Warmtebeeldcamera’s om infectieketens te doorbreken

Door: Redactie - 28 april 2021 |

Warmtebeeldcamera’s belangrijk om razendsnel nauwkeurige beelden en meetwaarden te leveren

De coronapandemie heeft de hele wereld laten zien wat de gevolgen van een bijzonder besmettelijk virus kunnen zijn. Toeristen en reizigers droegen onbedoeld bij aan de verspreiding. Eén van de sleutels om mogelijke infectieketens te doorbreken, is dan ook een betrouwbare detectie van besmette personen als ze aankomen bij een luchthaven. En hier leveren warmtebeeldcamera’s een doorslaggevende bijdrage. Motoren van FAULHABER helpen deze camera’s om razendsnel nauwkeurige beelden en meetwaarden te leveren.

Het idee van massale temperatuurmetingen is niet nieuw. Het concept werd al ingevoerd bij de meer lokale epidemieën die werden veroorzaakt door SARS, MERS en het Ebolavirus. Omdat deze virussen acute risico’s vormen voor de volksgezondheid, zijn in sommige landen al jaren geleden warmtebeeldscans ingevoerd op luchthavens en andere aankomstpunten, om de verspreiding van deze ziekten op zijn minst af te remmen. Als gevolg van COVID-19 wordt deze methode nu wereldwijd steeds meer toegepast.

Koorts is meestal één van de symptomen van een besmettelijke ziekte. Zelfs als een verhoogde temperatuur niet noodzakelijkerwijs wordt veroorzaakt door het coronavirus, is het een teken dat nader onderzoek nodig is. Bij reizigers met verhoging kunnen onmiddellijk extra tests worden uitgevoerd en maatregelen worden genomen.

Snel en contactloos

Een van de grote voordelen van temperatuurmetingen met warmtebeeldcamera’s, is dat deze methode geschikt is voor massaal gebruik. Het proces duurt maar een paar seconden en het werkt contactloos. Bovendien is ook automatisering een optie. Dit betekent dat metingen kunnen worden toegepast op luchthavens, bij grenscontroles en op andere andere “doorsluispunten”, zonder dat de bewegingsvrijheid significant wordt verstoord en zonder dat veel mensen lastige procedures moeten ondergaan. Zuid-Korea voerde de methode bijvoorbeeld in tijdens de parlementaire verkiezingen van 15 april 2020. Gezondheidsmedewerkers controleerden de temperatuur van iedere stemmer direct voor de ingang van het stemlokaal. Misschien is dit een van de redenen dat het Aziatische land in vergelijking met de rest van de wereld het coronavirus goed onder controle lijkt te hebben.

De binnenhoek van het ooglid is de meest geschikte plaats op het gezicht voor een snelle en betrouwbare temperatuurmeting. Het voorhoofd kan bijvoorbeeld fors afkoelen als gevolg van zweet, maar in de hoek van het oog is de lichaamstemperatuur bijzonder constant. De temperatuur kan worden bepaald met behulp van de infrarode straling die het lichaamsoppervlak uitstraalt. De meeste warmtebeeldcamera’s registreren deze straling ongeveer net zoals een normale digitale camera, met een beeldsensor die tot een miljoen pixels kan bevatten.

Iedere pixel is een minuscule bolometer, een temperatuurontvanger van enkele vierkante micrometer met een dikte van slechts 150 nanometer. De thermische straling verwarmt deze bolometer binnen 10 milliseconden met ongeveer één vijfde van het temperatuurverschil tussen de objecttemperatuur en de eigen temperatuur van de bolometer. Vervolgens vormt de som van deze waarden de basis om het temperatuurprofiel van het geregistreerde oppervlak te berekenen. De visuele weergave van dit profiel is een warmtebeeld, met de bekende kleurgradaties: fellere kleuren duiden op hogere temperaturen.

Thermische pixels en kwantumputten

Naast de bolometer zijn er nog andere methoden om temperaturen contactloos en “optisch” op te nemen. Bepaalde sensortypes detecteren bijvoorbeeld de golflengte van de straling en bepalen op basis hiervan de temperatuur. Bolometers en golfengtedetectie worden niet alleen toegepast voor klinische temperatuurmetingen bij mensen, maar bijvoorbeeld ook om warmtelekken in een gevelisolatie op te sporen. De gekleurde warmtebeelden laten direct zien waar warmte wegstroomt, of bij gebouwen met airconditioning juist waar koude lucht ontsnapt.

Een minder bekende, maar eveneens wijdverbreide toepassing van thermografie is kwaliteitsborging. Metaal, plastic en glas worden tijdens hun productieprocessen met warmte behandeld, en de juiste temperatuur in deze productiestap is vaak van doorslaggevend belang voor de kwaliteit van het eindproduct. Daarom bewaken warmtebeeldcamera’s vaak industriële processen, zoals heet walsen, lamineren of uitharden van glas. Bij zonnecellen kan thermografie structurele beschadigingen laten zien door zogeheten “hot spots” te detecteren, waar energie weglekt. Ook in veiligheidstechnologie speelt thermografie een belangrijke rol. Een thermische scan kan bijvoorbeeld oververhitting van componenten aantonen, lang voordat deze een kritische grens bereiken.

In atmosferisch onderzoek en in de ruimtevaart wordt een compleet andere methode toegepast: de QWIP, wat staat voor “Quantum Well Infrared Photodetector” – een infrarood-fotodetector van kwantumputten. Het werkingsprincipe is gebaseerd op een kwantummechanisch effect; de detectoren zijn opgebouwd uit afwisselende lagen van een extreem dun halfgeleidermateriaal. De lagen beperken de kwantummechanische staten die een deeltje kan aannemen. Invallende infraroodgolven beïnvloeden deze staat, en op basis daarvan kan de detector een beeld genereren. QWIP-beelden hebben een extreem hoge resolutie in hun “kleuren”.

Daarnaast zijn er ook nog apparaten die geen gebruik maken van de beschikbare thermische straling, maar die actieve belichting inzetten. Een infrarood-lichtbron verlicht het geregistreerde bereik op dezelfde manier als een standaard fotografische lamp: de warmtebeeldcamera wordt een nachtzichtcamera. Antiterreureenheden gebruiken dit soort technologie bijvoorbeeld bij operaties in donkere omgevingen. Mensen in het doelbereik van de camera kunnen het gebruikte infraroodlicht niet zien.

Optica in gemotoriseerde beweging

Ongeacht de gebruikte methode moeten er altijd elektromagnetische golven worden geregistreerd, gebundeld en gericht om de meting en beeldvorming mogelijk te maken. Dit gebeurt in principe op dezelfde manier als bij conventionele fotografie met zichtbaar licht. De optische componenten zijn dan ook hetzelfde: bewegende lenzen voor het focussen en in- of uitzoomen, instelbare diafragma’s, verplaatsbare filters en natuurlijk ook sluiters. Bij de veelgebruikte bolometers moeten de thermische pixels daarnaast ook regelmatig worden gekalibreerd, zodat dezelfde temperatuur altijd met dezelfde helderheid wordt weergegeven in het warmtebeeld. De meeste apparaten hebben hiervoor een zwarte sluiter die automatisch voor de sensor beweegt, om alle pixels op dezelfde waarde te kalibreren. Hoe sneller de sluiter zich beweegt, des te korter is de periode waarin geen meting mogelijk is.

Voor het focussen en zoomen is optische apparatuur vaak uitgerust met edelmetaal gecommuteerde DC-micromotoren uit de serie 1524 … SR. Deze motoren vereisten slechts minimale inbouwruimte en leveren bijzonder hoge prestatiewaarden. Waar de aandrijvingen in extreem kleine microlenzen moeten passen, worden motoren geplaatst met diameters van slechts 8-10 mm. Stappenmotoren van het type DM0620 in combinatie met een ingebouwde spindel zijn bijvoorbeeld ideaal om filters en sluiters te bewegen. FAULHABER biedt ook een uitgebreid assortiment aan motoren en bijpassende tandwielkasten, encoders en andere toebehoren. Voor vrijwel iedere toepassing leveren ze de optimale oplossing. Ze drijven componenten aan in vele conventionele optische apparaten, waar ze zich al jarenlang steeds weer bewijzen. Dit geldt ook voor de automatische gemotoriseerde positionering van camera’s op zogeheten pan-tilt-zoom-houders, met een draai- en kantelfunctie. Vooral de compacte, trillingsarme stappenmotor van FAULHABER zijn perfect voor dit soort toepassingen.