Die Infrarottechnologie hält Einzug in eine immer breitere Palette innovativer Verbraucheranwendungen. Die Technologie wurde erstmals im frühen 19. Jahrhundert entdeckt. Es dauerte jedoch eine ganze Weile, bis sie tatsächlich genutzt und in marktfähige Produkte integriert werden konnte. Heute wird die leistungsstarke Infrarottechnologie auf vielfältige und neuartige Weise eingesetzt, um beispielsweise fortschrittliche Systeme für autonome Fahrzeuge und intelligente Gebäude zu verbessern.
Infrarot kann in bestehende Systeme integriert werden, um neue technische Möglichkeiten zu schaffen. Und da die Produktionsmengen steigen, werden die Kosten weiter sinken, so dass die Technologie für ein noch breiteres Spektrum von Anwendungen zugänglich wird.
Hier sind fünf Dinge, die Sie über die Infrarottechnologie wissen müssen. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie diese fortschrittliche Technologie einen Mehrwert für eine Reihe von Branchen bringt.
- Das elektromagnetische Spektrum und die verschiedenen Wellenlängen
Wie funktioniert das elektromagnetische Spektrum?
Strahlung wird durch ihre Frequenz und Wellenlänge charakterisiert. Und nicht jede Strahlung ist für das menschliche Auge sichtbar. Infrarotstrahlung hat längere Wellenlängen als Strahlung im sichtbaren Spektrum und kürzere Wellenlängen als Mikrowellen- oder Terahertzstrahlung.
Es gibt mehrere Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum, und jede hat einzigartige Eigenschaften.
NIR (Nahinfrarot): Dies sind die kürzeren Wellenlängen im Infrarotspektrum und die dem sichtbaren Spektrum am nächsten liegenden zwischen 0,78 µm und 2,5 µm. Das der NIR-Spektroskopie zugrunde liegende Prinzip ist beispielsweise die Molekularschwingung, die durch die Anregung der Moleküle durch die Infrarotquelle verursacht wird. Die Moleküle absorbieren Infrarotwellen, wodurch sich der Schwingungsgrad der Elektronen ändert. Dadurch entsteht ein messbares Signal.
SWIR (Kurzwellen-Infrarot): Das Spektrum von 1 µm bis 2,7 µm.Detektoren auf Siliziumbasis sind auf etwa 1,0 µm begrenzt. Aus diesem Grund erfordert die SWIR-Bildgebung optische und elektronische Komponenten, die im Bereich von 0,9 µm bis 1,7 µm arbeiten können, was bei ungekühlten InGaAs-Detektoren nicht der Fall ist.
MWIR (Mittelwellen-Infrarot): Das Spektrum von 3 µm bis 5 µm. Die Wärmebildtechnik beginnt in diesem Teil des Spektrums, wo sich die in der zu beobachtenden Szene vorhandenen Temperaturgradienten zu bilden beginnen. MWIR-Detektion erfordert kryogenisch gekühlte Technologien wie HgCdTe (MCT oder MerCad), ein II-VI-Halbleitermaterial.
LWIR (langwelliges Infrarot): Das Spektrum von 7 µm bis 14 µm.Ein Detektor fängt die Wärme ein, die von Objekten in der beobachteten Szene abgegeben wird. Im Gegensatz zu Detektoren für sichtbares Licht, die das von Objekten reflektierte Licht erfassen, benötigen LWIR-Detektoren keine Lichtquelle. Diese Detektoren können sowohl bei Tag als auch bei Nacht identische Bilder erzeugen. Das Bild ist unabhängig vom Umgebungslicht dasselbe.
- Die beiden Haupttechnologien
Es gibt derzeit zwei Haupttypen von Detektoren:
– Gekühlt: Diese Detektoren werden mit Hilfe eines kryogenen Kühlsystems auf einer extrem niedrigen Temperatur gehalten. Dieses System senkt die Temperatur des Sensors auf kryogene Temperaturen und reduziert das hitzebedingte Rauschen auf ein Niveau, das unter dem des vom Motiv ausgehenden Signals liegt.
Die Hauptvorteile dieses Detektortyps sind die unglaublich hohe Auflösung und Empfindlichkeit sowie die daraus resultierende hohe Bildqualität. Gekühlte Detektoren sind jedoch sperriger und teurer als ungekühlte Detektoren. Dadurch sind sie für bestimmte Anwendungen, bei denen der Formfaktor wichtiger ist als die Bildqualität, weniger geeignet.
– Ungekühlte Detektoren oder Mikrobolometer: Diese Detektoren benötigen kein Kühlsystem. Bei der Mikrobolometertechnologie lösen Temperaturunterschiede in einer Szene Änderungen der Temperatur des Mikrobolometers aus. Systeme mit ungekühlten Detektoren sind kostengünstiger und erfordern weniger Wartung als Systeme mit gekühlten Detektoren.
- NETD, der Schlüsselindikator für die Detektorempfindlichkeit
NETD (rauschäquivalente Temperaturdifferenz) misst die thermische Empfindlichkeit einer Kamera. Es handelt sich um die kleinste Temperaturdifferenz, die eine Kamera erkennen kann. Er wird in MilliKelvin (mK) oder in Grad Celsius (° C) angegeben. Je niedriger der NETD-Wert ist, desto besser kann die Kamera thermische Kontraste erkennen. Daher kann NETD analog zum Kontrast bei Detektoren für sichtbares Licht betrachtet werden.
Bei Infrarotdetektoren kann NETD zwischen 25 mK und 100 mK bei ungekühlten Mikrobolometern liegen. Bei gekühlten Detektoren liegt sie bei etwa 10 mK.
NETD ist besonders wichtig für Szenen mit geringem thermischen Kontrast (Szenen, in denen alle Objekte so ziemlich die gleiche Temperatur haben, wie z. B. Landschaften).
- Auflösung und Sichtfeld (FOV)
Das Sichtfeld (FOV) gibt an, wie groß der Winkel ist, den eine Kamera erfassen kann. FOV muss zusammen mit der Bildauflösung (Anzahl der Pixel) betrachtet werden.
Die Auflösung gibt an, wie scharf das Bild ist, während das Sichtfeld angibt, wie groß es ist. Je höher die Auflösung (mit anderen Worten: je mehr Pixel), desto schärfer das Bild. Um die Anzahl der Pixel zu erhöhen, müssen Sie jedoch das Sichtfeld verringern.
- Analog oder digital
Wie der Name schon sagt, ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) ein System, das ein analoges Signal in ein digitales (binäres) Signal umwandelt. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) wandelt ein digitales Signal in ein analoges Signal um. Bei volldigitalen Modellen ist der ADC in den Sensor integriert. Er wandelt das analoge Videosignal in ein digitales Signal um, das per Software verarbeitet werden kann, um die gewünschten Informationen aus der Szene zu extrahieren. Volldigitale Modelle können auch einen polarisationsumschaltenden DAC für das Sensorelement enthalten. In diesem Fall müssen Detektorintegratoren keine Leistungskomponenten für die Detektoren mehr entwickeln, was deren Implementierung erheblich erleichtert.