Wie funktioniert ein Mikrobolometer (IR-Kamera)?

Ich mache gerade ein Projekt, das mich zu meiner ersten Begegnung mit IR-Kameras geführt hat, und bin daher ziemlich neugierig, wie sie funktionieren. Insbesondere möchte ich Folgendes wissen

1. Wie wird Wärme in ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) umgewandelt?
2. Wie ist die spektrale Bandbreite einer IR-Kamera so gut definiert?
3. Warum sind IR-Kameras so viel teurer als Farbvideokameras? (Farbkameras haben IR-Suppressoren, oder?)
4. Wie unterscheiden sich "normale" IR-Kameras von radiometrischen Kameras?
5. Was ist der Unterschied zwischen IR-Kameras, die Temperaturen bis zu beispielsweise 1000 ° C erfassen können, und IR-Kameras, die Temperaturen bis zu 400 ° C erfassen können?

Ihre Frage enthält viele Fragen, die wahrscheinlich in mehrere verschiedene Fragen unterteilt werden sollten. Ich möchte jedoch nicht warten, bis dies geschieht, also werde ich diejenigen ansprechen, auf die ich die Antworten kenne.

1. Wie wird Wärme in ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) umgewandelt?

Ein Mikrobolometer ist nur ein Sonderfall eines Bolometers, das ein Material enthält, dessen Widerstand sehr temperaturempfindlich ist. Die Widerstandsänderung, die durch Erwärmung durch einfallende elektromagnetische (EM) Strahlung verursacht wird, wird von einem Stromkreis ausgelesen, der dem eines Voltmeters ähnelt. Diese Geräte können so ausgelegt werden, dass sie empfindlich auf unglaublich geringe Leistungsmengen reagieren und im Allgemeinen auch einen hohen Dynamikbereich aufweisen. Diejenigen, die ich in der Laserindustrie verwendet habe, sind von 10 mW bis 100 W empfindlich, ein Dynamikbereich von 10 ⁴ .

2. Wie ist die spektrale Bandbreite einer Kamera so gut definiert?

Bolometer sind für ihre unglaublich breiten spektralen Bandbreiten bekannt. Da die Vorrichtung tatsächlich die von der EM-Strahlung abgelagerte Wärme misst, wird die Bandbreite des Detektionsmaterials selbst (normalerweise entweder amorphes Silizium oder Vanadiumoxid ) durch die Wellenlängen definiert, bei denen es absorbiert. Die Bandbreite der Mikrobolometerdetektoren muss daher mit einer externen Optik definiert werden, die die anderen Wellenlängen zurückweist oder absorbiert. Meine Vermutung wäre, dass sie einen absorbierenden IR-Bandpassfilter vor der Detektoroberfläche verwenden.

3. Warum sind IR-Kameras so viel teurer als Farbvideokameras? (Farbkameras haben IR-Suppressoren, oder?)

Ich weiß es nicht genau, aber die Möglichkeit, diese Dinge in großen Mengen herzustellen, wurde erst in den letzten Jahren möglich, als CCD- Detektoren (Charge Coupled Device) seit den 1980er Jahren in Massenproduktion sind. Sie haben Recht, dass CCD-Detektoren einen IR-Filter enthalten, aber die darunter liegenden Materialien sind nur bis zu ~ 1-2 μm empfindlich, sodass sie im tiefen IR nicht wie die Mikrobolometer funktionieren.

5. Was ist der Unterschied zwischen IR-Kameras, die Temperaturen bis zu beispielsweise 1000 ° C erfassen können, und IR-Kameras, die Temperaturen bis zu 400 ° C erfassen können?

$$\lambda_{max}=\frac{b}{T}$$ $b$$b=2.8977721\cdot10^{3}\:\mathrm{m*K}$$T$$\lambda_{1000}=2.3\ \mu \text{m}$$\lambda_{400}=4.3\ \mu\text{m}$