типи тепловізорів
Тепловізори поділяються на кшталт чутливого елемента.
У тепловізорах з так званим тепловим чутливим елементом використовуються в якості чутливого елемента болометри.
У тепловізорах з чутливим елементом на основі внутрішнього фоточутливого елемента використовуються в якості чутливого елемента напівпровідникові чутливі матриці з матеріалів, чутливих до далекої інфрачервоної області спектра.
Для початку охарактеризуємо ці чутливі елементи в загальних рисах.
Порівняння чутливості теплових фотоприймачів і фотоприймачів на основі напівпровідникових фоточутливих матриць на основі внутрішнього фотоефекту наведено на рис. 2 (1 - теплові приймачі, 2 - фотонні приймачі).
В силу об'єктивних причин, пов'язаних з особливостями фізичних процесів роботи мікроболометричних елементів (поглинання широкосмугового випромінювання і високий рівень шумів), обнаружительная здатність цих приладів на порядки менше, ніж обнаружительная здатність напівпровідникових фоточутливих матриць, що працюють на основі внутрішнього фотоефекту, чутливих до випромінювання з певною довжиною хвилі.
Щоб оцінити відмінності між тепловізорами, виготовленими на тих і інших чутливих елементах, оцінимо їх обнаружительную здатність.
Обнаружительная здатність напівпровідникових фоточутливих елементів коливається в межах 109-1015 см • Гц1 / 2Вт-1. Обнаружительная здатність болометрів коливається в межах 107 - 108 см • Гц1 / 2Вт-1. Крім того що само по собі це дуже велика різниця, з порівняння даних величин можна зробити висновок, тепловізор з яким чутливим елементом потрібно використовувати при фіксуванні об'єкта, розташованого на різних відстанях. Болометри застосовуються в ІК-системах спостереження і розпізнавання об'єктів на невеликих відстанях (10-1500 м). Спочатку тепловізори на основі болометрів були розроблені для ІК-прицілів, біноклів, системи ІК-огляду для транспортних засобів, безпілотних малогабаритних систем ІК-спостереження.
Тепловізори на основі напівпровідникових чутливих елементів з високою обнаружительной здатністю забезпечують «видимість» на десятки кілометрів і застосовуються в серйозних комплексах.
Тепловізори на основі теплових фотоприймачів для візуалізації зображення (тепловізори на основі болометрів)
Принцип дії теплових фотоприймачів заснований на реєстрації зміни властивостей матеріалу при зміні його температури внаслідок поглинання оптичного випромінювання. Існують різні типи теплових фотоприймачів, заснованих на різних ефектах. Серед них найбільш поширені:
а) болометри, що використовують зміна опору тонкої металевої, напівпровідникової або сверхпроводящей плівки;
б) термоелектричні детектори типу термопар або термостолбиков, що використовують ефект виникнення термо-ЕРС на контактах двох металів;
в) піроелектричні приймачі, засновані на піроелектричному ефекті в піроелектричних, в тому числі в ферроелектріческіх кристалах поблизу температури Кюрі;
г) оптико-акустичні приймачі (ОАП), звані іноді пневматичними ІК-детекторами або елементами Голі, використовують періодичне розширення і стиснення газу при його нагріванні від модульованого по амплітуді оптичного випромінювання, що поглинається тонкою мембраною.
Суть питання зводиться до наступного. Як уже згадувалося, кожен елемент чутливої матриці мікроболометр складається з тонкого шару, чутливого до змін температури і нанесеного на підкладку для теплової ізоляції. Температурно-чутливий елемент, наприклад, на основі модифікацій оксиду ванадію VOx і два електроди пов'язують температурно-чутливий матеріал і схему зчитування на підкладці. Випромінювана ІК-енергія, що отримується кожним детектором мікроболометр, збільшує температуру детектора. Зміна в температурі наводить зміна в опорі кожного детектора, що реєструється мультиплексує інтегрованої схемою, розміщеної на тій же напівпровідникової підкладці. Важливим фактором досягнення високих технічних характеристик мікроболометричних матриць є вибір термочутливого шару, що має високий температурний коефіцієнт опору (ТКС) і низький рівень надлишкового шуму, а також забезпечує гарне поглинання випромінювання в робочій спектральної області. Чутливість головним чином обмежується теплопровідністю кожного пікселя. Швидкість роботи визначається відношенням теплової ємності і теплового опору. Зниження теплової ємності збільшує не тільки швидкість роботи, але і теплові флуктуації - шуми. Збільшення теплопровідності підвищує швидкість роботи, але знижує чутливість (а для того щоб вона зросла, потрібно підвищувати ТКС і базове опір).
Високим ТКС мають напівпровідникові плівки. Підхід до вирішення деяких проблем VOx-мікроболометрів заснований на застосуванні аморфного (некристаллического) кремнію в якості термочутливого матеріалу. Аморфний кремній характеризується більш високим значенням ТКС, що дає більш високий рівень чутливості. Однак аморфний кремній має більш високу базову опір, тому виникає проблема узгодження високого вихідного імпедансу з вхідним імпедансом зчитують мікросхем. Також напівпровідників притаманні надлишкові струмові шуми. У зв'язку з цим вибір матеріалу чутливого елемента є багатоплановим завданням.
Істотно збільшити коефіцієнт поглинання інфрачервоного випромінювання дозволяють багатошарові, так звані сендвічнимі структури. Сендвічі, побудовані у вигляді оптичних резонаторів, поглинають 80% випромінювання на довжині хвилі 8 мкм. Може бути досягнуто поглинання площинних структур 50-80% в смузі 8,5-10 мкм.
Зображення, що візуалізується за допомогою тепловізорів на основі болометрів, має такий же вигляд, як і зображення, що отримується за допомогою тепловізорів, заснованих на напівпровідникових матрицях.
Тепловізори на основі внутрішнього фотоефффекта для візуалізації зображення
При проходженні електромагнітного випромінювання (в тому числі оптичного) через напівпровідники в них генеруються вільні електрони. При внутрішньому фотоефекті для власного поглинання енергія фотона повинна бути не менше ширини так званої забороненої зони напівпровідника (Eg), т. Е. Для власного поглинання фотонів з утворенням електронно-доручених пар повинна виконуватися умова: h # 61550; # 61642; Eg, де h # 61550; - енергія фотона
# 61550; # 61472; - частота випромінювання (# 955; = с / # 957;)
h - постійна планка.
Довгохвильовий кордон фотопровідності визначається співвідношенням:
# 955; = Hc / Eg = 1,24 / Eg (еВ)
Це максимальна довжина хвилі випромінювання, яке буде поглинена полупроводником з даної шириною забороненої зони з утворенням електронно-доручених пар.
джерела:
С. Зі. Фізика напівпровідникових приладів. М. Світ, 1984.
Середня оцінка цієї статті: 5 (голосів: 2)
Ваша оцінка: