近年來，我們見證了讀取技術(shù)和高級(jí)熱像儀電子元器件的重大進(jìn)展——推動(dòng)熱像儀的分辨率、速度和靈敏度顯著提升。這使得我們能夠解決棘手的熱測試難題，如對(duì)安全氣囊進(jìn)行高速熱測量，對(duì)微型電子元件進(jìn)行故障分析，以及對(duì)看得見的半透明氣體進(jìn)行光學(xué)氣體成像等。然而，直到引進(jìn)II型應(yīng)變層超晶格(SLS)，我們才得以見證熱成像技術(shù)的顯著進(jìn)步。
這種探測器材料使熱像儀有了與讀出集成電路(ROIC)和熱像儀電子器件相一致的性能提升。將SLS集成到商用紅外熱像儀中，提供了一種新的長波紅外解決方案，實(shí)現(xiàn)速度、溫度量程、均勻性和穩(wěn)定性的明顯提升，與此同時(shí)價(jià)格低于模擬探測器材料。
速度提升
長波紅外SLS熱像儀
充氣氣囊停止運(yùn)動(dòng)的熱圖像
SLS在長波紅外波段和中波紅外波段都能運(yùn)行，但當(dāng)過濾成長波紅外波段時(shí)，其性能優(yōu)勢顯而易見。事實(shí)上，與其它紅外熱像儀材料相比，SLS的主要優(yōu)勢是積分時(shí)間短或快照速度快。表1和表2展示長波紅外SLS與中波紅外銻化銦(InSb)性能指標(biāo)之間的差異。只看第一行的溫度量程，我們發(fā)現(xiàn)SLS的快照速度比處于同一量程的中波紅外InSb探測器快12.6倍。
表1長波紅外SLS
表2 中波紅外銻化銦(InSb)
更快的快照速度使用戶能夠?qū)Ω咚倌繕?biāo)進(jìn)行定格攝影，以便獲得精確的溫度測量值。如果積分時(shí)間過慢，模糊不清的結(jié)果成像會(huì)影響溫度讀數(shù)。同樣，更快的快照速度意味著更快的幀頻。很多時(shí)候，InSb和其它探測器材料的較長積分時(shí)間需求導(dǎo)致熱像儀以慢于探測器最大值的幀頻運(yùn)行。例如，如果您擁有一臺(tái)熱像儀能夠以1000幀/秒幀頻生成640×512像素的圖像，但是它在要求1.2 ms積分時(shí)間的帶通下運(yùn)行。由于積分時(shí)間限制較長，熱像儀將無法達(dá)到最大幀頻潛力，如果成像目標(biāo)快速升溫，這會(huì)引起問題。較慢的采樣可能會(huì)導(dǎo)致用戶無法精確描述部件的熱穩(wěn)態(tài)特性，可能會(huì)錯(cuò)過電路板啟動(dòng)或重啟的關(guān)鍵溫度尖峰。
較寬的溫度范圍
長波紅外SLS熱像儀
長波紅外SLS熱像儀的另一項(xiàng)優(yōu)勢是有較寬的溫度范圍。在表1中，我們看到長波紅外SLS熱像儀的啟動(dòng)溫度量程為-20°C至150°C，需要1次積分時(shí)間。為獲得同樣的溫度范圍，中波紅外InSb探測器需要循環(huán)(超幀)3次積分時(shí)間，每個(gè)積分時(shí)間代表不同的溫度量程。為了超幀獲得完整的-20℃至150℃溫度范圍需要循環(huán)通過3個(gè)溫度范圍，這導(dǎo)致熱像儀每捕獲3幀僅獲得一張超幀圖像。這意味著校準(zhǔn)熱像儀時(shí)須付出3倍工作量并且總幀頻減少1/3。
再看表1和表2，我們發(fā)現(xiàn)有另一個(gè)值得注意的點(diǎn)：長波紅外SLS熱像儀未安裝減光鏡之前能測量更高的溫度范圍。受評(píng)SLS熱像儀在安裝減光鏡之前最高測量650℃，而中波紅外InSb熱像儀在安裝減光鏡之前僅能測量最高350℃。這僅是在長波紅外波段運(yùn)行的SLS與在中波紅外波段運(yùn)行的InSb的部分功能。
圖1:30°C理想黑體的光譜發(fā)射功率
為說明這一點(diǎn)，讓我們看圖1，此圖顯示的是一個(gè)30℃理想黑體的光譜發(fā)射功率。曲線下的面積表示那一波段內(nèi)的功率，長波紅外波段的功率比中波紅外波段的功率大得多。看圖2，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體升溫時(shí)，代表性光譜發(fā)射強(qiáng)度曲線的波峰向左側(cè)移動(dòng)并向右逐漸下降。在一定溫度范圍內(nèi)長波紅外波段中的功率的變化，不如中波紅外波段中的功率的變化顯著。正因?yàn)槿绱耍c中波紅外InSb探測器相比，長波紅外SLS探測器能夠避免給定積分時(shí)間內(nèi)的過度曝光或曝光不足問題。注意，中波紅外波段中的功率變化是很大的;因此，隨著物體升溫，紅外熱像儀會(huì)在單次積分時(shí)間內(nèi)快速飽和。
圖2：不同溫度下黑體的光譜輻射發(fā)射率
總之，SLS使您能夠處理目標(biāo)在較寬溫度范圍內(nèi)快速升溫的富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，如燃燒研究應(yīng)用。
然而，在長波紅外波段運(yùn)行不是唯一因素。如果研究長波紅外碲鎘汞(MCT)探測器，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的溫度范圍也有限，類似于中波紅外InSb探測器。你會(huì)注意到，長波紅外MCT熱像儀每次積分時(shí)間具有較短的單個(gè)溫度范圍，以及在安裝減光鏡削減信號(hào)之前能夠測量的溫度限制(見表3)。
表3 長波紅外碲鎘汞(MCT)探測器儀性能指標(biāo)
低成本，高性能
長波紅外SLS熱像儀
與其它長波紅外制冷型熱像儀相比，長波紅外SLS熱像儀一項(xiàng)最出色的特性是能通過冷卻顯著提升均勻性和穩(wěn)定性，尤其是與長波紅外MCT熱像儀相比。長波紅外MCT探測器通常具有較差的均勻性和穩(wěn)定性。因此，每當(dāng)用戶打開長波紅外MCT熱像儀，上一次執(zhí)行的均勻性校正都需要更新(見圖3)。
圖3：啟動(dòng)時(shí)的MCT熱圖像
這為基于現(xiàn)場的應(yīng)用帶來一些問題，由于環(huán)境狀況，這不利于需要更新增益、補(bǔ)償錯(cuò)誤像素映射設(shè)備。這些應(yīng)用可能包括當(dāng)熱像儀位于試驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，或在政府試驗(yàn)場爆破區(qū)之外對(duì)其進(jìn)行控制。相比之下，長波紅外SLS能像中波紅外InSb那樣運(yùn)行，因?yàn)橛脩糁恍璐蜷_熱像儀就可以開始測試(見圖4)。在實(shí)驗(yàn)室中完成的均勻性校正，除了可能利用熱像儀內(nèi)的內(nèi)部NUC標(biāo)記進(jìn)行一點(diǎn)式補(bǔ)償更新外，無需額外圖像均勻性更新，便可在現(xiàn)場良好運(yùn)行。NUC在長期多次冷卻后仍保持正常。本文測試的熱像儀自一年多前首次現(xiàn)場使用以來無需新的NUC。
圖4：啟動(dòng)時(shí)的SLS熱圖像
雖然SLS熱像儀的價(jià)格高于中波紅外InSb熱像儀，但它們比性能相當(dāng)?shù)拈L波紅外MCT熱像儀便宜40%。因此，如果您的應(yīng)用需要更短的積分時(shí)間，更寬的溫度范圍或只有制冷型長波紅外探測器才能提供的光譜靈敏度，SLS探測器比現(xiàn)行的制冷型長波紅外MCT探測器具有明顯的成本和均勻性優(yōu)勢。
綜上所述，SLS長波紅外探測器材料是一種極具吸引力的高性價(jià)比材料，與中波紅外InSb和長波紅外MCT材料相比具有更短的積分時(shí)間和更寬的溫度量程;長波紅外SLS熱像儀擁有比現(xiàn)行長波紅外MCT熱像儀更優(yōu)異的均勻性和穩(wěn)定性以及更實(shí)惠的價(jià)格。如果應(yīng)用對(duì)性價(jià)比有特定要求時(shí)，長波紅外SLS熱像儀將是您工具箱的理想之選。
