Fronir: Produse optoelectronice
Prezentare generală
Detectorul cu plan focal în infraroșu este componenta centrală a sistemului de imagistică termică și cheia detectării, identificarea și analizarea informațiilor în infraroșu ale obiectelor. Are o gamă largă de aplicații în domeniul militar, industrie, transport, monitorizarea securitatii, meteorologie, medicină și alte domenii.
Detectoarele cu plan focal infraroșu pot fi împărțite în detectoare cu plan focal infraroșu răcit și detectoare cu plan focal infraroșu nerăcit. Avantajele detectorilor cu plan focal în infraroșu răcit sunt sensibilitatea ridicată, capacitatea de a distinge diferențe de temperatură mai subtile, și distanță mai mare de detectare. Este folosit în principal în echipamentele militare de ultimă generație. Detectorul infrarosu cu plan focal neracit nu are nevoie de un dispozitiv de refrigerare si poate functiona la temperatura camerei. Are avantajele dimensiunilor mici, greutate redusă, consum redus de putere, viata lunga, cost scăzut, și pornire rapidă. Deși nu este la fel de sensibil ca detectoarele cu plan focal în infraroșu răcite, performanța detectorilor cu plan focal infraroșu nerăcit poate îndeplini cerințele tehnice ale unor echipamente militare și ale majorității domeniilor civile.
Principiul de funcționare
Detectorul de plan focal infraroșu nerăcit este compus din multe MEMS (sisteme micro-electromecanice) pixeli de structură de micro-punți aranjați bidimensional în mod repetat pe planul focal, iar fiecare pixel măsoară radiația termică la un unghi de incident specific. Principiu de bază:
A): Radiația infraroșu este absorbită de stratul absorbant de infraroșu din pixel pentru a provoca o schimbare de temperatură, modificând astfel valoarea rezistenței termistorului de siliciu amorf;
b): Termistorul de siliciu amorf este susținut deasupra substratului de siliciu printr-o micro-punte de izolare termică MEMS, și este conectat la circuitul de citire COMS fabricat pe substratul de siliciu printr-o structură de susținere;
c): Circuitul CMOS convertește modificarea valorii rezistenței termistorului într-un curent diferențial și realizează amplificarea integrală. După prelevare, se obţine valoarea de gri a unui singur pixel din imaginea termică în infraroşu.
Parametri cheie care afectează performanța
1. Rata de raspuns:
Se referă la raportul dintre semnalul de ieșire și puterea radiației infraroșii de intrare. Cu cât rata de răspuns este mai mare, cu atât performanța detectorului este mai bună.
2. Gama de lungimi de undă de răspuns:
Nerăcit (sensibil la căldură) detectoarele cu infraroșu nu au selectivitate la lungimea de undă de răspuns, și prezintă aceeași sensibilitate la lumina incidentă de diferite lungimi de undă. Funcționează în general la temperatura camerei, sensibilitatea este scăzută, iar timpul de răspuns este, de asemenea, lung.
3. Zgomot:
Zgomotul provine de la unele procese fizice de bază din detectorul cu infraroșu, chiar şi în absenţa radiaţiilor incidente, va fi zgomot. Zgomotul va afecta acuratețea detecției detectorului cu infraroșu, cu atât zgomotul este mai mic, cu atât performanța detectorului este mai bună.
Zgomotul detectorului include în principal zgomotul de curent întunecat și zgomotul fotoelectron. Metoda principală de reducere a zgomotului curentului întunecat este scăderea temperaturii de la temperatura camerei la temperatura azotului lichid, iar zgomotul curentului întunecat poate fi redus cu 50%.
4. Raportul semnal-zgomot(SNR):
Se referă la raportul dintre tensiunea de ieșire a semnalului generată de radiația incidentă și tensiunea de ieșire a zgomotului în același timp. Cu cât raportul semnal-zgomot al dispozitivului este mai mare, cu atât zgomotul este mai mic, si invers. Prin urmare, cu atât raportul semnal-zgomot este mai mare, cu atât mai bine.
5. Putere echivalentă a zgomotului:
Când tensiunea de ieșire generată de radiația incidentă este exact egală cu tensiunea de zgomot a detectorului însuși, puterea radiației incidente în acest moment se numește putere echivalentă a zgomotului. Cu cât este mai mică puterea echivalentă a zgomotului a detectorului, cu atât mai bine.
6. Diferența de temperatură echivalentă a zgomotului:
Aceasta se referă la diferența minimă de temperatură pe care o poate detecta detectorul cu infraroșu, cu atât valoarea este mai mică, cu atât mai bine.
7. Rata de detectare:
Este inversul diferenței de temperatură echivalentă a zgomotului. Cu cât rata de detectare este mai mare, cu atât mai bine.
Aplicație
Detectoarele cu infraroșu nerăcit au o gamă foarte largă de aplicații în domeniile militare și comerciale:
1. Domeniul militar
Aplicațiile în domeniul militar includ Thermal Weapon Sight (TWS), Îmbunătățirea vederii portabile, Amplificator de vedere al șoferului (DOUĂ), Stație de arme la distanță (RWS), Vehicul aerian fără pilot (UAV), Senzor de sol fără pilot(UGS), Vehicul de comandă de observare, Ghidarea și controlul rachetei, etc.
2. Câmp de măsurare a temperaturii prin imagini termice
Măsurarea temperaturii prin imagini termice este utilizată pentru întreținerea predictivă, cum ar fi detectarea zonelor anormale de încălzire prin intermediul camerelor termice cu infraroșu pe liniile de transmisie a energiei electrice, echipamente de generare a energiei electrice, și echipamente mecanice, care poate preveni opriri majore și accidente. În ceea ce privește inspecția clădirilor, este folosit pentru a detecta efectul de izolare al caselor, fațade de perete, scobirea, infiltrații de apă și mucegai, etc. Alte aplicații de termografie includ dezvoltarea de produse, fabricarea de electronice, măsurarea temperaturii medicale și controlul procesului, etc., așa cum se arată în figura din dreapta.
3. Domeniul de îmbunătățire a vederii comerciale
Principalele aplicații ale îmbunătățirii vederii comerciale includ stingerea incendiilor, supraveghere, îmbunătățirea vederii în infraroșu auto și maritim, etc., așa cum se arată în figura din stânga. Utilizează în principal avantajele imaginii în infraroșu fără sursă de lumină externă, capacitate puternică de a pătrunde fumul, raza lunga, contrast puternic de imagine, etc., pentru a completa eficient viziunea umană.
4. Electronice de consum
Datorită aplicării largi și ratei extrem de ridicate de penetrare a senzorilor de imagine a luminii vizibile în produsele electronice de larg consum, cum ar fi telefoanele mobile, oamenii au așteptări mari pentru aplicarea imaginilor în infraroșu în electronicele de larg consum. Aplicarea pe scară largă a tehnologiei de imagistică termică în infraroșu în electronicele de larg consum este în prezent limitată în principal de cost și volum.. În prezent, FLIR și Seek Thermal au lansat echipamente de termoviziune de calitate pentru consumatori, ceea ce îi face pe oameni să aștepte cu nerăbdare mai multe aplicații ale senzorilor de imagine termică în infraroșu în domeniul electronicelor de larg consum.