¿Cómo pueden las cámaras IR ver cosas más frías que la cámara?

He leído que solo los animales de sangre fría desarrollan visión IR para detectar presas cálidas porque un mamífero se cegaría con su propio calor y no podría ver nada.

Pero he visto una cámara FLIR, que funciona a temperatura ambiente, capaz de captar imágenes de puntos cálidos y fríos en las paredes, para encontrar lugares donde falta aislamiento. Claramente, no está cegado por tener su sensor, lentes y carcasa a temperatura ambiente, y puede obtener imágenes de parches más fríos sin ningún problema.

¿Cómo funciona? ¿Por qué la explicación popular es incorrecta?

Detección de calor no es lo mismo que visión IR. La visión funciona cerca del límite cuántico. Los humanos, por ejemplo, pueden detectar tan solo diez fotones, se afirma que algunos animales lo hacen mejor que eso por un factor de unos pocos. En ese conteo de fotones, el ruido térmico es limitante. Si no tenemos que trabajar en ese límite, podemos promediar el fondo térmico y luego la SNR siempre puede ser lo suficientemente grande como para detectar una señal. Un animal sensible al calor probablemente podrá detectar presas desde una distancia de unos pocos metros, mientras que la visión, con el mismo brillo de la fuente, le permitiría ver cientos de veces más lejos.
Detección de calor a través de IR como con una víbora; no, digamos, notando la fuente de calor a través de la convección del aire tan calentado.
Sí, eso es mucho menos sensible que la visión, que es, como observa correctamente, porque el fondo de calor limita la SNR alcanzable. Uno probablemente pueda comparar nuestros sensores de movimiento IR con el desempeño sensorial de los animales que tienen estos sentidos y podría resultar ser un desempeño similar. Lo que no sé es si eso ya está cerca del límite físico, pero podría estar cerca.
Solo como punto de referencia, la temperatura mínima que puede medir nuestra cámara FLIR es de -40 °C, por lo que ~60 °C por debajo de la temperatura del sensor.
Recuerde que los animales de sangre fría también están a temperatura ambiente, o más bien por encima de ella porque sus cuerpos producen calor. Simplemente no regulan su temperatura a un nivel constante, y funcionan más fríos que las criaturas de sangre caliente. Por lo tanto, en realidad se encuentran en una posición similar a la de la cámara FLIR en términos de calor interno, y quizás peor. Sin embargo, sigue siendo una buena pregunta.

Respuestas (3)

Comparando la señal con el fondo.

Suponga que obtiene 10 fotones IR de la cámara y el fondo de la lente, pero 5 adicionales de la fuente, entonces aún puede detectar la fuente.

Existe toda una ciencia de procesamiento de señales para detectar señales mucho más débiles que el fondo. Especialmente en astronomía IR.

Dicho esto, las cámaras utilizadas en la astronomía IR a menudo se mantienen bastante frías. Y cuando los telescopios IR basados ​​en el espacio se quedan sin refrigerante, eso generalmente indica el final de la misión.
@ChrisWhite, ¿por qué no usar radiadores pasivos como lo haría cualquier estación espacial KSP decente?
@JanDvorak Todo depende de las necesidades particulares de la misión. A veces, los radiadores pasivos simplemente no pueden cortarlo. No me sorprendería si hubiera casos en los que se consideraran los radiadores pasivos, pero el enfriamiento pasivo suficiente para cumplir con los requisitos de señal a ruido hubiera sido demasiado pesado. (Y también tienen límites en cuanto a qué tan fríos pueden llegar a ser, lo que puede ser importante para algunos programas)
Algunos instrumentos infrarrojos de observación de la Tierra no se enfrían en absoluto y la mayor parte de la señal es autoemisión. La calibración se encarga de restar eso.
@Jan JWST será en su mayoría pasivo, pero esto depende de un escudo solar desplegable altamente complejo. Esto solo lo lleva a 40 K, lo suficientemente bueno para el IR cercano. El instrumento de IR medio se basa en el enfriamiento activo hasta 6 K, mejor que traer un suministro de helio líquido, pero muy costoso con energía. No hará ciencia en el IR lejano, porque eso requiere temperaturas más frías.
Se propuso un diseño para un telescopio IR refrigerado pasivamente. IIRC incluso en L2 podría bajar a 20-40K. Era un diseño muy complejo de una serie de escudos flotantes libres.

En astronomía, el fondo de la cámara en sí se llama "corriente oscura" y se elimina tomando primero una exposición con el obturador cerrado durante, digamos, media hora, y luego restando esos recuentos de las observaciones reales, normalizadas al tiempo de exposición. de una imagen dada.

A veces, si está aburrido en el telescopio debido al mal tiempo, incluso puede tomar múltiples exposiciones oscuras y agregarlas, solo para obtener mejores estadísticas.

Tal vez esto debería haber sido un comentario...
@pela "Dark Current" se usa generalmente para la señal generada térmicamente en el detector. Hay un fondo térmico adicional del instrumento, la óptica, el telescopio y la atmósfera. Normalmente se tratan por separado porque sus características/estadísticas de ruido son diferentes.
@MartinBeckett: Han pasado algunos años desde que observé en los telescopios, y veo que tienes experiencia en óptica, así que no voy a discutir contigo, pero como recuerdo mi reducción de datos, restamos oscuridad, sesgo (pequeño número agregado a cada píxel para mantener los recuentos positivos) y el ruido de lectura. Es decir, no tratamos esos antecedentes que mencionas por separado, creo. ¿Tal vez sea porque está dominado por el ruido del detector?
@pela depende de la tecnología de longitud de onda/detector. Resta un marco oscuro para eliminar el fondo térmico del detector (corriente oscura clásica) y luego tal vez corta el cielo, o una carga fría para manejar el fondo térmico atmosférico y del telescopio. Mi fondo está cerca del IR donde domina la corriente oscura del detector, por lo que es mucho más fácil
Vale, tal vez la tecnología de los telescopios que utilicé es más sencilla, ya que son de los años 70 y 80 (por ejemplo, el de 1,5 m de La Silla y el de 2,5 m de La Palma). Simplemente establecemos la imagen final igual a (sin procesar – [sesgo+oscuro+lectura]) / (campo plano), donde el campo plano representa la diferente sensibilidad del píxel.

No estoy seguro de si es mejor resucitar esta vieja pregunta o plantear una nueva, pero aquí va:

¿No se da el caso de que el sensor emite IR hacia la escena , al igual que la escena emite IR hacia el sensor?

Si el sensor está viendo una escena a una temperatura más baja, eso enfría el sensor . El sensor emite más energía hacia la escena que la escena emite hacia el sensor.

El cuerpo de la cámara y la lente tienen baja emisividad , por lo que no irradian suficiente energía térmica para ahogar este efecto. El sensor tiene una alta emisividad, debe hacerlo, porque necesita absorber el IR entrante con alta eficiencia, en lugar de reflejarlo.

Este mismo razonamiento funciona si considera un píxel de sensor individual y el parche pequeño correspondiente de la escena. Así es como una cámara térmica puede captar imágenes de objetos más fríos que ella misma.

Así es también como el suelo se enfría por debajo de la temperatura del aire en una noche despejada. El cielo se ve muy frío, y como el suelo irradia calor hacia él, el cielo no irradia tanto calor hacia atrás. El resultado: el suelo puede enfriarse lo suficiente como para acumular escarcha, incluso cuando la temperatura del aire está por encima del punto de congelación, ¡todo sin romper una sola ley de la termodinámica!

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