Infraröd teknik håller på att ta sig in i ett allt större antal innovativa konsumenttillämpningar. Tekniken upptäcktes för första gången i början av 1800-talet. Det tog dock ganska lång tid innan man faktiskt kunde använda den och integrera den i säljbara produkter. Dagens kraftfulla infraröda teknik används på en mängd nya sätt och ger mervärde till avancerade system för exempelvis autonoma fordon och smarta byggnader.
Infraröd teknik kan integreras i befintliga system för att lägga till nya tekniska möjligheter. Och i takt med att produktionsvolymerna ökar kommer kostnaderna att fortsätta att sjunka, vilket gör tekniken ännu mer tillgänglig för ännu fler användningsområden.
Här är fem saker du behöver veta om infraröd teknik. Läs vidare för att lära dig hur denna avancerade teknik ger mervärde till en rad olika branscher.
- Det elektromagnetiska spektrumet och de olika våglängderna
Hur fungerar det elektromagnetiska spektrumet?
Strålning karakteriseras av sin frekvens och våglängd. Och all strålning är inte synlig för det mänskliga ögat. Infraröd strålning har längre våglängder än strålning i det synliga spektrumet och kortare våglängder än mikrovågs- eller terahertzstrålning.
Det finns flera våglängder i det elektromagnetiska spektrumet, och var och en har unika egenskaper.
NIR (near infrared): Detta är de kortare våglängderna i det infraröda spektrumet och ligger närmast det synliga spektrumet på mellan 0,78 µm och 2,5 µm. Den underliggande principen för NIR-spektroskopi är t.ex. molekylära vibrationer som orsakas av att molekylerna exciteras av den infraröda källan. Molekylerna absorberar infraröda vågor, vilket förändrar elektronernas vibrationsgrad. Detta skapar en mätbar signal.
SWIR (short wave infrared): Spektrumet från 1 µm till 2,7 µm. kiselbaserade detektorer är begränsade till cirka 1,0 µm. Därför krävs för SWIR-avbildning optiska och elektroniska komponenter som kan arbeta i intervallet 0,9 µm till 1,7 µm, vilket inte är fallet för okylda InGaAs-detektorer.
MWIR (medium wave infrared): Spektrumet från 3 µm till 5 µm. Termisk avbildning börjar i denna del av spektrumet, där temperaturgradienter som finns i den observerade scenen börjar bildas. MWIR-detektering kräver kryogeniskt kylda tekniker som HgCdTe (MCT, eller MerCad), ett II-VI-halvledarmaterial.
LWIR (long wave infrared): Spektrumet från 7 µm till 14 µm.En detektor fångar upp den värme som avges av objekt i den observerade scenen. Till skillnad från detektorer för synligt ljus, som registrerar det ljus som reflekteras av objekt, behöver LWIR-detektorer ingen ljuskälla. Dessa detektorer kan generera identiska bilder både på dagen och på natten. Bilden blir densamma oavsett omgivande ljus.
- De två viktigaste teknikerna
Det finns för närvarande två huvudtyper av detektorer:
– Kylda: Dessa detektorer hålls vid en extremt låg temperatur med hjälp av ett kryogent kylsystem. Detta system sänker sensortemperaturen till kryogena temperaturer och minskar det värmeinducerade bruset till en nivå som är lägre än signalen från scenen.
De främsta fördelarna med denna typ av detektor är den otroligt höga upplösningen och känsligheten och den därav följande höga bildkvaliteten. Kylda detektorer är dock mer skrymmande och dyrare än okylda detektorer. Detta gör dem mindre lämpliga för vissa tillämpningar där formfaktorn är viktigare än bildkvaliteten.
– Okylda detektorer eller mikrobolometrar: Dessa detektorer kräver inget kylsystem. Med mikrobolometerteknik utlöser temperaturskillnader i en scen förändringar i mikrobolometerns temperatur. Dessa förändringar omvandlas sedan till elektriska signaler och därefter till bilder.System som är utrustade med okylda detektorer är mer kostnadseffektiva och kräver mindre underhåll än system med kylda detektorer.
- NETD, nyckelindikatorn för detektorkänslighet
NETD (noise-equivalent temperature difference) mäter en kameras termiska känslighet. Det är den minsta temperaturskillnaden som en kamera kan upptäcka. Den anges i millikelvin (mK) eller i grader Celsius (° C). Ju lägre NETD-värdet är, desto bättre är kameran på att upptäcka värmekontraster. Därför kan NETD anses vara analogt med kontrast i detektorer för synligt ljus.
I infraröda detektorer kan NETD ligga mellan 25 mK och 100 mK för okylda mikrobolometrar. För kylda detektorer ligger den runt 10 mK.
NETD är särskilt viktigt för scener med låg värmekontrast (scener där alla objekt har i stort sett samma temperatur, t.ex. landskap).
- Upplösning och synfält (FOV)
Synfält (FOV) är hur stor vinkel en kamera kan fånga. FOV måste beaktas tillsammans med bildens upplösning (antalet pixlar).
Upplösningen anger hur skarp bilden är, medan FOV visar hur bred den är. Ju högre upplösning (med andra ord, ju fler pixlar du har), desto skarpare blir bilden. För att öka antalet pixlar måste du dock minska FOV.
- Analog eller digital
Som namnet antyder är en analog-till-digitalomvandlare (ADC) ett system som omvandlar en analog signal till en digital (binär) signal. En digital-analogomvandlare (DAC) omvandlar en digital signal till en analog signal. I helt digitala modeller är ADC:n integrerad i sensorn. Den omvandlar den analoga videosignalen till en digital signal som kan bearbetas av programvara för att extrahera önskad information från scenen. Helt digitala modeller kan också innehålla en polarisationsväxlande DAC för detekteringselementet. Här behöver integratörer av detektorer inte längre utveckla strömkomponenter för detektorerna, vilket gör dem mycket lättare att implementera.