Comment choisir une caméra thermique

Le capteur microbolomètre est constitué d'une matrice à plan focal de plusieurs détecteurs infrarouges. La quantité totale de détecteurs détermine directement la résolution totale de l'image obtenue en infrarouge. Pour simplifier, on peut le voir comme le capteur d'un appareil photo numérique, plus on a un nombre de pixels (ici 1 pixel équivaut à 1 détecteur (1 élément du capteur microbolomètre) élevé et plus l'image/la photo capturée sera théoriquement de bonne résolution. Attention, d'autres paramètres influent grandement sur la qualité de l'image, comme le netd, l'ifov, le pitch, le traitement électronique/logiciel interne à la caméra et même l'écran de la caméra (lorsqu'on visualise sur l'écran de la caméra).

Ci-dessous un exemple de différences de résolution (taille de capteur) pour la gamme de caméra Flir Ex (E4, E5, E6, E8 (anciens modèles)), pour lesquels les valeurs de champ de vision (FOV) et de sensibilité thermique (NETD) sont identiques.

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Images prises avec chaque modèle		Images zoomées, afin de mieux voir les différences
Source : Flir

La taille du capteur, en plus d'influencer la résolution/qualité de l'image, va également jouer un rôle sur le champ de vision (FOV). En effet, un capteur d'une grande taille permet d'obtenir une image de meilleure qualité à même distance qu'un capteur de moins bonne résolution ou autrement dit, afin d'obtenir une image de même qualité ou proche, il faudra se placer plus près avec une caméra de résolution inférieure qu'avec une caméra de résolution supérieure. Pour illustrer cela, vous trouverez ci-dessous un exemple d'images prisent par des caméras Flir ayant le même objectif (ici un 45° de large (HFOV)), mais avec une résolution différente. Afin d'obtenir une qualité d'image similaire et suffisante, il a fallu se placer 2 fois plus près et prendre 4 images avec la caméra avec capteur de 320x240 éléments, tandis qu'1 seule image a suffit à obtenir le même champ de vision total et à une distance supérieure avec la caméra avec capteur de 640x480 éléments.

C'est la capacité que la caméra a de détecter/voir une différence de température faible. Autrement dit, il s'agit du plus petit écart de température détectable par la caméra. Plus la sensibilité thermique est faible, mieux on peut détecter les faibles variations de température, et moins il y aura de "bruit" sur l'image thermique. 

C'est un critère important pour les applications où les écarts de température sur une même image sont faibles. Comme le contrôle de l'isolation des bâtiments par exemple. Les meilleures caméras atteignent des NETD inférieures à 0.02°C (20mK).

Le NETD a un impact fort sur la résolution/qualité de l'image ainsi que sur la précision de la mesure. Si le NETD est vraiment mauvais (au-delà de 70mK (0.07°C)), l'image pourra paraitre floue, bruitée...même si la caméra possède pourtant une taille de capteur confortable. D'ailleurs, certains fabricants mettent plus d'efforts sur cet aspect que sur la résolution totale, qui est aussi importante bien évidemment. Mais en jouant d'avantage sur le NETD il est possible d'obtenir une meilleure image avec une caméra de résolution moyenne mais ayant un excellent NETD qu'avec une caméra ayant un mauvais NETD mais avec une résolution supérieure.

Un exemple ci-dessous assez parlant sur l'impact du NETD. Ici une fenêtre de maison vu par 2 caméras (Testo) à une même distance et ayant la même taille de capteur, mais un NETD différent de 20mK (0.02°C).

NETD de 80mK (0.08°C)		NETD de 60mK (0.06°C)
Source : Comparatif des caméras infrarouges de Testo

Un autre exemple chez Flir cette fois-ci :

NETD de 65mK (0.065°C)		NETD de 45mK (0.045°C)
Source : Guide de l'Imagerie Thermique pour les applications du Bâtiment et des Energies Renouvelables de Flir

Pour plus d'info sur le NETD, voir ici.

Le champ de vision Horizontal et Vertical (FOV) / les objectifs

Le champ de vision est exprimé en angle (horizontal (HFOV) et vertical (VFOV)), on parle aussi d'angle d'ouverture. Il permet de connaitre la zone totale que la caméra est capable de voir à une distance donnée. Plus l'angle d'ouverture est grand et plus la caméra visualisera un champ large pour une même distance, à l'nverse, plus l'angle est faible et plus la vision de la caméra sera resserrée. Sur les caméras ce paramètre est donné directement par l'objectif optique présent devant le capteur microbolomètre. Les modèles de caméra entrée de gamme et milieu de gamme ont en général toutes un angle de vison fixe (plus ou moins reserré ou ouvert selon les modèles), mais sur quelques caméras plus haut de gamme, il est possible de changer d'objectifs afin d'adapter l'angle de vision de la caméra à son application, on parle d'objectifs interchangeables pouvant se présenter comme un objectif complet (on remplace l'objectif d'origine par le nouveau) ou comme sur-objectif (objectif se placant par-dessus celui d'origine).

Le champ de vision instantané (IFOV)

L'IFOV est la résolution spatiale du capteur thermique/infrarouge. Pour faire simple, l'iFOV représente le plus petit élément que la caméra peut détecter. Il est exprimé en mrad et indique la valeur de taille du plus petit point visible par la caméra à 1m (1 mrad = 1mm à 1m). Il est directement déterminé par le champ de vision du capteur et la taille du capteur. En associant ces paramètres (IFOV, FOV, taille du capteur) il est possible de déterminer à la fois le plus petit point détectable (visible), le plus petit point mesurable (équivaut à 3x* l'iFOV), et la distance à laquelle placer la caméra pour obtenir la taille de point désiré.

Pour plus de détails sur l'iFOV, cliquez ici.

*Afin d'obtenir une mesure de température qui soit acceptable en terme d'incertitude (l'idée est de compenser l'erreur systématique causé par l'IFOV et de rester dans une plage d'erreur inférieure à 3°C), on considère que le point (la zone) dont on souhaite obtenir la mesure doit être recouvert par envion 3 éléments (3 pixels) du détecteur. Lorsqu'on parle d'IFOV, on distingue ainsi l'IFOV détecté (la plus petit détectable, visible), et l'IFOV mesuré (le plus petit point mesurable).

C'est la plage de température que pourra mesurer la caméra. par exemple de -30 à +350°C. Pour une application industrielle vous pourrez avoir besoin d'une caméra mesurant jusqu'à +2 000°C.

Souvent ignoré ou mis au second plan, la mise au point, ou focalisation est pourtant un paramètre très important.

Comme pour un appareil photo classique, la mise au point joue sur la netteté de l'image. Une mauvaise mise au point donnera donc une image floue et il sera difficile d'observer des détails, ou plus simplement de voir ce que contient l'image. En imagerie thermique, c'est la même chose, une image floue ne donnera pas de détails...Pire, comme une caméra thermographique affiche ce qui est visible dans le rayonnement infrarouge, les couleurs affichées à l'écran, qui correspondent en fait aux variations de températures, peuvent être "faussées". "Faussées" dans le sens où comme l'image sera floue, il sera très difficile de distinguer les variations, voire même certaines variations seront complètement invisibles.

Le problème, c'est que, comme on l'a vu plus haut, ces variations sont reliées aux performances intrinsèques de la caméra, NETD en tête mais aussi IFOV, résolution...et donc précision de la mesure au final. Ainsi, une mauvaise mise au point impliquera aussi une mauvaise mesure de température et une mauvaise interprétation des actions à mener ensuite. Typiquement, si une anomalie est présente, et qu'elle aurait dû être vue par une caméra thermique, il est fort possible de ne pas du tout la voir si la mise au point n'est pas faite correctement.

Certaines caméras thermiques disposent de systèmes de mises au point avancées (automatique, semi-automatique, basé sur le contraste, la distance...) ou manuelles, mais les caméras d'entrée de gamme, voire milieu de gamme n'ont pas du tout de mise au point. Comment alors ces dernières peuvent-elles afficher et mesurer de façon juste ? Sur ces caméras sans mise au point l'optique est en fait calibrée pour être relativement focalisée sur une plage de distance définie, ou fixe. Bien entendu, ce n'est pas l'idéal, mais cela suffit souvent lorsqu'on ne cherche pas une grande précison ou résolution d'image et de mesure. Pour des applications d'audit de bâtiment (pont thermique par exemple), cela peut suffire, mais pour des thermiciens experts, des applications plus pointues en industrie...il sera préférable d'opter pour une mise au point réglable (manuelle ou automatique...) afin d'affiner l'image et donc d'obtenir de bien meilleures résolutions et précisions de mesure.

Autre effet à ne pas négliger est l'impact de la mise au point sur l'alignement des images. En effet, certaines caméras sont dotés d'un capteur visible en plus du capteur infrarouge. Cela permet d'obtenir l'image dans le spectre visible en plus de l'image dans le spectre infrarouge. C'est assez pratique pour facilement reconnaitre l'endroit où l'on effectu l'inspection de thermographie et aide à la compréhension des analyses dans les rapports pour les clients. Côté caméra, cela permet aussi d'intégrer l'image thermique dans l'image visible (PIP), de fusionner les 2, de faire des alarmes de température (isothermes)...Mais, afin de fusionner correctement les 2 domaines (visible et infrarouge), il faut absolument que l'image visible soit "calée" sur l'image thermique (ou l'inverse), on parle alors d'alignement des images. Cet alignement n'est pas toujours bien réalisé, c'est même d'ailleurs assez rare d'avoir un alignement parfait sans réglages précis ou sans technologie particulière, mais si en plus on ajoute une mauvaise mise au point en infrarouge, alors là il sera impossible d'aligner les images visibles et infrarouge car l'image thermique sera trop floue.

Certaines caméras disposent. en plus du capteur thermique. d'un appareil photo numérique. L'intérêt est de pouvoir capturer l'image visible en même temps que l'image infrarouge pour situer l'emplacement du cliché ou de mettre en avant certaines zones chaudes ou froides sur l'image visible. Les modes de visualisation les plus fréquents sont :

• L'image thermique dans l'image visible (Picture In Picture)(PIP).
• L'IR-Fusion avec AutoBlend™ de Fluke : Technologie propriétaire l'image thermique est en transparence sur l'image visible.
• Le mode MSX™ de Flir : les contours de l'image visible sont ajoutés à l'image infrarouge.
• Les modes alarmes ou isotherme : les zones au dessus ou en dessous d'une certaine température sont affichées en thermique sur l'image visible.

Picture In Picture		IR-Fusion™ AutoBlend™ de Fluke		MSX™ de Flir		Mode alarme ou isotherme