Làm thế nào để một microbolometer (camera hồng ngoại) hoạt động?

Tôi hiện đang thực hiện một dự án dẫn tôi đến cuộc gặp gỡ đầu tiên với máy ảnh hồng ngoại và do đó tôi khá tò mò về cách chúng hoạt động. Cụ thể, tôi muốn biết những điều sau đây

1. Làm thế nào nhiệt được chuyển đổi thành một tín hiệu điện (hiện tại hoặc điện áp)?
2. Làm thế nào là băng thông quang phổ của một camera hồng ngoại được xác định rõ như vậy?
3. Tại sao máy ảnh IR đắt hơn nhiều so với máy quay video màu? (Máy ảnh màu có bộ triệt IR, phải không?)
4. Máy ảnh hồng ngoại 'thông thường' khác với máy ảnh phóng xạ như thế nào?
5. Sự khác biệt giữa các camera IR có thể phát hiện nhiệt độ lên tới 1000 ° C, so với camera IR có thể phát hiện nhiệt độ lên tới 400 ° C là gì?

Có rất nhiều câu hỏi trong câu hỏi của bạn, và có lẽ nên chia thành nhiều câu hỏi khác nhau. Tôi không muốn đợi cho đến khi điều đó xảy ra mặc dù vậy tôi sẽ giải quyết những câu hỏi mà tôi biết câu trả lời.

1. Làm thế nào nhiệt được chuyển đổi thành một tín hiệu điện (hiện tại hoặc điện áp)?

Một microbolometer chỉ là một trường hợp đặc biệt của một thước đo có chứa vật liệu có điện trở rất nhạy cảm với nhiệt độ của nó. Sự thay đổi điện trở gây ra bởi sự gia nhiệt từ bức xạ điện từ trường (EM) được đọc bởi một mạch tương tự như những gì bạn sẽ tìm thấy trong một vôn kế. Các thiết bị này có thể được thiết kế để nhạy cảm với lượng điện năng cực kỳ thấp và nhìn chung cũng có dải động cao. Những cái tôi đã sử dụng trong ngành công nghiệp laser rất nhạy cảm từ 10 mW đến 100 W, dải động 10 ⁴ .

2. Làm thế nào là băng thông quang phổ của một máy ảnh được xác định tốt như vậy?

Bolometer được biết đến là có băng thông quang phổ cực kỳ rộng. Do thiết bị thực sự đo nhiệt được lắng đọng bởi bức xạ EM, băng thông của chính vật liệu phát hiện (thường là silic vô định hình hoặc oxit vanadi ) được xác định bởi các bước sóng mà nó hấp thụ. Do đó, băng thông của các máy dò microbolometer phải được xác định bằng quang học bên ngoài loại bỏ hoặc hấp thụ các bước sóng khác. Tôi đoán là họ sẽ sử dụng bộ lọc băng thông IR hấp thụ ở phía trước bề mặt máy dò.

3. Tại sao máy ảnh IR đắt hơn nhiều so với máy quay video màu? (Máy ảnh màu có bộ triệt IR, phải không?)

Tôi không biết chính xác, nhưng khả năng sản xuất những điều en masse chỉ trở thành có thể trong vài năm trở lại đây trong khi thiết bị tích điện kép (CCD) dò đã được trong sản xuất hàng loạt từ năm 1980. Bạn đã đúng rằng các máy dò CCD kết hợp bộ lọc hồng ngoại, nhưng các vật liệu bên dưới chỉ nhạy xuống ~ 1-2 μm nên chúng không hoạt động trong IR sâu như microbolometer.

5. Sự khác biệt giữa các camera IR có thể phát hiện nhiệt độ lên tới 1000 ° C, so với camera IR có thể phát hiện nhiệt độ lên tới 400 ° C là gì?

Tất cả các cơ thể ấm áp phát ra bức xạ trên toàn dải phổ EM. Hàm lượng phổ của bức xạ phát ra ở bước sóng nhất định được đưa ra gần như bằng đường cong đen của Plank (hiển thị bên dưới). Một trong những đặc điểm chính của đường cong này là đỉnh của bức xạ phát ra sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn với nhiệt độ thấp hơn. Đỉnh của bức xạ phát ra được đưa ra theo định luật của là trong đó là hằng số của ( ) và nhiệt độ bằng đơn vị Kelvin. Từ đó, bạn có thể tính được rằng các bước sóng cực đại của nhiệt độ bạn yêu cầu là:

$$\lambda_{max}=\frac{b}{T}$$ $b$$b=2.8977721\cdot10^{3}\:\mathrm{m*K}$$T$$\lambda_{1000}=2.3\ \mu \text{m}$và . Vì vậy, các máy dò được thiết kế nhạy cảm với các nhiệt độ khác nhau đó chỉ đơn giản được điều chỉnh (có thể bằng cách điều chỉnh bộ lọc thông dải ở phía trước) để nhạy hơn ở các bước sóng cực đại khác nhau. $\lambda_{400}=4.3\ \mu\text{m}$