Принципы, применение и руководство по выбору инфракрасных детекторов

1. Основной принцип инфракрасного обнаружения

Основной принцип инфракрасного детектора заключается в преобразовании входящего ИК-излучения в измеримый электрический сигнал. Этот процесс основан на фотоэлектрическом и тепловом эффектах.

A. Фотонные (квантовые) детекторы:
Это наиболее распространенные высокопроизводительные детекторы. Они работают по принципу, согласно которому падающие ИК-фотоны могут непосредственно возбуждать электроны внутри полупроводникового материала из валентной зоны в зону проводимости, тем самым изменяя его электрические свойства (например, проводимость или генерируя напряжение).

• Ключевой механизм:Фотоны с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны материала, поглощаются, создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к фототоку или изменению сопротивления, которое можно измерить.

• Характеристики:

  • Высокая чувствительность и обнаружительная способность:Они реагируют непосредственно на фотоны, что делает их очень быстрыми и чувствительными.

  • Специфическая реакция на длину волны:Их граничная длина волны (λc) определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала (например, арсенид индия-галлия - InGaAs для коротковолнового ИК, теллурид ртути-кадмия - MCT для средневолнового ИК).

  • Обычно требуется охлаждение:Чтобы уменьшить количество термически генерируемых носителей (темновой ток), которые подавляли бы слабый фотонный сигнал, их часто необходимо охлаждать до криогенных температур (например, 77 К).

B. Тепловые детекторы:
Эти детекторы работают, поглощая ИК-излучение, что вызывает изменение зависящего от температуры свойства материала.

• Ключевой механизм:Падающее ИК-излучение нагревает элемент детектора, что приводит к измеримому изменению. Общие типы включают:

  • Микроболометры:Изменение температуры изменяет электрическое сопротивление материала из оксида ванадия (VOx) или аморфного кремния (a-Si).

  • Пироэлектрические детекторы:Изменение температуры вызывает изменение поверхностного заряда в сегнетоэлектрическом кристалле (например, танталат лития).

• Характеристики:

  • Широкополосная спектральная характеристика:Они поглощают тепло в широком диапазоне ИК-волн без резкого обрезания.

  • Более низкая чувствительность и скорость:Обычно медленнее и менее чувствительны, чем фотонные детекторы, потому что тепловой процесс нагрева и охлаждения занимает время.

  • Обычно неохлаждаемые: они работают при комнатной температуре или вблизи нее, что делает их более компактными, прочными и энергоэффективными.

Выбор подходящего ИК-детектора предполагает тщательный компромисс между производительностью, эксплуатационными ограничениями и бюджетом. Задайте себе следующие ключевые вопросы:

1. Каково основное применение?

• Для высокопроизводительной съемки на большие расстояния (военные, астрономия): A охлаждаемый MWIR детектор (например, MCT или InSb) обычно является лучшим выбором из-за его превосходной чувствительности и разрешения.

• Для тепловизионной съемки общего назначения (техническое обслуживание, безопасность, пожаротушение): A неохлаждаемый микроболометр работающий в LWIR идеален. Он предлагает хороший баланс производительности, стоимости и портативности.

• Для обнаружения газа или химического анализа:Требуется детектор, соответствующий конкретной длине волны поглощения целевого газа (например, охлаждаемый MCT или InSb для многих промышленных газов или специализированный InGaAs для приложений SWIR, таких как обнаружение метана).

2. Какой критический параметр производительности?

• Чувствительность (NETD): Если вам нужно увидеть малейшие различия температур, необходим охлаждаемый детектор.

• Скорость (частота кадров): Для съемки очень быстрых событий необходим быстрый фотонный детектор.

• Спектральный диапазон: MWIR часто лучше для горячих целей и съемки сквозь дымку. LWIR идеально подходит для наблюдения за объектами комнатной температуры с высокой контрастностью и меньше подвержен атмосферному рассеянию.

3. Какие эксплуатационные ограничения?

• Размер, вес и мощность (SWaP): Для портативных, работающих от батарей или установленных на дронах систем низкий SWaP неохлаждаемых детекторов является решающим преимуществом.

• Стоимость: Неохлаждаемые системы имеют значительно более низкую общую стоимость владения (цена за единицу, обслуживание, электроэнергия).

• Долговечность и надежность: Неохлаждаемые детекторы, не имеющие движущихся частей (в отличие от механических охладителей), обычно обеспечивают более высокую надежность и более длительный срок службы.

4. Какой бюджет?
Всегда учитывайте общую стоимость системы, включая детектор, оптику, систему охлаждения (если применимо) и электронику обработки. Неохлаждаемые системы обеспечивают наиболее экономичное решение для подавляющего большинства коммерческих приложений.