Überblick. Infrarot-Sensoren. Grundlagen Infrarot-Bildaufnahme IR-Matrixdetektoren: Aufbau und Funktionsweise IR-Matrixdetektoren: Kennwerte

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1 Infrarot-Sensoren Thomas Hierl Thermosensorik GmbH, Erlangen Überblick Grundlagen Infrarot-Bildaufnahme IR-Matrixdetektoren: Aufbau und Funktionsweise IR-Matrixdetektoren: Kennwerte 1

2 Überblick Grundlagen Infrarot-Bildaufnahme Eigenstrahlungsemission IR-Transmission der Atmosphäre Emissionsgrad IR-Matrixdetektoren: Aufbau und Funktionsweise IR-Matrixdetektoren: Kennwerte Eigenstrahlungsemission Alle Körper emittieren Wärmestrahlung Temperatur T Emissionsgrad ε (Material, Oberfläche,...) T = 300 K Bei normalen Temperaturen liegt das Maximum im IR 2

3 Schwarzkörperstrahlung für 300 K und 310 K Strahlungsleistung [W/m 2 µm] A 3-5µm, A 8-14µm, 10 2 A 3-5µm, = 45,9 % A 8-14µm, = 17,1 % Bei Raumtemperatur sind alle Objekte im thermischen Gleichgewicht. Die Kontraste sind klein! Für eine Temperaturauflösung von 10 mk ist eine Messgenauigkeit von ca. 0,05 % erforderlich Wellenlänge [µm] Atmosphärische Transmissions-Fenster SWIR MWIR LWIR 100 sichtbarer Bereich atmosph. Fenster atmosph. Fenster 80 Transmission in % Wellenlänge in µm 3

4 Sichtbare Strahlung Wärmestrahlung Sonne T = 5800 K Videokamera IR-Kamera T = 300 K Szene sichtbarer Spektralbereich λ = 0,4-0,8 µm " reflektiertes Licht " Szene Wärmebild / T-Strahlung λ = 3-5 µm (8-12 µm) " strahlende Objekte " Der schwarze Strahler Spectral emittance (W/m 2 /µm) p g g [ µ ] C 100 C 40 C 30 C Wellenlänge (µm) Planck sches Strahlungsgesetz ΦλT (, ). h. c. 2 2 π hc. λ 5 λ k. B T.. e Stefan-Boltzmann-Gesetz Gesamtenergiedichte 4 ( λ, T ) dλ σ S( T) = Φ = T 1 4

5 Emissionsgrad ε Spektrale spezifische Abstrahlung 1 Schw arzer Strahler G rauer Strahler Selektiver Strahler W ellenlänge Schwarzer Strahler Der Emissionsgrad definiert als Vorfaktor (0... 1) die Abweichung realer Strahler vom idealen Schwarzkörperstrahler. Der Emissionsgrad ist eine Funktion der Wellenlänge und des Emissionswinkels. Grauer Strahler Emissivität Selektiver Strahler Emissionsgrad und Reflexionsgrad ergänzen sich zu 1. I(λ,T ) re al ε ( λ,t ) = I(λ,T ) schw arz 0 W ellenlänge Unterschiede zwischen VIS und IR Im Sichtbaren: Struktur wegen Transparenz der Folie nicht erkennbar Im Infraroten: Folie erhöht Emissionsgrad (erscheint wärmer) 5

6 Überblick Grundlagen Infrarot-Bildaufnahme IR-Matrixdetektoren: Aufbau und Funktionsweise Detektionsprinzip: Quantendetektor <-> Thermometer Detektormaterialien: Wirkungsgrad, spektrale Empfindlichkeit Detektor-Design: Architektur, Signalkonzept Detektor-Betriebstemperatur: Kühlung, Stabilisierung nahe RT IR-Matrixdetektoren: Kennwerte Vergleich Bildaufnahme-Konzepte Einzeldetektor & Scanner Detektormatrix (FPA) Große Anzahl individueller Detektoren (Pixel) Zeitgleiche Belichtung aller Pixel Keine mechanisch bewegten Teile Hohe Bildwiederholraten Aber: Individuelle Kennlinie jedes einzelnen Pixel Inhomogenitätskorrektur (NUC) erforderlich 6

7 Focal Plane Array (FPA) IR-Detektoren Gleichzeitige Belichtung aller Einzeldetektoren (Pixel) einer Detektor-Matrix in der Brennebene Materialien Quanten-Detektoren: PtSi, InSb, HgCdTe (CMT/MCT), GaAs/AlGaAs, InGaAs Materialien Bolometer-Detektoren: VO x, Ti, a-si Exotische Materialien erfordern komplexe Herstellungsverfahren. Quantendetektoren und Thermometer IR-Photonen Signal Photovoltaischer Quantendetektor IR-Photonen Erwärmung Widerstands-Bolometer Widerstands -änderung Widerstands messung Signal Wärmeableitung 7

8 Multi-Quantum-Well-Detektoren (QWIP) GaAs/AlGaAs Mäßige Quanteneffizienz (derzeit bis ca. 10%). GaAs-Technologie. Epitaxie großer Flächen möglich. Für LWIR und MWIR verfügbar. NETD-Weltmeister! Schottkybarrierendetektoren PtSi/p-Si-Schottkydioden HR-TEM-Aufnahme: Auflösung der Si-Kristallebenen Nano-Technologie : 2 nm PtSi-Film auf Silizium. Quanteneffizienz ca. 1%. CMOS-Technologie. Große Matrixformate. Für NIR und MWIR geeignet. Herausragende Homogenität und Langzeitstabilität. 8

9 Ungekühlte IR-Matrixdetektoren Widerstandsbolometer Thermische Isolation des Absorbers. Wärmeableitung über Substrat. Mikrosystemtechnik. Nur für LWIR geeignet. Bolometer: Thermisches Übersprechen T real T measured Wärmeaustausch der Pixel über Substrat Temperaturverteilungen erscheinen im Maximum zu niedrig und mit verwaschen Kanten System-immanenter Abbau der Temperaturgradienten durch Wärmeleitung bei Bolometer- FPAs unvermeidbar 9

10 Leistungsparameter von IR-Matrixdetektoren Funktionsprinzip Quantendetektion: Erzeugung freier Ladungsträger Bolometer: Temperaturmessung (Widerstandsänderung) Material Spektrale Empfindlichkeit Quanteneffizienz Design Pixel: Anzahl, Mittenabstand (pitch), Füllfaktor Belichtungsmodi: snapshot, rolling frame, TDI,... Zeitlicher Füllfaktor: integrate then read, integrate while read Thermische Relaxationszeit: Geometrie der Mikrostruktur Apertur: f/# Triggerbarkeit: master, slave, delay Detektorarchitektur Detektor-Chip Indium-Kugeln Auslese-Chip (switched MOSFET) Si Germaniumlinse λ = 3-5 µm Querschnitt durch PtSi-Quantendetektor Detektor-Chip und Silizium-Auslese-Chip sind mittels Indium- Kugeln-Matrix hybridisiert. Monolithische Konzepte derzeit ohne Bedeutung. SiO 2 p-si Al-Spiegel 2nm PtSi Antireflexschicht 10

11 Indium-Kugeln-Matrix (BGA) SEM-Aufnahme: Der Indium-Kugeln-Mittenabstand beträgt 24 µm. Bildaufnahme-Modi Rolling Frame Die einzelnen Pixel werden seriell belichtet. Die Auslesung eines Pixel erfolgt sequentiell während der Belichtung der anderen Pixel. -> Für feste Bildwiederholrate längste Integrationszeit. Snapshot Alle Pixel werden gleichzeitig belichtet. Die Auslesung aller Pixel erfolgt während der Blindzeit. Oder: Die Auslesung erfolgt während der Belichtung. -> Einfrieren schnell veränderlicher Szenen. 11

12 Zeitlicher Füllfaktor 15% Frame n Frame n % Verhältnis von Integrationszeit zu reziproker Bildwiederholfrequenz Kennlinie CMT-Matrixdetektor HgCdTe (MW) Nichtlineare Kennlinie der gesamten Detektormatrix. Abweichende Kennlinien der einzelnen Pixel. Korrektur der einzelnen Pixel-Kennlinien erforderlich. Lineare Approximation für kleine Temperaturbereiche. Korrektur höherer Ordnung für radiometrische Bestimmung der Absoluttemperatur. 12

13 Aufbau & Datentransfer-Konzept A/D-Konverter Detektor (FPA) Strahlungsschild Dewar Germaniumlinsen detector radiation shield dewar IR lens DSP Framegrabber VGA-Monitor linear Stirling cooler Linearer Stirlingkühler A/D-converter Computer Image processing Echtzeit-Korrektur durch DSP Echtzeit-Korrektur, -Steuerung, -Bildverarbeitung, -Auswertung, etc. durch PC Überblick Grundlagen Infrarot-Bildaufnahme IR-Matrixdetektoren: Aufbau und Funktionsweise IR-Matrixdetektoren: Kennwerte Bewertungskriterien Vergleich typischer Werte 13

14 Bewertungskriterium NETD Noise Equivalent Temperature Difference NETD Zeitliches Rauschen der Einzelpixel. Wird üblicherweise als Schwerpunktwert des Histogramms angegeben. Beispiel: NETD-Histogramm mit Schwerpunkt bei 49 mk (PtSi-Schottkybarrieren-Matrixdetektor mit 640 x 486 Pixel). Bewertungskriterium c Korrigierbarkeit c n Verhältnis zwischen räumlichem und zeitlichem Rauschen. Bewertung der Detektor-Inhomogenität nach Korrektur n-ter Ordnung. NETD Korrigierbarkeit c IR-Detektormatrix bei 30 C [mk] ohne Korrektur konstante Korrektur lineare Korrektur quadratische Korrektur PtSi ,5 mk 21,75 4,54 0,57 0,11 PtSi ,7 mk 24,36 9,63 0,60 0,19 InSb ,1 mk 47,23 20,34 0,59 0,34 HgCdTe (MW) 24,6 mk 79,6 33,17 0,59 0, HgCdTe (MW) 32,4 mk 107,27 49,02 0,69 0, HgCdTe (LW) 28,1 mk 60,57 21,35 3,02 0, QWIP ,9 mk 128,56 19,23 2,63 0,45 14

15 Beispiel: CMT MWIR Korrektur 5. Ordnung Gain & Offset - Korrektur Offset-Korrektur Unkorrigierte Rohdaten Bewertungskriterium MRTD Minimal Resolvable Temperature Difference MRTD log (MRTD) Subjektive Bewertung der Temperaturauflösung einer gesamten Wärmebildkette in Abhängigkeit von der Raumfrequenz der Szene. Raumfrequenz 15

16 Bewertungskriterium τ lts a ) PtSi Langzeitstabilität τ lts τ lts > 25 h Zeitlicher Verlauf der Korrigierbarkeit. Nach τ lts muss ein neuer Korrekturdatensatz bestimmt werden. PtSi PtSi InSb HgCdTe (MW) HgCdTe HgCdTe (MW) (LW) QWIP (LW) > 25 h > 25 h 1 h 20 h 19 h 5 min > 4,5 h IR- Detektormatrix Stabiltätszeit τlts Bewertungskriterium Tote Pixel Anteil Toter Pixel Auch Verteilung (Cluster!) toter Pixel muss beachtete werden. Beispiel: PtSi 640 x 486 mit 8 einzelnen toten Pixel! 16

17 Typische Leistungsdaten CMT InSb SL QWIP QWIP hqe PtSi Ungekühlt Detektor-Material HgCdTe InSb GaInSb/InAs GaAs/AlGaAs PtSi/Si VOX, a-si, Ti... Wellenlängenbereich SW, MW, LW SW, MW MW, Dual Color MW, LW, Dual Band SW, MW LW (MW) Quanteneffizienz bis 80 % bis 70 % bis 40 % ca. 10 % bis 40 % ca. 1 % - Kommerziell verfügbare, maximale Bildformate: 640 x 512 (1280 x 1024) 640 x 512 (1024 x 1024) 384 x x x x 480 Pixel-Pitch µm µm 40 µm µm µm µm NETD (300 K): 10 mk 20 mk 15 mk 10 mk 30 mk 60 mk 70 mk Integrationszeiten für optimale NETD (300 K): MW: 1 ms LW: 300 µs 1 ms 5 ms 20 ms 1 ms 33 ms 33 ms Korrigierbarkeit (linear/quadratisch) MW: 0,7/0,3 LW: 3,0/0,7 0,7/0,3? 2,6/0,5 0,6/0,2 -/- Langzeitstabilität MW: 20 h LW: 5 min 1 h? 5 h > 24 h 2 min Thank you Thank you Thank you Thermosensorik GmbH Am Weichselgarten Erlangen Germany Phone Thank you 17