Jak działa mikrobolometr (kamera IR)?

Obecnie realizuję projekt, który doprowadził mnie do pierwszego spotkania z kamerami na podczerwień, dlatego jestem bardzo ciekawy, jak działają. W szczególności chciałbym wiedzieć, co następuje

1. Jak konwertowane jest ciepło na sygnał elektryczny (prąd lub napięcie)?
2. Jak dobrze zdefiniowane jest spektralne pasmo kamery IR?
3. Dlaczego kamery IR są o wiele droższe niż kolorowe kamery wideo? (Kolorowe kamery mają tłumiki podczerwieni, prawda?)
4. Czym różnią się „zwykłe” kamery IR od kamer radiometrycznych?
5. Jaka jest różnica między kamerami IR, które mogą wykrywać temperatury do, powiedzmy 1000 ° C, w porównaniu do kamer IR, które mogą wykrywać temperatury do 400 ° C?

W twoim pytaniu jest wiele pytań i prawdopodobnie należy je podzielić na wiele różnych pytań. Nie chcę jednak czekać, aż to się stanie, więc zajmę się tymi, na które znam odpowiedzi.

1. Jak konwertowane jest ciepło na sygnał elektryczny (prąd lub napięcie)?

Mikrobolometr jest specjalnym przypadkiem bolometr który zawiera materiał, którego rezystancja jest bardzo wrażliwy na jego temperatury. Zmiana rezystancji spowodowana nagrzewaniem od padającego promieniowania elektromagnetycznego (EM) jest odczytywana przez obwód podobny do tego, który znajduje się w woltomierzu. Urządzenia te można zaprojektować tak, aby były wrażliwe na niewiarygodnie małe ilości energii i generalnie mają również duży zakres dynamiki. Te, których użyłem w przemyśle laserowym, są czułe od 10 mW do 100 W, zakres dynamiczny wynosi 10 ⁴ .

2. Jak dobrze zdefiniowane jest spektralne pasmo kamery?

Bolometry są znane z niewiarygodnie szerokich pasm widmowych. Ponieważ urządzenie faktycznie mierzy ciepło osadzone przez promieniowanie elektromagnetyczne, szerokość pasma samego materiału wykrywającego (zwykle albo amorficznego krzemu albo tlenku wanadu ) jest określona przez długości fal, przy których się on absorbuje. W związku z tym szerokość pasma detektorów mikrobolometrycznych musi być określona za pomocą optyki zewnętrznej, która odrzuca lub absorbuje inne długości fal. Domyślam się, że używają pochłaniającego filtra pasmowego IR przed powierzchnią detektora.

3. Dlaczego kamery IR są o wiele droższe niż kolorowe kamery wideo? (Kolorowe kamery mają tłumiki podczerwieni, prawda?)

Nie wiem dokładnie, ale możliwość masowej produkcji tych rzeczy stała się możliwa dopiero w ciągu ostatnich kilku lat, kiedy detektory urządzeń sprzężonych ładunkiem (CCD) są produkowane masowo od lat osiemdziesiątych. Masz rację, że detektory CCD zawierają filtr podczerwieni, ale materiały leżące poniżej są wrażliwe tylko do ~ 1-2 μm, więc nie działają w głębokiej podczerwieni, jak robią to mikrobolometry.

5. Jaka jest różnica między kamerami IR, które mogą wykrywać temperatury do, powiedzmy 1000 ° C, w porównaniu do kamer IR, które mogą wykrywać temperatury do 400 ° C?

Wszystkie ciepłe ciała emitują promieniowanie w pełnym zakresie widma EM. Widmowa zawartość promieniowania emitowanego przy danej długości fali podana jest prawie za pomocą krzywej ciała czarnego Planka (pokazanej poniżej). Jedną z kluczowych cech tej krzywej jest to, że szczyt emitowanego promieniowania przesuwa się w kierunku dłuższych fal o niższych temperaturach. Szczyt emitowanego promieniowania wynika z prawa które wynosi gdzie jest stałą ( ), a temperatura jest w jednostkach Kelvina. Na tej podstawie możesz obliczyć, że szczytowe długości fal temperatur, o które pytasz, to:

$$\lambda_{max}=\frac{b}{T}$$ $b$$b=2.8977721\cdot10^{3}\:\mathrm{m*K}$$T$$\lambda_{1000}=2.3\ \mu \text{m}$i . Tak więc detektory zaprojektowane tak, aby były wrażliwe na te różne temperatury, są po prostu dostrojone (prawdopodobnie przez dostrojenie filtra pasmowego z przodu), aby były bardziej czułe przy różnych długościach fal szczytowych. $\lambda_{400}=4.3\ \mu\text{m}$