Termografia i spektrometria w podczerwieni. Отсутствует
wartości temperatury, równanie (1.55). Dla detektorów pracujących w temperaturze pokojowej bez stabilizacji, zmiany termiczne pasma absorpcji detektora mogą znacznie pogorszyć właściwości metrologiczne systemów pomiarowych. Oczywiście zawsze można kompensować układowo lub programowo wpływ temperatury sensora na sygnał wyjściowy. Dla 0,3 < x < 0,4, czyli dla zakresu MWIR, problem ten nie występuje, co w praktyce oznacza stabilną pracę systemu termowizyjnego i mniejszy wpływ chłodziarki na parametry detektora i kamery.
W literaturze rozważany jest problem starzenia się detektorów fotonowych [1.18]. Producenci zastrzegają, że technologia półprzewodników zrobiła w ostatnim okresie tak duże postępy, że problem degradacji chemicznej półprzewodników jest do pominięcia w czasie „życia” kamery termowizyjnej. Wynika to z warstw ochronnych naniesionych na detektor, które chronią go przed degradacją. Należy jednak zwrócić uwagę, że detektor MCT jest mieszaniną (stopem) dwóch związków i jako taki jest mniej stabilny chemicznie w porównaniu z czystym związkiem chemicznym. Ponadto należy zauważyć, że chłodzony detektor fotonowy, w czasie eksploatacji kamery podlega dużym i gwałtownym zmianom wartości temperatury. Pracuje w temperaturze 77 K, a po wyłączeniu kamery jest przechowywany w temperaturze ok. 300 K. Powyżej wartości temperatury detektora 800 K następuje szybka degradacja chemiczna struktury [1.18].
Zaletą detektorów MCT jest ich duża prędkość działania. Wynika to z dużej ruchliwości elektronów i krótkiego czasu życia optycznie i termicznie wzbudzonych nośników, który wynosi ok. τ = 1 μs [1.17, 1.24]. W praktyce przekłada się to na działanie kamery termowizyjnej z prędkością generacji ramek rzędu dziesiątek kiloherców. Podobne właściwości, odnośnie do prędkości działania, charakteryzują kamery z detektorami z antymonku indu InSb.
Niewątpliwą zaletą detektorów MCT jest możliwość kształtowania widma absorpcji od zakresu SWIR, poprzez MWIR, aż do pasma LWIR. Dzięki temu można konstruować detektory wielobarwowe, w szczególności dwubarwowe. Schemat przykładowego detektora dwubarwowego MCT przedstawiono na rys. 1.49 [1.17].
Rys. 1.49. Przykładowa struktura detektora dwubarwowego MCT i jego charakterystyki absorpcji [1.17, 1.24]
Detektory QWIP
Obecnie są również oferowane chłodzone kamery fotonowe z detektorami QWIP (ang. Quantum Well Infrared Photodetector). Zasada działania detektorów QWIP wynika wprost z fizyki kwantowej półprzewodnikowych struktur wielowarstwowych. W wyniku nałożenia na siebie naprzemiennie wielu warstw półprzewodników o innej szerokości przerwy energetycznej, powstają studnie kwantowe (ang. Quantum Well). W studniach kwantowych o wymiarach nanometrycznych powstają poziomy energetyczne, dla których różnica energii odpowiada promieniowaniu podczerwonemu w zakresie MWIR i LWIR [1.23, 1.24, 1.33]. Rozkład poziomów energetycznych zależy od szerokości warstwy o węższej przerwie Lw – rys. 1.50. Detektory QWIP są stosowane do budowy zarówno jednobarwowych, jak i wielobarwowych matryc dla zakresu podczerwieni. Przykład dwubarwowego sensora promieniowania podczerwonego przedstawiono na rys. 1.50 [1.33].
Rys. 1.50. Przykładowa struktura detektora dwubarwowego QWIP [1.33]
Detektory QWIP wymagają chłodzenia, czasem nawet poniżej 77 K. Niestety, charakteryzują się mniejszą wydajnością kwantową i mniejszym wzmocnieniem optycznym w porównaniu z detektorami wykonanymi z InSb i MCT. Wymagają rozproszonego promieniowania padającego na sensor. Jest to przyczyną mniejszej czułości, a to z kolei wymusza silniejsze chłodzenie i konieczność wydłużenia czasu integracji. W konsekwencji wydłużenia czasu integracji, detektory QWIP nie są elementami o dużej szybkości działania [1.23, 1.24, 1.33].
Detektory InGaAs
Ciekawym materiałem, z którego wykonuje się detektory i buduje kamery dla zakresu NIR i SWIR jest arsenek galowo-indowy, In1–xGaxAs (InGaAs). Podobnie jak MCT, InGaAs jest związkiem złożonym, składającym się z dwóch związków chemicznych (GaAs)x (Eg = 1,43 eV) oraz (InAs)1–x (Eg = 0,35 eV). Poprzez zmianę składu chemicznego można uzyskać detektory pracujące w zakresie 0,85÷3,6 μm [1.10, 1.14, 1.20, 1.31]. Popularny detektor wykonany z In0,53Ga0,47As w temperaturze 295 K charakteryzuje się długością fali odcięcia λg = 1,68 μm. Ruchliwość elektronów w półprzewodniku InGaAs jest bardzo duża (1,05 m2 · V–1 · s–1), co powoduje, że przyrządy półprzewodnikowe wykonane z tego materiału są bardzo szybkie i mają niewielką rezystancję elektryczną. Podobnie jak dla elementów wykonanych z MCT, przerwa energetyczna (w eV) zależy od składu chemicznego x, wg poniższego modelu [1.31]:
Zmianę energii pasma zabronionego w półprzewodniku InGaAs oraz długości fali odcięcia λg, w zależności od składu chemicznego x, przedstawiają rys. 1.51 i 1.52.
Rys. 1.51. Zależność szerokości przerwy energetycznej Eg od składu chemicznego półprzewodnika InGaAs
Rys. 1.52. Zależność długości fali odcięcia charakterystyki absorpcji λg od składu chemicznego półprzewodnika InGaAs
Wpływ temperatury na szerokość przerwy energetycznej i długość fali odcięcia można oszacować z modelu Varshniego – wg równania:
gdzie dla In0,53Ga0,47As, Eg0 = 0,808 eV, α = 4,82 · 10–4 eV/K, β = 430,05 K.
Zmiana długości fali odcięcia λg rośnie wraz z temperaturą, co przedstawia rys. 1.53.
Rys. 1.53. Wpływ temperatury na długofalową granicę widma λg półprzewodnika In0,53Ga0,47As
W półprzewodnikach złożonych stosowanych w detektorach QWIP, a takimi są półprzewodniki Hg1–xCdxTe, In1–xGaxAs oraz AlxGa1-xAs, wpływ temperatury na charakterystyki widmowe absorpcji jest znacznie większy w porównaniu z półprzewodnikami będącymi związkami chemicznymi typu InSb. Efektem tego wpływu są zmiany sygnału detektora, co może objawiać się zmianą obrazu kamery termowizyjnej i w konsekwencji może prowadzić do błędnych pomiarów. Konstrukcja i procedury kalibracyjne kamer z detektorami z półprzewodnikami mieszanymi są bardziej złożone. Problem ten jest szczególnie istotny w systemach pomiarowych, które pracują w temperaturze pokojowej lub do niej zbliżonej.
Kąt pola widzenia detektora i kamery termowizyjnej
Ważnym parametrem kamery termowizyjnej jest kąt pola widzenia – FOV (ang. Field of View), rys. 1.54 [1.33]. Mówi się o kącie pola widzenia kamery i kącie pola widzenia pojedynczego detektora IFOV (ang. Instantaneous Field of View).
Rys. 1.54. Kąt widzenia pojedynczego detektora IFOV
W typowej sytuacji pomiarowej, detektor kamery jest umieszczony bardzo blisko ogniska F. Wówczas IFOV w mierze łukowej (radianach – rad) można przedstawić równaniem: