La termografía de alta velocidad combina el 3D espacial dinámico y datos térmicos
Investigadores de Alemania han desarrollado un sistema de cámara para la detección 3D de objetos
Investigadores del Fraunhofer IOF en Jena han desarrollado un sistema de cámara para la detección tridimensional de objetos con dos cámaras monocromáticas de alta velocidad y alta resolución y un proyector gobo. Los cambios de temperatura pueden ser importantes en aplicaciones dinámicas típicas, como pruebas de colisión o despliegue del airbag, además de en procesos espaciales rápidos. El equipo de investigación de Jena actualizó su sistema recientemente con una cámara termográfica refrigerada de alto rendimiento de FLIR como parte de un proyecto conjunto de medición. Tiene como objetivo crear un sistema termográfico 3D real y es capaz 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 realiza investigaciones orientadas a aplicaciones en el campo de la fotónica y desarrolla sistemas ópticos innovadores para controlar la luz: desde la generación y la manipulación hasta las aplicaciones. La gama de servicios del instituto abarca toda la cadena de proceso fotónico, desde el diseño de sistemas optomecánicos y optoelectrónicos hasta la producción de soluciones y prototipos específicos para clientes. Desde 2019, también incluye 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 cámara 3D de alta velocidad en 2016. Este sistema está compuesto por dos cámaras de alta velocidad en blanco y negro dispuestas de manera estereoscópica y un proyector gobo de desarrollo propio para iluminación activa. Ahora, los investigadores han añadido una cámara termográfica al sistema. Utilizan una cámara termográfica FLIR X6900sc SLS LWIR, que funciona con velocidades de fotogramas de hasta 1000 Hz con una resolución de 640 × 512 píxeles.
Áreas de aplicación y objectivos
El objetivo del sistema es combinar datos térmicos y 3D espaciales altamente dinámicos. Los procesos de velocidad extrema, como un atleta en movimiento, una prueba de colisión o el despliegue de un airbag, no solo muestran cambios rápidos en la forma de las superficies, sino también cambios en la temperatura local. En el pasado, no era posible capturar estos cambios simultáneamente. Es algo que se ha conseguido por primera vez con el nuevo sistema de medición termográfica 3D de alta velocidad de Fraunhofer IOF.
Cómo funciona el sistema
El sistema se basa en dos cámaras monocromáticas que son sensibles en el rango espectral visual (VIS). Funcionan a altas velocidades de fotogramas, a más de 12 000 Hz, y con una resolución de un megapíxel (aunque es posible alcanzar velocidades de fotogramas más altas con una resolución más baja). Sin embargo, las dos cámaras aún no son capaces de generar datos 3D significativos con la calidad deseada. Es más, se requiere un sistema de iluminación sofisticado que proyecte una secuencia ultrarrápida de patrones de rayas. Estos patrones son parecidos a las rayas sinusoidales convencionales, pero las anchuras de estas rayas varían aperiódicamente.
Manual definitivo de infrarrojos para profesionales de I+D
Para conseguir el efecto deseado, se revistió mediante vapor un vidrio con rayas metálicas de cromo. Este panel giraba a continuación en un proyector delante de la unidad óptica, por lo que proporcionaba el patrón de rayas necesario para la asignación de píxeles específica de ambas cámaras. Este principio recibe el nombre de proyección gobo (GOes Before Optics, va delante de la óptica).
Al combinar los datos 3D reconstruidos con los datos 2D de la cámara termográfica de alta velocidad FLIR X6900sc SLS, se generan (dicho en pocas palabras) imágenes térmicas tridimensionales de alta velocidad.
La FLIR X6900sc SLS funciona en el rango de infrarrojos de onda larga y, por tanto, no es sensible a los rangos de longitud de onda visible y de infrarrojos cercanos en los que emite radiación la lámpara del proyector gobo. Como el calentamiento del objeto por los patrones sinusoidales aperiódicos proyectados también es insignificante, el proyector gobo no influye en la termografía que se genera.
Medición y cálculo de datos
Las tres cámaras registran datos de imágenes simultáneamente durante la medición. Los datos de las cámaras en blanco y negro, combinados con la proyección aperiódica de rayas del proyector gobo, producen la imagen 3D real, para lo que suelen calcularse secuencias de 10 pares de imágenes para formar una imagen 3D. Esta «reconstrucción 3D» genera una forma espacial, sobre la que se superponen a continuación los datos de la imagen térmica de la cámara FLIR LWIR con el fin de asignar valores de temperatura a las coordenadas espaciales en un proceso de asignación.
Calibración
Es obvio que el sistema compuesto por las cámaras VIS y una cámara LWIR debe calibrarse antes de realizar mediciones. Para ello, el equipo de IOF utiliza una placa de calibración con una rejilla regular de círculos vacíos y rellenos. Para garantizar que estas estructuras puedan detectarse tanto en VIS como en LWIR, incluso con una distribución homogénea de la temperatura, se seleccionaron materiales con grados muy diferentes de reflexión (VIS) y de emisividad (LWIR) para los círculos y el fondo. Los investigadores de Jena encontraron una solución a este problema mediante el uso de placas de circuitos impresos. Para ello, desarrollaron una placa de circuitos muy inusual, que consistía en una rejilla regular de círculos vacíos y rellenos, en lugar de conexiones eléctricas entre componentes eléctricos.
Resolución de la medición: airbag y baloncesto
El sistema ya se ha sometido a pruebas en diferentes situaciones. Entre estas pruebas, un jugador de baloncesto driblando con una pelota (lo que no solo deforma la pelota, sino que también provoca calentamiento térmico).
Otra posible aplicación es la medición del desarrollo de temperatura y la representación espacial cuando se despliega un airbag. El sistema registró el proceso de alta velocidad a una distancia de tres metros durante medio segundo. Al combinar los datos tridimensionales con información termográfica, quedó claro no solo cuánto se calentó el airbag como consecuencia del despliegue, sino en qué momento y exactamente con qué coordenadas espaciales. Esa información puede ayudar a reducir y prevenir el riesgo de lesiones para los conductores relacionadas con el despliegue del airbag.
Conclusión y perspectiva
Martin Landmann del equipo de investigación de IOF está seguro: las posibles aplicaciones para una combinación de datos 3D de alta resolución e imágenes termográficas rápidas son numerosas. «Puede obtenerse información relevante, por ejemplo, observando pruebas de colisión, investigando la deformación y los procesos de fricción o eventos muy rápidos con relevancia térmica, como explosiones cuando se activa un airbag o en un cuadro de distribución», explica Martin Landmann. Destaca que el sistema se está desarrollando y optimizando de manera continuada. Por tanto, podemos prever que veremos más resultados de investigaciones innovadoras del equipo de Fraunhofer IOF en el futuro.
Manual definitivo de infrarrojos para profesionales de I+D