Come funziona un microbolometro (videocamera IR)?

Attualmente sto realizzando un progetto che mi ha portato al mio primo incontro con le telecamere IR, e quindi sono piuttosto curioso di sapere come funzionano. In particolare, vorrei sapere quanto segue

1. Come viene convertito il calore in un segnale elettrico (corrente o tensione)?
2. Come è così ben definita la larghezza di banda spettrale di una telecamera IR?
3. Perché le videocamere IR sono molto più costose delle videocamere a colori? (Le telecamere a colori hanno soppressori IR, giusto?)
4. In che modo le telecamere IR "normali" sono diverse dalle telecamere radiometriche?
5. Qual è la differenza tra le telecamere IR che possono rilevare temperature fino a, diciamo 1000 ° C, rispetto alle telecamere IR che possono rilevare temperature fino a 400 ° C?

Ci sono molte domande nella tua domanda e probabilmente dovrebbe essere suddivisa in più domande diverse. Non voglio aspettare che ciò accada, quindi mi rivolgerò a quelli a cui conosco le risposte.

1. Come viene convertito il calore in un segnale elettrico (corrente o tensione)?

Un microbolometro è solo un caso speciale di un bolometro che contiene un materiale la cui resistenza è molto sensibile alla sua temperatura. La variazione di resistenza causata dal riscaldamento causato da radiazione elettromagnetica incidente (EM) viene letta da un circuito simile a quello che troverete in un voltmetro. Questi dispositivi possono essere progettati per essere sensibili a quantità incredibilmente basse di potenza e generalmente hanno anche un intervallo dinamico elevato. Quelli che ho usato nell'industria del laser sono sensibili da 10 mW a 100 W, una gamma dinamica di 10 ⁴ .

2. Come è così ben definita la larghezza di banda spettrale di una telecamera?

I bolometri sono noti per avere larghezze di banda spettrali incredibilmente ampie. Poiché il dispositivo misura effettivamente il calore depositato dalla radiazione EM, la larghezza di banda del materiale di rilevamento stesso (solitamente silicio amorfo o ossido di vanadio ) è definita dalle lunghezze d'onda a cui si assorbe. La larghezza di banda dei rivelatori di microbolometri deve pertanto essere definita con un'ottica esterna che rifiuta o assorbe le altre lunghezze d'onda. La mia ipotesi sarebbe che utilizzino un filtro passa banda IR assorbente davanti alla superficie del rivelatore.

3. Perché le videocamere IR sono molto più costose delle videocamere a colori? (Le telecamere a colori hanno soppressori IR, giusto?)

Non lo so esattamente, ma la capacità di produrre queste cose in massa è diventata possibile solo negli ultimi anni, mentre i rilevatori di dispositivi con accoppiamento di carica (CCD) sono in produzione in serie dagli anni '80. Hai ragione sul fatto che i rivelatori CCD incorporano un filtro IR, ma i materiali sottostanti sono sensibili solo fino a ~ 1-2 μm, quindi non funzionano nell'IR profondo come fanno i microbolometri.

5. Qual è la differenza tra le telecamere IR che possono rilevare temperature fino a, diciamo 1000 ° C, rispetto alle telecamere IR che possono rilevare temperature fino a 400 ° C?

Tutti i corpi caldi emettono radiazioni su tutta la gamma dello spettro EM. Il contenuto spettrale della radiazione emessa a una determinata lunghezza d'onda è dato quasi quasi dalla curva del corpo nero di Plank (mostrata sotto). Una delle caratteristiche chiave di questa curva è che il picco della radiazione emessa si sposta verso lunghezze d'onda più lunghe con temperature più basse. Il picco della radiazione emessa è dato dalla legge di Wien che è dove è la costante di Wien ( ) e la temperatura è in unità di Kelvin. Da questo puoi calcolare che le lunghezze d'onda di picco delle temperature che chiedi sono:

$$\lambda_{max}=\frac{b}{T}$$ $b$$b=2.8977721\cdot10^{3}\:\mathrm{m*K}$$T$$\lambda_{1000}=2.3\ \mu \text{m}$e . Quindi, i rivelatori progettati per essere sensibili a quelle diverse temperature sono semplicemente sintonizzati (probabilmente regolando il filtro passa-banda davanti) per essere più sensibili alle diverse lunghezze d'onda di picco. $\lambda_{400}=4.3\ \mu\text{m}$