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(cè)試難題，如對(duì)安全氣囊進(jìn)行高速熱測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)器材料。
速度提升
長(zhǎng)波紅外SLS熱像儀
充氣氣囊停止運(yùn)動(dòng)的熱圖像
SLS在長(zhǎng)波紅外波段和中波紅外波段都能運(yùn)行，但當(dāng)過濾成長(zhǎng)波紅外波段時(shí)，其性能優(yōu)勢(shì)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(shì)是積分時(shí)間短或快照速度快。表1和表2展示長(zhǎng)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(cè)器快12.6倍。
表1長(zhǎng)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(cè)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(cè)器材料的較長(zhǎng)積分時(shí)間需求導(dǎo)致熱像儀以慢于探測(cè)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(zhǎng)，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(zhǎng)波紅外SLS熱像儀
長(zhǎng)波紅外SLS熱像儀的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是有較寬的溫度范圍。在表1中，我們看到長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)波紅外SLS熱像儀未安裝減光鏡之前能測(cè)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(cè)量650℃，而中波紅外InSb熱像儀在安裝減光鏡之前僅能測(cè)量最高350℃。這僅是在長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)器相比，長(zhǎng)波紅外SLS探測(cè)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(zhǎng)波紅外波段運(yùn)行不是唯一因素。如果研究長(zhǎng)波紅外碲鎘汞(MCT)探測(cè)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(cè)器。你會(huì)注意到，長(zhǎng)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(cè)量的溫度限制(見表3)。
表3 長(zhǎng)波紅外碲鎘汞(MCT)探測(cè)器儀性能指標(biāo)
低成本，高性能
長(zhǎng)波紅外SLS熱像儀
與其它長(zhǎng)波紅外制冷型熱像儀相比，長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外MCT熱像儀相比。長(zhǎng)波紅外MCT探測(cè)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(zhǎng)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：?jiǎn)?dòng)時(shí)的MCT熱圖像
這為基于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)爆破區(qū)之外對(duì)其進(jìn)行控制。相比之下，長(zhǎng)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(cè)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(chǎng)良好運(yùn)行。NUC在長(zhǎng)期多次冷卻后仍保持正常。本文測(cè)試的熱像儀自一年多前首次現(xiàn)場(chǎng)使用以來無需新的NUC。
圖4：?jiǎn)?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(zhǎng)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(zhǎng)波紅外探測(cè)器才能提供的光譜靈敏度，SLS探測(cè)器比現(xiàn)行的制冷型長(zhǎng)波紅外MCT探測(cè)器具有明顯的成本和均勻性優(yōu)勢(shì)。
綜上所述，SLS長(zhǎng)波紅外探測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)波紅外SLS熱像儀擁有比現(xiàn)行長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外SLS熱像儀將是您工具箱的理想之選。
