Tipuri de imagistică termică
Imaginile termice sunt subdivizate de tipul elementului de detectare.
În imaginile termice cu așa-numitul element de detectare termică, bolometrele sunt folosite ca element sensibil.
În imaginile termice cu un element sensibil bazat pe un element fotosensibil intern, matricele sensibile la semiconductoare ale materialelor sensibile la regiunea infraroșie îndepărtată a spectrului sunt utilizate ca element sensibil.
În primul rând, caracterizăm aceste elemente sensibile în termeni generali.
O comparație a sensibilității fotodetectoarelor termice și a fotodetectoarelor bazate pe matricele fotosensibile semiconductoare pe baza efectului fotoelectric intern este prezentată în Fig. 2 (1 - receptoare termice, 2 - receptoare fotonice).
Din motive obiective, legate de particularitățile proceselor fizice lucrează elemente microbolometrul (absorbție în bandă largă de radiații și niveluri ridicate de zgomot), detectarea capacitatea acestor dispozitive la ordinele de mărime mai mici decât sensibilitatea detectării matricelor semiconductoare fotosensibile, care se bazează pe efectul fotoelectric intern, sensibil la radiații cu o anumită lungime val.
Pentru a evalua diferențele dintre imaginile termice realizate pe aceste și alte elemente de detectare, estimăm detectabilitatea lor.
Capacitatea detectabilă a elementelor fotosensibile semiconductoare variază între 109-1015 cm • Hz1 / 2W-1. Capacitatea de detectare a bolometrelor variază în limitele a 107 - 108 cm • Hz1 / 2W-1. În afară de faptul că, în sine, este o diferență foarte semnificativă din compararea acestor valori, putem concluziona cu unele senzor termic trebuie utilizat atunci când se fixează un obiect plasat la distanțe diferite. Bolometrele sunt utilizate în sistemele de observare și recunoaștere în infraroșu la distanțe scurte (10-1500 m). Inițial, imaginile termice bazate pe bolometre au fost dezvoltate pentru obiective IR, binocluri, un sistem IR de monitorizare a vehiculelor, sisteme de supraveghere IR fără pilot.
Imaginile termale bazate pe elemente sensibile semiconductoare cu o capacitate mare de detectare asigură "vizibilitate" pentru zeci de kilometri și sunt utilizate în complexe serioase.
Imagini termale bazate pe fotodetectoare termice pentru imagistică (imagini termice bazate pe bolometre)
Principiul de funcționare a fotodetectoarelor termice se bazează pe înregistrarea modificării proprietăților unui material cu o schimbare a temperaturii datorată absorbției radiației optice. Există diferite tipuri de fotodetectoare termice bazate pe efecte diferite. Printre acestea cele mai frecvente sunt:
a) bolometre care utilizează modificarea rezistenței unui film subțire, semiconductor sau superconductor;
b) detectoare termoelectrice, cum ar fi termocupluri sau termopile, utilizând efectul apariției termo-emf la contactele a două metale;
c) receptoare piroelectrice bazate pe efectul piroelectric în piroelectrice, inclusiv cristalele feroelectrice în apropierea temperaturii Curie;
g) receptoare optice-acustice (PDA), uneori numite elemente detectoare IR pneumatice sau Golay folosind expansiune periodică și contracția gazului atunci când acesta este încălzit de radiații optice modulate în amplitudine absorbită de o membrană subțire.
Esența problemei este după cum urmează. După cum sa menționat deja, fiecare matrice microbolometru sensibil elementul constă dintr-un strat subțire sensibil la schimbările de temperatură și depus pe un substrat pentru izolare termică. Elementul sensibil la temperatură, de exemplu pe bază de oxid de vanadiu modificările vox și cei doi electrozi conectați materialul sensibil la temperatură pe substrat și circuitul de citire. Emiși energie în infraroșu primit de fiecare detector microbolometrul care crește temperatura detectorului. Schimbarea temperaturii induce o schimbare în rezistența fiecărui detector care înregistrează multiplexare circuit integrat, dispuse pe același substrat semiconductor. Un factor important în realizarea caracteristicilor tehnice matrice ridicate microbolometrul este alegerea unui strat termosensibil având un coeficient de temperatură ridicată de rezistență (TCR) și un nivel scăzut de zgomot în exces oferind în același timp, de asemenea, bună absorbție a radiației în domeniul spectral de lucru. Sensibilitatea este în principal limitată de conductivitatea termică a fiecărui pixel. Viteza de funcționare este determinată de raportul dintre capacitatea termică și rezistența termică. Capacitatea redusă de căldură nu numai că mărește viteza, dar, de asemenea, fluctuațiile termice - zgomot. Creșterea conductivității termice îmbunătățește performanța dar reduce sensibilitatea (și pentru aceasta a crescut, este necesară creșterea TCR și rezistența de bază).
Filmele semiconductoare înalte au folii semiconductoare. Abordarea pentru rezolvarea unor probleme ale microbolometrelor VOx se bazează pe utilizarea siliciului amorf (non-cristalin) ca material sensibil la căldură. Silicul amorf este caracterizat printr-o valoare mai mare a TCS, care oferă un nivel mai ridicat de sensibilitate. Cu toate acestea, siliciul amorf are o rezistență de bază mai mare, deci există problema potrivirii impedanței mari de ieșire cu impedanța de intrare a microcircuitelor de citire. De asemenea, semiconductorii sunt caracterizați de zgomot excesiv de curent. În acest sens, selectarea materialului elementului sensibil este o sarcină multilaterală.
Creșterea semnificativă a coeficientului de absorbție al radiației infraroșii permite structurile sandwich mai multe straturi. Sandwich-urile construite sub formă de rezonatoare optice absorb 80% din radiație la o lungime de undă de 8 μm. Se poate obține absorbția structurilor plane de 50-80% în banda de 8,5-10 μm.
Imaginea redată cu ajutorul dispozitivelor termografice bazate pe bolometre are aceeași formă ca imaginea obținută cu ajutorul imaginilor termice pe baza matricelor semiconductoare.
Imagistica termica bazata pe fotoefectul intern pentru vizualizarea imaginii
Atunci când radiația electromagnetică (inclusiv radiația optică) trece prin semiconductori, în ele sunt generați electroni liberi. Atunci când un efect fotoelectric de absorbție intrinsecă internă pentru energia fotonică trebuie să fie mai mică decât lățimea așa-numitului semiconductor decalaj bandă (Ex), adică absorbția intrinsecă a fotonilor pentru a forma perechi electron-gol trebuie să îndeplinească condiția: h # 61550; .. # 61642; De exemplu, unde h # 61550; - energia fotonilor
# 61550; # 61472; - frecvența radiațiilor (# 955; = cu / # 957;);
h este o latură constantă.
Limita de fotoconducție cu lungime de undă lungă este determinată de relația:
# 955; = hc / Eg = 1,24 / Eg (eV)
Aceasta este lungimea de undă maximă a radiației care va fi absorbită de semiconductor cu un interval de bandă dat cu formarea perechilor de electroni.
surse:
S. Z. Fizica dispozitivelor semiconductoare. M. Mir, 1984.
Evaluarea medie a acestui articol: 5 (voturi: 2)
Evaluarea ta: