Технологии датчиков ик-спектра

Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 0,75 до 1000 мкм, превышающими длины волн видимого спектра, но более короткими, чем микроволновое излучение. Из-за атмосферного поглощения ИК-излучения реальный диапазон, пригодный для детектирования, ограничивается приблизительно 30 мкм. ИК-детекторы используют, как правило, длины волн, лежащие в окнах прозрачности атмосферы — в диапазоне 3–5 мкм (MIR) и 8–14 мкм (FIR).

С помощью FIR-детекторов можно получить значительную информацию о слабонагретых объектах. Так, спектральная длина волны теплового излучения человека с температурой 37 °C составляет примерно 9,3 мкм.

Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных преобразователей — датчиков теплового излучения. Современные датчики включают подложку, на которой размещен массив детекторов в фокальной плоскости focal plane array (FPA) — множество детектирующих элементов, представляющих собой пиксели. Подложка также включает ИС, обычно называемую Read Out Integrated Circuit (ROIC), которая электрически соединяется с детектирующими элементами. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется посредством оптики на ИК-детектор, информация от него передается на мультиплексирующую сенсорную электронику для обработки изображения, которое транслируется на стандартный видеомонитор.

За последние годы разработано много типов матричных ИК-детекторов. Многие из существующих технологий считывания тепла интересны для автомобильных применений.

Наиболее широкое распространение получили следующие технологии теплового сканирования:

1. Системы, требующие криогенного охлаждения.

2. Микроболометры — приборы для измерения тепловой энергии, использующие эффект изменения теплового сопротивления, включающие датчики из аморфного кремния, различных модификаций ванадий-оксидных (VOx) и других материалов.

3. Пирометры — приборы, основанные на эффекте тепловой поляризации пироэлектрических материалов.

4. Двухслойные изгибные микробалки Bi-Layer Microcantilevers, отражающие свет на CCD- и CMOS-датчики.

5. MEMS-терпопили (Thermopile MicroElectro-Mechancial Systems).

6. Термооптические датчики (технология RedShift Systems).

Основные рабочие характеристики ИК-камер

Важнейшими характеристиками ИК-детекторов, предназначенными для их сравнения (некоторые из них приведены в таблице 3), являются:

1. детектируемый спектральный диапазон и спектральная характеристика;

2. NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) — эквивалентная шуму разница температур, выражаемая в мК — показатель чувствительности, разрешения и достижимой точности датчика;

3. NEP (Noise Equivalent Power) — эквивалентная шуму сила света (количество света с SNR = 1);

4. SNR;

5. фоточувствительность — выходное напряжение или фототок, отнесенное к энергии воздействующего света (обычно измеряется в В/Вт);

6. квантовая эффективность;

7. обнаружительная способность D* — фоточувствительность единицы площади детектора (используется для сравнения различных типов детекторов);

8. ограничивающий D* шум фоновых флуктуаций BLIP (Background Limited Infrared Photodetection);

9. время срабатывания — показатель быстродействия датчика;

10. размер матриц детекторов, размер и форма активной области датчика, угол обзора, схема обработки сигнала (ROIC), метод охлаждения и другие характеристики, типичные для автомобильных датчиков.

Таблица 3. Сравнительные технические данные некоторых автомобильных тепловых камер