Grundlagen ungekühlter IR-Imager

Wie funktionieren die Mikrobolometer als Sensorelement eines ungekühlten IR-Imager?

Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes emittiert elektromagnetische Strahlung aufgrund der Bewegungen seiner Atome. Bei Raumtemperatur im Bereich um 300 K liegt der Großteil der emittierten Strahlungsleistung im Wellenlängenbereich zwischen 8 µm und 14 μm. Dies ist der so genannte fern-infrarote (FIR) Spektralbereich, der teilweise auch als LWIR-Bereich (long-wave infrared range) bezeichnet wird. Passive, ungekühlte Wärmebildkamerasysteme nutzen diesen Effekt zur Bilderzeugung, wobei keine aktive Lichtquelle benötigt wird, sondern die emittierte Strahlung des Objektes detektiert wird.

Das Maximum der emittierten Strahlungsleistung variiert mit der Temperatur des Objekts. Dieser Effekt wird als Wiensches Verschiebungsgesetz bezeichnet und ist Grund für die Tatsache, dass FIR Strahlung auch als thermische Strahlung bezeichnet wird. Die Menge an emittierter Strahlungsleistung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs zwischen λ1 und λ2 für ein Objekt der Temperatur T ergibt sich aus der Planck-Funktion zu:

Hierbei ist h die Planck-Konstante, k die Boltzmann-Konstante und c die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit.

Neben der Temperatur wird die emittierte Strahlungsleistung eines Objekts durch dessen Emissivität ɛ bestimmt. Die Emissivität ist ein materialabhängiger Faktor und im Allgemeinen eine Funktion der Wellenlänge. Ein Objekt mit einer wellenlängenunabhängigen Emissivität von 1 wird als Schwarzer Strahler bezeichnet. Ein Schwarzer Strahler emittiert die maximal mögliche Strahlungsleistung bei einer gegebenen Temperatur. Neben der Emissivität eines Objekts sind noch dessen Reflektivität ρ und der Transmissivität τ zu berücksichtigen, für die auf Grund der Energieerhaltung der Zusammenhang ɛ+ τ +ρ=1 gilt.

Die emittierte Strahlung kann mit Hilfe eines ungekühlten IR-Imager detektiert werden. Dieser besteht aus drei Kernkomponenten

• Mikrobolometer als IR-empfindliche Sensorelemente
• Vakuum-Gehäuse mit IR-Eintrittsfenster zur Reduzierung von thermischen Verlusten infolge von Gaskonvektion
• Ausleseschaltung (ROIC = read-out integrated circuit) zur elektronischen Auslese der Mikrobolometer und Konvertierung in ein Bildformat

Das Mikrobolometer als Sensorelement eines ungekühlten IR-Imager arbeitet nach dem thermischen Prinzip. Bei einem Mikrobolometer wird die einfallende IR-Strahlung von einer Sensormembran absorbiert und aufgrund einer sehr guten thermischen Isolierung entsprechend der einfallenden Leistung in eine Temperaturerhöhung konvertiert. Die Sensormembran besteht aus einem Material, das auf eine Temperaturänderung mit einer großen Änderung seines elektrischen Widerstandes reagiert. Diese Widerstandänderung wird von der Ausleseschaltung in ein Videosignal konvertiert. Werden die Mikrobolometer zu einem zweidimensionalen Array von beispielsweise 320 x 240 oder 640 x 480 Mikrobolometern angeordnet, so lässt sich mit einem ungekühlten IR-Imager ein Bild der Temperaturverteilung in einer Szene bestimmen.

Unterschiede zwischen gekühlten und ungekühlten IR-Imager

Neben den ungekühlten IR-Imager, die nach dem thermischen Prinzip arbeiten, gibt es auch gekühlte IR-Imager. Diese gekühlten IR-Imager arbeiten nach dem photonischen Prinzip, bei dem einfallende Photonen Elektron-Loch-Paare erzeugen. Aufgrund der niedrigen Energie von LWIR-Strahlung (z.B. E(l = 10 µm) = 0,124 eV) muss für photonische Sensoren ein Material mit entsprechend kleiner Bandlücke E_g gewählt werden, z.B Hg_1-xCd_xTe (E_g = 0,155 eV für x = 0,2) oder InSb (E_g = 0,17 eV). Zur Verringerung der Dunkelstromrate durch thermisch generierte Elektron-Loch-Paare, müssen solche IR-Imager gekühlt werden. Typischerweise werden Stirlingkühler eingesetzt, die die Infrarotsensoren auf beispielsweise 77 K herunterkühlen. Durch ihr Detektorprinzip erreichen sie eine sehr gute thermische Auflösung, sind jedoch Aufgrund der speziellen Detektormaterialien und der notwendigen Kühlung sehr teuer und werden fast ausschließlich für militärische  Anwendungen eingesetzt.

NETD-Wert

Der wichtigste Kennwert von ungekühlten IR-Imager ist der NETD-Wert (noise equivalent temperature difference), der prinzipiell die Temperaturauflösung beschreibt. Der NETD-Wert wird typisch in der Einheit mK angegeben und beschreibt die Eigenschaft des Sensors, kleinste Temperaturdifferenzen in einer Szene auflösen zu können. Somit zeichnen sich performantere Infrarotsensoren durch kleinere NETD-Werte aus. Gute ungekühlte IR-Imager erreichen NETD-Werte von weniger als 60 mK, allerdings sind für viele Anwendungen so gute Temperaturauflösungen nicht notwendig und es lassen sich Sensoren mit größeren NETD-Werten einsetzen. Der NETD-Wert wird häufig durch das zeitliche Rauschverhalten des ungekühlten IR-Imager limitiert.