ultrarrápida de patrones de rayas. Estos patrones son similares a las rayas sinusoidales convencionales pero los anchos de estas rayas varían de forma aperiódica.

Para lograr el efecto deseado, se recubrió con vapor un panel de vidrio con rayas metálicas de cromo. Este panel gira entonces en un proyector frente a la unidad óptica, proporcionando así el patrón de rayas necesario para la asignación de pixeles específica de ambas cámaras. Este principio se denomina proyección GOBO (GOes Before Optics).

La combinación de los datos 3D reconstruidos con los datos 2D de la cámara termográfica de alta velocidad FLIR X6900sc SLS da como resultado simplemente imágenes térmicas tridimensionales de alta velocidad.

FLIR X6900sc SLS funciona en el rango infrarrojo de onda larga y, por lo tanto, no es sensible en el rango de longitud de onda infrarroja visible y cercana en donde la lámpara del proyector GOBO emite radiación. Dado que el calentamiento del objeto por los patrones sinusoidales aperiódicos proyectados también es insignificante, el proyector GOBO no influye en la termografía.

Medición y cálculo de datos

Las tres cámaras graban datos de imagen simultáneamente durante la medición. Los datos de las cámaras en blanco y negro combinados con la proyección de la banda aperiódica del proyector GOBO, producen la imagen 3D real para la que las secuencias de 10 pares de imágenes se calculen normalmente para formar una imagen 3D. Esta "reconstrucción 3D" da como resultado una forma espacial sobre la que los datos de la imagen térmica de la cámara FLIR LWIR se superponen ahora para asignar valores de temperatura a las coordenadas espaciales en un proceso de mapeo.

Calibración

Por supuesto, el sistema que consta de cámaras VIS y una cámara LWIR se debe calibrar antes de la medición. Con este fin, el equipo de IOF utiliza una placa de calibración con una cuadrícula regular de círculos abiertos y llenos. Para garantizar que estas estructuras se puedan detectar en VIS y LWIR incluso con una distribución homogénea de la temperatura, se seleccionaron materiales con grados de reflexión (VIS) y emisividad (LWIR) muy diferentes para los círculos y el fondo. Los investigadores de Jena encontraron una solución a este problema mediante el uso de placas de circuito impreso. Al hacerlo, desarrollaron una placa de circuito muy inusual que consiste en una red regular de círculos abiertos y llenos en lugar de conexiones eléctricas entre componentes eléctricos.

Resultados de la medición: bolsa de aire y baloncesto

El sistema ahora se ha probado en varios escenarios. Esto incluyó a un jugador de baloncesto rebotando una pelota (que no solo deforma la pelota sino que también provoca calor térmico). Otra posible aplicación es la medición del desarrollo de la temperatura y la representación espacial cuando se despliega una bolsa de aire. El sistema registró el proceso de alta velocidad desde una distancia de 3 m durante medio segundo. Al combinar los datos tridimensionales con la información termográfica, quedó claro no solo lo caliente que se volvió la bolsa de aire como resultado del despliegue, sino también en qué momento y exactamente en qué coordenadas espaciales. Dicha información puede ayudar a reducir y prevenir el riesgo de lesiones a los conductores con relación al despliegue de la bolsa de aire.

Conclusión y perspectiva

Martin Landmann del equipo de investigación de IOF está seguro de que: Son numerosas las posibles aplicaciones para una combinación de datos 3D de alta resolución e imágenes termográficas rápidas. "Se puede obtener información beneficiosa, por ejemplo, observando pruebas de choque, investigando procesos de deformación y fricción, o eventos extremadamente rápidos y térmicamente relevantes como explosiones cuando se activa una bolsa de aire o en un gabinete de interruptores", explica Martin Landmann. Hace hincapié en que el sistema se está desarrollando y optimizando continuamente. Por lo tanto, podemos esperar ver resultados de investigación más innovadores del equipo de Frauhofer IOF en el futuro.

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(Créditos de imagen: Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF, FLIR)