Как работает микроболометр (ИК камера)?

В настоящее время я делаю проект, который привел меня к моему первому знакомству с ИК-камерами, и поэтому мне довольно любопытно, как они работают. В частности, я хотел бы знать следующее

1. Как тепло преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение)?
2. Как спектральная ширина полосы ИК-камеры так хорошо определена?
3. Почему ИК-камеры намного дороже, чем цветные видеокамеры? (Цветные камеры имеют ИК-подавители, верно?)
4. Чем «обычные» ИК камеры отличаются от радиометрических?
5. В чем разница между ИК-камерами, которые могут определять температуру, скажем, до 1000 ° C, по сравнению с ИК-камерами, которые могут определять температуру до 400 ° C?

В вашем вопросе много вопросов, и его, вероятно, следует разбить на несколько разных вопросов. Я не хочу ждать, пока это произойдет, поэтому я обращусь к тем, на кого я знаю ответы.

1. Как тепло преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение)?

Микроболометрическое это просто частный случай болометра , который содержит материал, сопротивление которого очень чувствителен к его температуре. Изменение сопротивления, вызванное нагревом от падающего электромагнитного (EM) излучения, считывается по схеме, аналогичной той, которую вы найдете в вольтметре. Эти устройства могут быть спроектированы так, чтобы быть чувствительными к невероятно малым количествам энергии, и, как правило, также иметь большой динамический диапазон. Те, которые я использовал в лазерной промышленности, чувствительны от 10 мВт до 100 Вт, динамический диапазон 10 ⁴ .

2. Как спектральная ширина полосы камеры так хорошо определена?

Болометры известны своей невероятно широкой шириной спектральной полосы. Поскольку устройство фактически измеряет тепло, выделяемое электромагнитным излучением, ширина полосы самого материала детектирования (обычно аморфного кремния или оксида ванадия ) определяется длинами волн, на которых оно поглощает. Поэтому полоса пропускания детекторов микроболометра должна определяться внешней оптикой, которая отклоняет или поглощает другие длины волн. Я предполагаю, что они используют поглощающий инфракрасный полосовой фильтр перед поверхностью детектора.

3. Почему ИК-камеры намного дороже, чем цветные видеокамеры? (Цветные камеры имеют ИК-подавители, верно?)

Я не знаю точно, но есть возможность производить эти вещи массово стало возможным только в последние несколько лет , в то время как прибор с зарядовой связью (CCD) , датчики были в массовом производстве с 1980 - х годов. Вы правы в том, что ПЗС-детекторы содержат ИК-фильтр, но лежащие в основе материалы чувствительны только до ~ 1-2 мкм, поэтому они не работают в глубоком ИК-диапазоне, как микроболометры.

5. В чем разница между ИК-камерами, которые могут определять температуру, скажем, до 1000 ° C, по сравнению с ИК-камерами, которые могут определять температуру до 400 ° C?

Все теплые тела испускают излучение во всем диапазоне электромагнитного спектра. Спектральное содержание излучения, испускаемого на данной длине волны, очень близко определяется кривой черного тела Планка (показано ниже). Одной из ключевых особенностей этой кривой является то, что пик испускаемого излучения смещается в сторону более длинных волн с более низкими температурами. Пик испускаемого излучения определяется по закону Вина : где - постоянная Вина ( ) и температура в градусах Кельвина. Из этого вы можете рассчитать, что пиковые длины волн интересующих вас температур:

$$\lambda_{max}=\frac{b}{T}$$ $b$$b=2.8977721\cdot10^{3}\:\mathrm{m*K}$$T$$\lambda_{1000}=2.3\ \mu \text{m}$и . Таким образом, детекторы, которые предназначены для чувствительности к этим различным температурам, просто настраиваются (возможно, путем настройки полосового фильтра спереди), чтобы быть более чувствительными на различных пиковых длинах волн. $\lambda_{400}=4.3\ \mu\text{m}$