|
Detektor podczerwieni jest przetwornikiem energii promieniowania podczerwonego na inną wielkość fizyczną np. prąd, napięcie, zmianę rezystancji lub pojawienie się ładunku. Najprostszy detektor podczerwieni zastosował Herschel w swym doświadczeniu. Był to szklany termometr rtęciowy. W literaturze można spotkać różne kryteria podziału detektorów. Podzielono je na detektory termiczne i fotonowe. Pryncypalnie odmienny (raczej z punktu widzenia użytkownika) podział detektorów to:
• chłodzone i niechłodzone,
• pracujące w temperaturze otoczenia.
Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od – 70ºC (rzadko,) do – 200ºC (najczęściej). Detektory w kamerach termowizyjnych mogą też być pojedyncze, linijkowe lub budowane w postaci matryc (ang. FPA - Focal Plane Array – rys. poniżej) , składających sic np. z 320 x 240 pojedynczych detektorów (pikseli).
Rys. Przykładowe detektory matrycowe FPA
W związku z faktem, ze wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 ÷ 5μm oraz długofalowe LW 8 ÷ 14μm, wytworzył sic także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na krótkofalowe i długofalowe.
Historycznie było inaczej! Najpierw, około 40 lat temu, opracowano detektory InSb (2,5 ÷ 5,6 μm), które długo ,,królowały” w konstrukcji kamer. Potem prace, głównie nad detektorem HgCdTe, doprowadziły do ,,opanowania” przedziału 8 ÷ 14μm, co pokryło sic z istniejącymi oknami atmosferycznymi, prowadząc do podziału SW, LW. Przy doborze detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się maksymalną wykrywa1nością. Technologia produkcji detektorów podczerwieni należy obecnie do najbardziej dynamicznie rozwijających sic dziedzin wiedzy. Dlatego corocznie pojawiają, się setki publikacji przeg1ądowych, oryginalnych patentów na ten temat.
Wśród detektorów termicznych można wyróżnić:
Detektory bolometryczne – są to rezystory o bardzo malej pojemności cieplnej i dużym ujemnym współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Pod wpływem mierzonego promieniowania zmieniają, swoje rezystancje. Bolometry metaliczne, wykonywane z cienkich folii lub z naparowanych warstw niklu, bizmutu lub antymonu, są stosowane do chwili obecnej. Ich cecha charakterystyczną jest to, że mogą pracować w temperaturze pokojowej. Budowane są, też detektory bolometryczne półprzewodnikowe, nadprzewodzące oraz ferroelektryczne.
Detektory termoelektryczne – są zbudowane na bazie termostosu (układ szeregowo połączonych termoelementów). Złącze pomiarowe jest połączone z elementem fotoczułym, na który pada promieniowanie podczerwone. Pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania wzrasta temperatura powierzchni aktywnej od T do T+ ΔT, powodując nagrzanie złącza. Różnica temperatur złączy powoduje powstanie siły termoelektrycznej.
Detektory piroelektryczne – są zbudowane z półprzewodników, w których może wystąpić tzw. ,,zjawisko piroelektryczne”. Cechą odróżniającą je od innych typów detektorów termicznych jest to, że są czułe na szybkości zmian temperatury, a nie na jej wzrost. Dlatego w kamerach termowizyjnych na1eży zastosować specjalne przesłony wibrujące z częstotliwością 25(30) lub 50(60) Hz. Powodują one, ze porównywany jest poziom promieniowania padającego na dwa sąsiednie detektory (piksele). Jeżeli występuje różnica natężenia promieniowania, wówczas generowany jest sygnał pozwalający na zobrazowanie występujących różnic. Jeżeli różnica nie występuje, wówczas brak jest także reakcji detektora. Ta cecha powoduje, że niekiedy wykorzystywane są one również jako czujniki (detektory) ruchu. Detektory te występują jako niechłodzone w kamerach obserwacyjnych.
Wśród detektorów fotonowych można wyróżnić:
Detektory fotoprzewodzące – (zwane fotorezystorami) są to detektory z tzw. wewnętrzną emisją fotoe1ektryczną. Padające promieniowanie podczerwone powoduje zmianę rezystancji fotorezystora. Zmiany przewodnictwa są mierzone na kontaktach elektrycznych dołączonych do płytki detektora. Zwykle jest stosowana poprzeczna geometria fotorezystorów, gdy padające promieniowanie jest prostopadłe do kierunku prądu po1aryzującego. Mierzony sygnał stanowi zmianę napięcia na rezystorze obciążenia włączonego w szereg z detektorem. W przypadku detektorów o dużej rezystancji preferowany jest obwód stałonapięciowy, a sygnał pomiarowy stanowi prąd w obwodzie detektora.
Detektory fotoemisyjne – są to detektory z tzw. zewnętrzną emisją fotowoltaiczną. Zjawisko fotoemisji polega na emisji elektronów z materiału na zewnątrz (z fotokatody do wolnej przestrzeni) w wyniku wybicia go przez padający foton. Foton jest absorbowany w materiale fotokatody osadzonym na podłożu. Często materiał podłoża jest przezroczysty dla padającego promieniowania.
Detektory na studniach kwantowych – (QWIP Quantum Well Infrared Photodetector - studniowe fotonowe detektory podczerwieni) opracowała Firma AT&T na początku lat 90. Strukturę stanowią cienkie warstwy A1GaAs oraz GaAs. W celu zapewnienia optymalnych parametrów pracy wymagają schłodzenia do temperatury –203ºC (–70K) za pomocą chłodziarki Stirlinga zabudowanej w naczyniu Dewara, czyli wymagają nieco większego schłodzenia niż typowe detektory chłodzone: –196ºC (–77K). Obecnie są to najczulsze detektory o temperaturowej zdo1ności rozdzielczej 20÷40mK, dlatego stosowane są głównie do badań naukowych. Największa wykrywa1ność widmową mają. w paśmie długofalowym (LW) 8÷9μm o bardzo wąskiej szerokości, tj. 1μm. Ich cechą charakterystyczną jest stosunkowo wysoka jednorodność poszczególnych elementów (pikseli) matrycy.
Materiał został opracowany na podstawie monografii:
Minkina W.: „Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody”
Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, ISBN 83-7193-237-5,
243 str. |
|
Termowizja & Termografia
