Infraroodtechnologie vindt zijn weg naar een steeds breder scala van innovatieve consumententoepassingen. De technologie werd voor het eerst ontdekt aan het begin van de 19e eeuw. Het duurde echter geruime tijd voordat deze technologie daadwerkelijk kon worden gebruikt en in verkoopbare producten kon worden geïntegreerd. De krachtige infraroodtechnologie van vandaag wordt op allerlei nieuwe manieren gebruikt en voegt waarde toe aan geavanceerde systemen voor bijvoorbeeld autonome voertuigen en slimme gebouwen.

Infrarood kan in bestaande systemen worden geïntegreerd om nieuwe technische mogelijkheden toe te voegen. En, naarmate de productievolumes toenemen, zullen de kosten blijven dalen, waardoor de technologie nog toegankelijker wordt voor een nog breder scala aan toepassingen.

Hier zijn vijf dingen die u moet weten over infraroodtechnologie. Lees verder om te leren hoe deze geavanceerde technologie een toegevoegde waarde heeft voor een reeks industrieën.

1. Het elektromagnetische spectrum en de verschillende golflengten

Hoe werkt het elektromagnetische spectrum?

Straling wordt gekenmerkt door de frequentie en de golflengte ervan. En niet alle straling is zichtbaar voor het menselijk oog. Infrarode straling heeft langere golflengten dan straling in het zichtbare spectrum en kortere golflengten dan microgolf- of terahertzstraling.

Er zijn verschillende golflengten in het elektromagnetische spectrum, en elke golflengte heeft unieke kenmerken.

NIR (nabij infrarood): dit zijn de kortere golflengten in het infraroodspectrum, en de golflengten die het dichtst bij het zichtbare spectrum liggen, tussen 0,78 µm en 2,5 µm. Het onderliggende principe van NIR-spectroscopie is bijvoorbeeld moleculaire vibratie die wordt veroorzaakt door de excitatie van moleculen door de infrarode bron. De moleculen absorberen de infrarode golven, waardoor de trillingsgraad van de elektronen verandert. Hierdoor ontstaat een meetbaar signaal.

SWIR (korte golf infrarood): Het spectrum van 1 µm tot 2,7 µm.Op silicium gebaseerde detectoren zijn beperkt tot ongeveer 1,0 µm. Daarom zijn voor SWIR-beeldvorming optische en elektronische componenten nodig die kunnen werken in het bereik van 0,9 µm tot 1,7 µm, wat niet het geval is voor ongekoelde InGaAs-detectoren.

MWIR (middengolf infrarood): Het spectrum van 3 µm tot 5 µm. Thermische beeldvorming begint in dit deel van het spectrum, waar zich temperatuurgradiënten beginnen af te tekenen die aanwezig zijn in de waar te nemen scène. Voor MWIR-detectie zijn cryogeen gekoelde technologieën nodig, zoals HgCdTe (MCT, of MerCad), een II-VI halfgeleidermateriaal.

LWIR (lange golf infrarood): Het spectrum van 7 µm tot 14 µm.Een detector vangt de warmte op die wordt afgegeven door voorwerpen in de waargenomen scène. In tegenstelling tot zichtbaar-lichtdetectoren, die het door voorwerpen weerkaatste licht detecteren, hebben LWIR-detectoren geen lichtbron nodig. Deze detectoren kunnen zowel overdag als ’s nachts identieke beelden genereren. Het beeld zal hetzelfde zijn, ongeacht het omgevingslicht.

1. De twee belangrijkste technologieën

Er zijn momenteel twee belangrijke soorten detectoren:

– Gekoeld: Deze detectoren worden op een extreem lage temperatuur gehouden met behulp van een cryogeen koelsysteem. Dit systeem verlaagt de temperatuur van de sensor tot cryogene temperaturen en vermindert de door warmte veroorzaakte ruis tot een niveau dat lager is dan dat van het door de scène uitgezonden signaal.

De belangrijkste voordelen van dit type detector zijn de ongelooflijk hoge resolutie en gevoeligheid en de daaruit voortvloeiende hoge beeldkwaliteit. Gekoelde detectoren zijn echter omvangrijker en duurder dan ongekoelde detectoren. Dit maakt ze minder geschikt voor bepaalde toepassingen waarbij de vormfactor belangrijker is dan de beeldkwaliteit.

– Ongekoelde detectoren of microbolometers: Deze detectoren behoeven geen koelsysteem. Bij microbolometer-technologie leiden temperatuurverschillen in een scène tot veranderingen in de temperatuur van de microbolometer. Deze veranderingen worden vervolgens omgezet in elektrische signalen en vervolgens in beelden.Systemen met ongekoelde detectoren zijn kosteneffectiever en vergen minder onderhoud dan systemen met gekoelde detectoren.

1. NETD, de belangrijkste indicator van de gevoeligheid van de detector

NETD (noise-equivalent temperature difference) meet de thermische gevoeligheid van een camera. Het is het kleinste temperatuurverschil dat een camera kan detecteren. Het wordt uitgedrukt in milliKelvin (mK) of in graden Celsius (° C). Hoe lager de NETD, hoe beter de camera is in het detecteren van thermische contrasten. Daarom kan NETD worden beschouwd als analoog aan contrast in zichtbaar-lichtdetectoren.

In infrarooddetectoren kan NETD variëren tussen 25 mK en 100 mK voor ongekoelde microbolometers. Voor gekoelde detectoren ligt dit rond 10 mK.

NETD is vooral belangrijk voor scènes met weinig thermisch contrast (scènes waarin alle objecten vrijwel dezelfde temperatuur hebben, zoals landschappen).

1. Resolutie en beeldveld (FOV)

Het beeldveld (FOV) is de breedte van een hoek die een camera kan vastleggen. FOV moet worden bekeken in combinatie met beeldresolutie (het aantal pixels).

Resolutie geeft aan hoe scherp het beeld is, terwijl FOV aangeeft hoe groot de beeldhoek is. Hoe hoger de resolutie (met andere woorden, hoe meer pixels), hoe scherper het beeld. Hoe meer pixels, hoe kleiner de FOV.

1. Analoog of digitaal

Zoals de naam al aangeeft, is een analoog-naar-digitaal-omzetter (ADC) een systeem dat een analoog signaal omzet in een digitaal (binair) signaal. Een digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC) zet een digitaal signaal om in een analoog signaal. Bij volledig digitale modellen is de ADC in de sensor geïntegreerd. Hij zet het analoge videosignaal om in een digitaal signaal dat door de software kan worden verwerkt om de gewenste informatie uit de scène te halen. Volledig digitale modellen kunnen ook een polarisatie-omschakelende DAC voor het sensorelement omvatten. Hier hoeven detectorintegrators geen voedingscomponenten meer te ontwikkelen voor de detectoren, waardoor ze veel eenvoudiger te implementeren zijn.