Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 12. ledna, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2018

Bezdotykové měření teplotních polí – senzory

Jan Sova, Jana Pokorná

Měřením teplotních polí a termokamerami jsme se zabývali již v AB 18/2017 a AB 19/2017. V dnešním volném pokačování se zaměříme na senzory infračerveného záření. Část elektromagnetického spektra, která pokrývá oblast infračerveného záření, rozdělujeme na několik dalších částí. Z hlediska termografie a bezdotykového měření teplotních polí jsou nejzajímavější tyto tři: SWIR, MWIR a LWIR. Zkratky jsou vysvětleny v následujícím rámečku a v tabulce za ním.

zkratka	oblast	rozsah vlnových délek (μm)
NIR	blízká	0,78–1
SWIR	krátká	1–3
MWIR	střední	3–6
LWIR	dlouhá	6–15
VLWIR	velmi dlouhá	15–30
FIR	vzdálená	30–100

Rozdělení infračervené části spektra [1]

Senzory v infračerveném oboru

V závislosti na snímané části elektromagnetického spektra musí být uzpůsoben také senzor termokamery. Detektory jsou součástí použitelných senzorových systémů. Senzorové systémy zahrnují optiku, detektory a elektroniku pro vytvoření obrazu. Senzor je tedy komplexnější pojem než detektor [1]. Detektor infračerveného záření převádí dopadající infračervené záření na elektrický signál, který je další elektronikou převeden ve výsledný termogram, který je prezentován uživateli termokamery jako výsledek měření. Základní dělení detektorů z hlediska principu funkce je na dva typy, tj. na tzv. tepelné detektory a fotonové detektory. Z hlediska spektrálního pásma, v němž je detektor schopen zaznamenávat infračervené záření pak detektory samozřejmě dělíme na SWIR detektory, NIR detektory atd.

Detektory pro pásmo SWIR

SWIR neboli krátkovlnné infračervené detektory nabízejí jedinečné zobrazovací možnosti. Detektory SWIR jsou vždy fotonové detektory. Na rozdíl od zobrazování LWIR nebo MWIR, zobrazování SWIR používá nejčastěji odražené záření. V tomto ohledu je tedy princip podobný klasickým fotoaparátům, které také zaznamenávají odražené záření (v jejich případě denní světlo). Obrazy zachycené s použitím SWIR senzoru mají ale menší rozlišení, neboť ke konstrukci SWIR senzorů nelze použít klasické křemíkové technologie [2]. V závislosti na složení materiálu (chemická struktura) jsou tyto senzory citlivé v různých vlnových délkách a mohou vyžadovat silné chlazení k dosažení správného poměru signál/šum. Dle typu použitého detektoru lze vyrobit velmi odlišné přístroje, příklad viz [8].

Detektory pro pásmo MWIR

MWIR detekce probíhá přes chlazený fotodetektor, podobně jako u detektorů SWIR. Pro detekci ve vlnových délkách MWIR (3 až 6 µm) se používá HgCdTe polovodičový materiál, InSb (antimonid india) nebo T2SL (typ 2 SuperLattice). Typický detektor MWIR musí být chlazen na 77 K [4]. Příklad konstrukce takové termokamery je například v literatuře [9].

Detektory pro pásmo LWIR

LWIR detektory existují v provedení jako nechlazené mikrobolometry (přesněji mikrobolometrická pole) nebo chlazené fotonové detektory. Nechlazený LWIR mikrobolometr je tepelný detektor, který mění svůj elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího infračerveného záření. Příklad termokamery, která využívá tento detektor je v literatuře [10]. V současné době se vzhledem k výrazně nižší cenně použivají pro většinu technických i výzkumných aplikací LWIR termokamery založené na mikrobolometrických detektorech.

Existují i LWIR fotodetektory, které používají polovodiče k přeměně fotonů na elektrony (nebo přesněji: páry elektron-díra). V závislosti na aplikaci je třeba fotodetektory LWIR ochladit na 77 K nebo nižší teplotu. Typicky jsou tyto detektory citlivé na vlnové délky mezi 7 a 12 µm. Příklad konstrukce takové termokamery je v literatuře [11].

Mikrobolometr

Bolometr je zařízení, jež mění svůj elektrický odpor v závislosti na své teplotě. Ta pak ve vhodné konfiguraci závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Množství dopadajícího záření může být tedy určeno ze změn odporu bolometru. Aby však byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, musí být vlastní bolometr tepelně izolován od svého okolí. Mikrobolometr, respektive mikrobolometrické pole, tvoří matice miniaturních bolometrických detektorů, které jsou citlivé na infračervené záření v širokém spektru vlnových délek, především s vlnovou délkou 7 až 14 µm. Pokud infračervená energie dopadne na jediný element, zvýší svou teplotu a změní elektrický odpor celého mikrobolometru. Tato změna odporu je měřena a poté je zpracována na teplotní hodnoty, které lze zobrazit do tzv. termogramu.

Dnešní mikrobolometrická pole jsou obvykle vyrobena na monolitických křemíkových substrátech, stejně tak jako běžné integrované obvody. Snímač detektoru je tvořen dvourozměrným polem můstkových struktur pokrytých teplotně citlivým odporovým materiálem, který absorbuje infračervené záření. Kromě vlastního snímače obsahují čipy ještě čtecí elektroniku a další pomocné obvody. Celý čip je umístěn ve vakuovaném pouzdře. Můstková struktura zajišťuje dobrou tepelnou izolaci mezi vlastním mikrobolometrem a křemíkovým substrátem. Jestliže je na substrátu pod jednotlivými mikrobolometry nanesena reflexní vrstva, zlepší se vlastnosti snímače. Tohoto faktu dnešní mikrobolometry využívají. Reflexní vrstva slouží k odrazu záření, které mikrobolometrem nebylo absorbováno, zpět do mikrobolometru, čímž se zvyšuje účinnost celého snímače. Dalším důsledkem reflexní vrstvy je potlačení vlivu teploty substrátu, protože jím emitované infračervené záření odráží zpět [5]. Struktura mikrobolometru je obvykle vyrobena z amorfního křemíku (a-Si) nebo oxidu vanadičného (Vox).

Mikrobolometr a mikrobolometrické pole. Vlevo je schema mikrobolometru, vpravo je snímek z elektronového mikroskopu, který zachycuje rozmístění bolometrů do mikrobolometrického pole [2].

Kvantový detektor

Na rozdíl od tepelných detektorů, kvantové detektory (fotodiody a fotoodpory) nefungují na principu přeměny záření na teplo, ale poskytují po dopadu infračerveného záření přímo elektrický signál (změnu napětí či elektrické vodivosti). Pracují na principu vnitřního fotoelektrického jevuFotoelektrický jev (vnitřní) – uvolňování elektronů uvnitř polovodiče dopadajícím zářením. Elektrony jsou dodanou energií excitovány z valenčního do vodivostního pásu, čímž dojde ke zvýšení vodivosti materiálu. V hradlových fotočláncích dopadá záření na rozhraní polovodičů typu N a P a vyvolává přímo elektromotorické napětí. Na základě vnitřního fotoefektu jsou konstruovány fotometry, expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládací mechanizmy, CCD čipy, kopírky, fotočlánky, fotonásobiče a mnohá další zařízení.. Když jsou fotony v určitém rozsahu vlnových délek absorbovány detektorem, vytvářejí volné páry elektronů, které lze detekovat jako elektrický proud. Signální výstup kvantového detektoru by za pokojové teploty byl velmi malý, protože by byl zastíněn vlastním šumem detektoru. Tento vlastní šum je v polovodiči do značné míry úměrný teplotě, a tak kvantové detektory pracují při kryogenních teplotách (až do 77 K v tekutém dusíku nebo do 4 K v kapalném héliu), aby se minimalizoval šum. Tento požadavek na chlazení představuje významnou nevýhodu při použití kvantových detektorů. Nicméně, jejich vynikající elektronické vlastnosti stále činí tento typ detektoru citlivějším a přesnějším. Některé systémy mohou detekovat teplotní rozdíly menší než 0,01 ° C.

Fotonásobící trubice

Ve srovnání s jinými typy fotodetektorů poskytují fotonásobičeFotonásobič – často označováno jako PMT (PhotoMultiplier Tube), vakuová fotocitlivá součástka využívající zesilovacího efektu prostřednictvím sekundární emise na systému elektrod. Prvotní proud, iniciovaný dopadem světla na světlocitlivou vrstvu, fotokatodu, je tak mnohonásobně zesílen. Napětí mezi elektrodami je několik set voltů a je nastaveno tak, aby koeficient sekundární emise při dopadu elektronu na její povrch byl kladný. Fotonásobiče pracují v impulzním režimu. vynikající výkonnostní charakteristiky, které jsou důsledkem použití nízkošumového elektronového násobiče. Aby mohlo být dosaženo ještě vyšší citlivosti, musí být dále zlepšena kvantová účinnost fotoelektronové emisní plochy (fotokatody).

Kvantová účinnost různých fotokatod v závislosti na vlnových délkách. Kvantová účinnost (zkráceně „QE“) vyjadřuje počet fotonů emitovaných z fotokatody vydělený počtem excitačních fotonů. Obvykle se vyjadřuje v procentech [6].

Spektrální rozsah

Spektrální rozsah je rozmezí vlnových délek, v jehož rámci je termokamera (a tedy i její senzor) citlivá. Tepelné detektory jsou širokopásmové a fotonové detektory jsou obvykle úzkopásmové a pásmo citlivosti je odlišné v závislosti na jejich typu. Obvykle bývá v úzkém rozsahu vlnových délek.

Spektrální odpověď InGaAs fotodiody (typický příklad). Obrázek názorně zobrazuje spektrální odezvu na různé typy fotodiod InGaAs. Výhodou InGaAs dlouhovlnné fotodiody je široký rozsah spektrální odezvy (0,5 až 1,7 μm) [8].

Pokračování příště

Odkazy