Principi dei Rilevatori a Infrarossi, Applicazioni e Guida alla Selezione

1. Il Principio Fondamentale della Rilevazione a Infrarossi

Il principio fondamentale di un rivelatore a infrarossi è convertire la radiazione IR in entrata in un segnale elettrico misurabile. Questo processo si basa sull'effetto fotoelettrico e sugli effetti termici.

A. Rivelatori a Fotoni (Quantistici):
Questi sono i rivelatori ad alte prestazioni più comuni. Funzionano sul principio che i fotoni IR incidenti possono eccitare direttamente gli elettroni all'interno di un materiale semiconduttore dalla banda di valenza alla banda di conduzione, modificando così le sue proprietà elettriche (ad esempio, la conduttività o la generazione di una tensione).

• Meccanismo Chiave: Un fotone con energia maggiore dell'energia del bandgap del materiale viene assorbito, creando una coppia elettrone-lacuna. Questo porta a una fotocorrente o a una variazione di resistenza che può essere misurata.

• Caratteristiche:

  • Alta Sensibilità e Rilevabilità: Rispondono direttamente ai fotoni, rendendoli molto veloci e sensibili.

  • Risposta specifica per lunghezza d'onda: La loro lunghezza d'onda di taglio (λc) è determinata dal bandgap del materiale semiconduttore (ad esempio, Indio Gallio Arsenide - InGaAs per l'IR a onde corte, Tellururo di Cadmio Mercurio - MCT per l'IR a onde medie).

  • Richiedono tipicamente il raffreddamento: Per ridurre i portatori generati termicamente (corrente oscura) che sommergerebbero il debole segnale fotonico, spesso devono essere raffreddati a temperature criogeniche (ad esempio, 77 K).

B. Rivelatori Termici:
Questi rivelatori funzionano assorbendo la radiazione IR, che provoca una variazione di una proprietà del materiale dipendente dalla temperatura.

• Meccanismo Chiave: La radiazione IR incidente riscalda l'elemento del rivelatore, portando a una variazione misurabile. I tipi comuni includono:

  • Microbolometri: Una variazione di temperatura altera la resistenza elettrica di un materiale di ossido di vanadio (VOx) o silicio amorfo (a-Si).

  • Rivelatori piroelettrici: Una variazione di temperatura induce una variazione della carica superficiale in un cristallo ferroelettrico (ad esempio, Tantalato di Litio).

• Caratteristiche:

  • Risposta spettrale a banda larga: Assorbono il calore su un'ampia gamma di lunghezze d'onda IR senza un taglio netto.

  • Sensibilità e velocità inferiori: Generalmente più lenti e meno sensibili dei rivelatori a fotoni perché il processo termico di riscaldamento e raffreddamento richiede tempo.

  • Tipicamente non raffreddati: funzionano a temperatura ambiente o vicino ad essa, rendendoli più compatti, robusti ed efficienti dal punto di vista energetico.

La selezione del rivelatore IR appropriato comporta un attento compromesso tra prestazioni, vincoli operativi e budget. Poni queste domande chiave:

1. Qual è l'applicazione principale?

• Per imaging ad alte prestazioni e a lungo raggio (militare, astronomia): A rivelatore MWIR raffreddato (ad esempio, MCT o InSb) è in genere la scelta migliore grazie alla sua sensibilità e risoluzione superiori.

• Per imaging termico generico (manutenzione, sicurezza, antincendio): Un microbolometro non raffreddato che opera nell' LWIR è l'ideale. Offre un buon equilibrio tra prestazioni, costi e portabilità.

• Per il rilevamento di gas o l'analisi chimica: È necessario un rivelatore abbinato alla specifica lunghezza d'onda di assorbimento del gas target (ad esempio, MCT o InSb raffreddato per molti gas industriali o InGaAs specializzato per applicazioni SWIR come il rilevamento del metano).

2. Qual è il parametro di prestazione critico?

• Sensibilità (NETD): Se è necessario vedere le più piccole differenze di temperatura possibili, è obbligatorio un rivelatore raffreddato.

• Velocità (frequenza fotogrammi): Per l'imaging di eventi molto veloci, è necessario un rivelatore a fotoni veloce.

• Banda spettrale: MWIR è spesso migliore per obiettivi caldi e imaging attraverso la foschia. LWIR è ideale per vedere oggetti a temperatura ambiente con un contrasto elevato ed è meno influenzato dalla dispersione atmosferica.

3. Quali sono i vincoli operativi?

• Dimensioni, peso e potenza (SWaP): Per sistemi portatili, alimentati a batteria o montati su droni, il basso SWaP dei non raffreddati rivelatori è un vantaggio decisivo.

• Costo: I sistemi non raffreddati hanno un costo totale di proprietà (prezzo unitario, manutenzione, alimentazione) significativamente inferiore.

• Durata e affidabilità: I rivelatori non raffreddati, non avendo parti in movimento (a differenza dei refrigeratori meccanici), offrono generalmente una maggiore affidabilità e una maggiore durata operativa.

4. Qual è il budget?
Considera sempre il costo totale del sistema, inclusi il rivelatore, l'ottica, il sistema di raffreddamento (se applicabile) e l'elettronica di elaborazione. I sistemi non raffreddati forniscono la soluzione più conveniente per la stragrande maggioranza delle applicazioni commerciali.