W literaturze rozważany jest problem starzenia się detektorów fotonowych [1.18]. Producenci zastrzegają, że technologia półprzewodników zrobiła w ostatnim okresie tak duże postępy, że problem degradacji chemicznej półprzewodników jest do pominięcia w czasie „życia” kamery termowizyjnej. Wynika to z warstw ochronnych naniesionych na detektor, które chronią go przed degradacją. Należy jednak zwrócić uwagę, że detektor MCT jest mieszaniną (stopem) dwóch związków i jako taki jest mniej stabilny chemicznie w porównaniu z czystym związkiem chemicznym. Ponadto należy zauważyć, że chłodzony detektor fotonowy, w czasie eksploatacji kamery podlega dużym i gwałtownym zmianom wartości temperatury. Pracuje w temperaturze 77 K, a po wyłączeniu kamery jest przechowywany w temperaturze ok. 300 K. Powyżej wartości temperatury detektora 800 K następuje szybka degradacja chemiczna struktury [1.18].
Zaletą detektorów MCT jest ich duża prędkość działania. Wynika to z dużej ruchliwości elektronów i krótkiego czasu życia optycznie i termicznie wzbudzonych nośników, który wynosi ok. τ = 1 μs [1.17, 1.24]. W praktyce przekłada się to na działanie kamery termowizyjnej z prędkością generacji ramek rzędu dziesiątek kiloherców. Podobne właściwości, odnośnie do prędkości działania, charakteryzują kamery z detektorami z antymonku indu InSb.
Niewątpliwą zaletą detektorów MCT jest możliwość kształtowania widma absorpcji od zakresu SWIR, poprzez MWIR, aż do pasma LWIR. Dzięki temu można konstruować detektory wielobarwowe, w szczególności dwubarwowe. Schemat przykładowego detektora dwubarwowego MCT przedstawiono na rys. 1.49 [1.17].
Rys. 1.49. Przykładowa struktura detektora dwubarwowego MCT i jego charakterystyki absorpcji [1.17, 1.24]
Detektory QWIP
Obecnie są również oferowane chłodzone kamery fotonowe z detektorami QWIP (ang. Quantum Well Infrared Photodetector). Zasada działania detektorów QWIP wynika wprost z fizyki kwantowej półprzewodnikowych struktur wielowarstwowych. W wyniku nałożenia na siebie naprzemiennie wielu warstw półprzewodników o innej szerokości przerwy energetycznej, powstają studnie kwantowe (ang. Quantum Well). W studniach kwantowych o wymiarach nanometrycznych powstają poziomy energetyczne, dla których różnica energii odpowiada promieniowaniu podczerwonemu w zakresie MWIR i LWIR [1.23, 1.24, 1.33]. Rozkład poziomów energetycznych zależy od szerokości warstwy o węższej przerwie Lw – rys. 1.50. Detektory QWIP są stosowane do budowy zarówno jednobarwowych, jak i wielobarwowych matryc dla zakresu podczerwieni. Przykład dwubarwowego sensora promieniowania podczerwonego przedstawiono na rys. 1.50 [1.33].
Rys. 1.50. Przykładowa struktura detektora dwubarwowego QWIP [1.33]
Detektory QWIP wymagają chłodzenia, czasem nawet poniżej 77 K. Niestety, charakteryzują się mniejszą wydajnością kwantową i mniejszym wzmocnieniem optycznym w porównaniu z detektorami wykonanymi z InSb i MCT. Wymagają rozproszonego promieniowania padającego na sensor. Jest to przyczyną mniejszej czułości, a to z kolei wymusza silniejsze chłodzenie i konieczność wydłużenia czasu integracji. W konsekwencji wydłużenia czasu integracji, detektory QWIP nie są elementami o dużej szybkości działania [1.23, 1.24, 1.33].
Detektory InGaAs
Ciekawym materiałem, z którego wykonuje się detektory i buduje kamery dla zakresu NIR i SWIR jest arsenek galowo-indowy, In1–xGaxAs (InGaAs). Podobnie jak MCT, InGaAs jest związkiem złożonym, składającym się z dwóch związków chemicznych (GaAs)x (Eg = 1,43 eV) oraz (InAs)1–x (Eg = 0,35 eV). Poprzez zmianę składu chemicznego można uzyskać detektory pracujące w zakresie 0,85÷3,6 μm [1.10, 1.14, 1.20, 1.31]. Popularny detektor wykonany z In0,53Ga0,47As w temperaturze 295 K charakteryzuje się długością fali odcięcia λg = 1,68 μm. Ruchliwość elektronów w półprzewodniku InGaAs jest bardzo duża (1,05 m2 · V–1 · s–1), co powoduje, że przyrządy półprzewodnikowe wykonane z tego materiału są bardzo szybkie i mają niewielką rezystancję elektryczną. Podobnie jak dla elementów wykonanych z MCT, przerwa energetyczna (w eV) zależy od składu chemicznego x, wg poniższego modelu [1.31]:
Zmianę energii pasma zabronionego w półprzewodniku InGaAs oraz długości fali odcięcia λg, w zależności od składu chemicznego x, przedstawiają rys. 1.51 i 1.52.
Rys. 1.51. Zależność szerokości przerwy energetycznej Eg od składu chemicznego półprzewodnika InGaAs
Rys. 1.52. Zależność długości fali odcięcia charakterystyki absorpcji λg od składu chemicznego półprzewodnika InGaAs
Wpływ temperatury na szerokość przerwy energetycznej i długość fali odcięcia można oszacować z modelu Varshniego – wg równania:
gdzie dla In0,53Ga0,47As, Eg0 = 0,808 eV, α = 4,82 · 10–4 eV/K, β = 430,05 K.
Zmiana długości fali odcięcia λg rośnie wraz z temperaturą, co przedstawia rys. 1.53.
Rys. 1.53. Wpływ temperatury na długofalową granicę widma λg półprzewodnika In0,53Ga0,47As
W półprzewodnikach złożonych stosowanych w detektorach QWIP, a takimi są półprzewodniki Hg1–xCdxTe, In1–xGaxAs oraz AlxGa1-xAs, wpływ temperatury na charakterystyki widmowe absorpcji jest znacznie większy w porównaniu z półprzewodnikami będącymi związkami chemicznymi typu InSb. Efektem tego wpływu są zmiany sygnału detektora, co może objawiać się zmianą obrazu kamery termowizyjnej i w konsekwencji może prowadzić do błędnych pomiarów. Konstrukcja i procedury kalibracyjne kamer z detektorami z półprzewodnikami mieszanymi są bardziej złożone. Problem ten jest szczególnie istotny w systemach pomiarowych, które pracują w temperaturze pokojowej lub do niej zbliżonej.
Kąt pola widzenia detektora i kamery termowizyjnej
Ważnym parametrem kamery termowizyjnej jest kąt pola widzenia – FOV (ang. Field of View), rys. 1.54 [1.33]. Mówi się o kącie pola widzenia kamery i kącie pola widzenia pojedynczego detektora IFOV (ang. Instantaneous Field of View).
Rys. 1.54. Kąt widzenia pojedynczego detektora IFOV
W typowej sytuacji pomiarowej, detektor kamery jest umieszczony bardzo blisko ogniska F. Wówczas IFOV w mierze łukowej (radianach – rad) można przedstawić równaniem: