Detectores infrarrojos refrigerados
Cámara termográfica y pantalla, en una terminal del aeropuerto en Grecia. Las imágenes térmicas pueden detectar la fiebre, uno de los signos de infección.
Los detectores refrigerados están típicamente contenidos en una caja sellada al vacío o Dewar y refrigerados criogénicamente. El enfriamiento es necesario para el funcionamiento de los materiales semiconductores utilizados. Las temperaturas de funcionamiento típicas oscilan entre 4 K y justo por debajo de la temperatura ambiente, dependiendo de la tecnología del detector. La mayoría de los detectores refrigerados modernos funcionan en el rango de 60 K a 100 K, según el tipo y el nivel de rendimiento.
Sin enfriamiento, estos sensores (que detectan y convierten la luz de la misma manera que las cámaras digitales comunes, pero están hechos de diferentes materiales) serían ‘cegados’ o inundados por su propia radiación. Los inconvenientes de las cámaras infrarrojas enfriadas son que son caras tanto para producir como para funcionar. El enfriamiento consume mucha energía y tiempo.
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La cámara puede necesitar varios minutos para enfriarse antes de que pueda comenzar a funcionar. Los sistemas de enfriamiento más utilizados son los refrigeradores de motor rotativo Stirling. Aunque el aparato de enfriamiento es relativamente voluminoso y costoso, las cámaras infrarrojas enfriadas proporcionan una calidad de imagen superior en comparación con las no enfriadas.
Además, la mayor sensibilidad de las cámaras refrigeradas también permite el uso de lentes con un número F más alto, lo que hace que las lentes de larga distancia focal de alto rendimiento sean más pequeñas y más baratas para los detectores enfriados. Una alternativa a los enfriadores de motores Stirling es utilizar gases embotellados a alta presión, siendo el nitrógeno una opción común. El gas presurizado se expande a través de un orificio de tamaño micro y se pasa sobre un intercambiador de calor en miniatura, lo que da como resultado un enfriamiento regenerativo a través del efecto Joule-Thomson. Para tales sistemas, el suministro de gas a presión es una preocupación logística para el uso en el campo.
Los materiales utilizados para la detección infrarroja enfriada incluyen fotodetectores basados en una amplia gama de semiconductores de espacio estrecho, que incluyen:
antimonuro de indio (3-5 μm)
arseniuro de indio
telururo de mercurio cadmio (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm)
sulfuro de plomo
seleniuro de plomo
Los fotodetectores infrarrojos se pueden crear con estructuras de semiconductores de banda alta, como en los fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico.
Existen varias tecnologías de bolómetro enfriado superconductor y no superconductor.
En principio, los dispositivos de unión de túneles superconductores podrían usarse como sensores infrarrojos debido a su espacio muy estrecho. Pequeñas matrices han sido demostradas. Su uso de amplio rango es difícil porque su alta sensibilidad requiere un blindaje cuidadoso de la radiación de fondo.
Los detectores superconductores ofrecen una sensibilidad extrema, y algunos pueden registrar fotones individuales. Por ejemplo, la cámara superconductora de la ESA (SCAM). Sin embargo, no se usan regularmente fuera de la investigación científica.
Detectores infrarrojos no refrigerados
Las cámaras térmicas no refrigeradas utilizan un sensor que funciona a temperatura ambiente o un sensor estabilizado a una temperatura cercana a la temperatura ambiente utilizando pequeños elementos de control de temperatura. Todos los detectores modernos sin refrigeración utilizan sensores que funcionan mediante el cambio de resistencia, voltaje o corriente cuando se calientan con radiación infrarroja. Estos cambios se miden y comparan con los valores a la temperatura de funcionamiento del sensor.
Los sensores infrarrojos no refrigerados se pueden estabilizar a una temperatura de funcionamiento para reducir el ruido de la imagen, pero no se enfrían a bajas temperaturas y no requieren refrigeradores criogénicos caros y voluminosos. Esto hace que las cámaras infrarrojas sean más pequeñas y menos costosas. Sin embargo, su resolución y calidad de imagen tienden a ser inferiores a los detectores enfriados. Esto se debe a la diferencia en sus procesos de fabricación, limitada por la tecnología actualmente disponible.
Los detectores no refrigerados se basan principalmente en materiales piroeléctricos y ferroeléctricos [27] o en tecnología de microbolómetro. El material se utiliza para formar píxeles con propiedades altamente dependientes de la temperatura, que se aíslan térmicamente del medio ambiente y se leen electrónicamente.
Imagen térmica de la locomotora de vapor.
Los detectores ferroeléctricos operan cerca de la temperatura de transición de fase del material del sensor; la temperatura del píxel se lee como la carga de polarización altamente dependiente de la temperatura. El NETD alcanzado de detectores ferroeléctricos con óptica f / 1 y sensores 320 × 240 es 70-80 mK. Un posible conjunto de sensor consiste en titanato de bario y estroncio unido por tope mediante una conexión de poliimida aislada térmicamente.
Los microbolómetros de silicio pueden alcanzar NETD hasta 20 mK. Consisten en un elemento sensor de óxido de vanadio (V) de película delgada suspendido en un puente de nitruro de silicio sobre la electrónica de escaneo a base de silicio. La resistencia eléctrica del elemento sensor se mide una vez por cuadro.
Las mejoras actuales de las matrices de plano focal no refrigeradas (UFPA) se centran principalmente en una mayor sensibilidad y densidad de píxeles. En 2013, DARPA anunció una cámara LWIR de cinco micras que utiliza una matriz de plano focal (FPA) de 1280 x 720. [28] Algunos de los materiales utilizados para las matrices de sensores son: [29]
óxido de vanadio (V) (material de cambio de fase del aislante de metal, para matrices de microbolómetros)
manganita de bario y lantano (LBMO, material de cambio de fase de aislante de metal)
silicio amorfo
titanato de circonato de plomo (PZT)
titanato de zirconato de plomo dopado con lantano (PLZT)
plomo escandio equivalente (PST)
titanato de lantano de plomo (PLT)
titanato de plomo (PT)
Niobato de zinc y plomo (PZN)
titanato de estroncio de plomo (PSrT)
titanato de bario y estroncio (BST)
titanato de bario (BT)
sulfoyoduro de antimonio (SbSI)
difluoruro de polivinilideno (PVDF
