инфракрасный тепловизорОсновная функция заключается в преобразовании невидимого инфракрасного излучения (внешнего проявления температуры тела) в измеримый электрический сигнал, который в конечном итоге генерирует тепловую карту. Его преимущества и недостатки производительности напрямую зависят от эффективности механизма фотоэлектрического преобразования, его решение « может ли он точно захватывать сигнал», следующее из этого основного измерения для детального анализа:

Фотонная энергия инфракрасного излучения намного ниже, чем видимый свет (длина волны обычно составляет от 1 до 14 мкм), и не может непосредственно возбуждать полупроводник, чтобы создать сильный фотоэлектрический эффект, как это делают детекторы видимого света, поэтому преобразование энергии должно осуществляться посредством физических процессов, которые являются « косвенными или специальными прямыми». В зависимости от принципа преобразования основные инфракрасные детекторы можно разделить на три категории: тип теплового разряда, тип микрометрического радиометра (MEMS) и тип фотона (квантовая ловушка / теллур - кадмиевая ртуть), механизмы преобразования которых существенно различаются.

1. Детектор тепловыделяющего типа: "Изменение температуры → поляризованный заряд → электрический сигнал"

Термоэмиссионный детектор использует физические свойства термоэмиссионных кристаллов (таких как танталат лития, триглипептид сульфата TGS) для преобразования, относится к категории « теплового детектирования» (сначала инфракрасное излучение преобразуется в изменение температуры, а затем в электрический сигнал), подходит для инфракрасного диапазона средней и длинной волн (от 3 до 14 мкм).

Процесс преобразования:

1. Инфракрасное поглощение: металлическая черная пленка (высокая скорость поглощения) на поверхности детектора поглощает инфракрасное излучение, преобразуя энергию излучения в тепловую энергию, что приводит к повышению температуры термоэмиссионных кристаллов;

2. Изменение поляризации: « самопроизвольная интенсивность поляризации» термоэмиссионных кристаллов изменяется с изменением температуры (при повышении температуры интенсивность поляризации снижается);

3. разделение зарядов: электроды на обоих концах кристалла индуцируют поляризованный заряд, и когда скорость изменения температуры (dT / dt) не равна нулю, заряд на электроде создает поток, образуя слабый электрический сигнал;

Чтение сигнала: преобразование слабого тока в сигнал напряжения с помощью фронтального усилителя, который затем обрабатывается последующей цепью в поддающийся количественной оценке электрический сигнал.

Ключевые особенности:

- чувствительны только к "изменениям температуры" (статическая температура без сигнала), должны работать с механическим вертолетом (периодическое затенение инфракрасного излучения, изготовление температурных колебаний);

- Простая структура, низкая стоимость, но медленный ответ (миллисекундный уровень), подходит для сценариев, которые не требуют высокой частоты кадров (например, мониторинг безопасности, скрининг температуры тела).

2. Микрометрический радиотермометрический детектор (технология MEMS): "Изменение температуры → изменение сопротивления → электрический сигнал"

Микрометрический радиотермометр (Microbolometer) в настоящее время является основной технологией для гражданских инфракрасных тепловизоров (таких как безопасность, потребительская электроника), также относится к « тепловому обнаружению», ядро основано на структуре микромоста MEMS термистор, подходит для длинноволнового инфракрасного диапазона от 8 до 14 мкм.

Процесс преобразования:

1. Инфракрасное поглощение и нагревание: поглощающий слой поверхности микромоста MEMS (изготовленный из изоляционных материалов, таких как нитрид кремния и поддерживающий термисторы) (например, оксид ванадия, аморфный кремний) поглощает инфракрасное излучение, а температура повышается (структура микромоста уменьшает теплопроводность к фундаменту и повышает тепловую чувствительность);

2. Изменение сопротивления: сопротивление термочувствительного материала (например, оксида ванадия VOx) значительно изменяется с температурой (температурный коэффициент TCR обычно составляет от - 2% до - 4% / K, отрицательный знак указывает на повышение температуры и снижение сопротивления);

3. преобразование электрических сигналов: включение термисторов в мост Уистона (путем смещения постоянного тока), изменение сопротивления может привести к выходному сигналу разности напряжения моста (изменение напряжения прямо связано с изменением температуры);

4. Массированное чтение:инфракрасный тепловизорСостоит из сотен тысяч или даже миллионов микромостовых блоков, состоящих из « решетки фокальной плоскости (FPA) », каждый из которых соответствует пикселю тепловой карты, считывая сигналы напряжения по точкам через цепь привода ряды и соединяя их в полное тепловое изображение.

Ключевые особенности:

- Вертолет не требуется (может непосредственно определять статическую температуру), скорость отклика выше, чем тепловое высвобождение (микросекундный уровень), частота кадров может достигать 30 - 60 fps;

Процесс MEMS может быть миниатюрным и недорогим, но его долгосрочное использование подвержено воздействию температуры окружающей среды (требует температурной компенсации).

Фотонный детектор (квантовая ловушка / QWIP, теллур - кадмиевая ртуть MCT): "Инфракрасный фотон → носитель → электрический сигнал"

Фотонные детекторы непосредственно используют квантовые эффекты полупроводников для преобразования инфракрасных фотонов в электронно - дырочные пары (носители), относятся к категории « квантового детектирования», подходят для средне - и коротковолнового инфракрасного диапазона (от 1 до 5 мкм), имеют высокую чувствительность и скорость реакции, в основном для сцен (например, военных, аэрокосмических).

Возьмем, к примеру, инфракрасный фотонный детектор (QWIP) с более широким применением квантовой ловушки, процесс преобразования которого выглядит следующим образом:

1. Структура квантовой ловушки: многослойная структура, образованная попеременно произрастающими GaAs (арсенид галлия) и AlGaAs (арсенид алюминия галлия), имеет более низкую энергетическую зону, чем слой AlGaAs, образуя « квантовую ловушку» (электроны ограничены слоем GaAs и могут переходить только между определенными уровнями);

2. Абсорбция фотонов и возбуждение носителей: когда энергия фотона в инфракрасном диапазоне (E = hneneneba, h - константа Планка, - частота) равна энергетическому каскаду квантовой ловушки, электроны поглощают энергию фотона, переходя от низкоэнергетического уровня к высокоэнергетическому (свободно движущаяся направляющая полоса), создавая пары электронов - дырок;

Разделение и сбор носителей: на обоих концах детектора применяется смещенное напряжение, электрическое поле перемещает электроны и дырки в противоположном направлении, образуя световой сигнал тока (размер светового тока пропорционален количеству падающих инфракрасных фотонов);

Работа при низких температурах: Для подавления "темного носителя", генерируемого тепловым возбуждением (ток утечки при отсутствии света), фотонный детектор должен работать при низких температурах (обычно охлаждается до 77K / 196°C с помощью холодильной установки Стирлинга или жидкого азота), чтобы гарантировать, что только инфракрасные фотоны могут возбуждать носитель.

Ключевые особенности:

- Высокая чувствительность (может обнаруживать сигналы на одном фотонном уровне), быстрая скорость отклика (наносекундный уровень), но сложная структура, высокая стоимость, которая зависит от системы охлаждения, подходит для сценариев, требующих высокой точности обнаружения.