prezentată ca cerin ță parțială pentru ob ținerea titlului d e Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul… [627391]
1
Universitatea “Politehnica” din Bucure ști
Facultatea de Electronică, Telecomunica ții și Tehnologia Informa ției
PROIECTAREA ȘI EVALUAREA
SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE
Lucrare de disertație
prezentată ca cerin ță parțială pentru ob ținerea titlului d e
Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații
programul de studii de masterat postuniversitar Optoelectronică
Conducător științific Absolvent: [anonimizat]. Univ. Dr. Ing. Paul ȘCHIOPU
Conf. Dr. Ing. Marian VLĂDESCU Ing. Robert RANETE
2019
2
Copyright © 2019 ,
Robert RANETE / INNOVATIVE ENGINEERING SOLUTIONS SRL (Ilfov, Rom ânia)
Toate drepturile rezervate
Autorul acord ă UPB dreptul de a reproduce și de a distribui public copii pe hârtie sau
electronice ale acestei lucr ări, în form ă integral ă sau par țială.
3
CUPRINS
1. INTRODUCERE ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
2. ELEMENTE GENERALE DE FIZICA RADIAȚIEI TER MICE 14
2.1. Domenii spectrale specifice radia ției termice 14
2.2. Ipoteza cuantică a lui Planck 15
2.3. Efectele fotoelectric, fotovoltaic, fotoconductiv, piroelectric 16
2.3.1. Efectul fotoelectric 16
2.3.2. Efectul fotovoltaic 18
2.3.3. Efectul fotoconductiv 19
2.3.4. Efectul piroelectric 23
2.4. Surse de radiație termică 24
2.5. Legile radiației termice 24
2.6. Definirea corpului negru 26
2.7. Mărimi și unități de măsură pentru radiația energetică și fotometrică 29
2.7.1. Mărimi și unități de măsură radiometrice 29
2.7.2. Mărimi și unități de măsură fotometrice 30
3. STRUCTURA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE 37
3.1. Sistemul optic 38
3.1.1. Materiale optice 39
3.1.2. Obiective și teleobiective 42
3.1.3. Caracteristicile unui sistem optic 44
3.2. Detec toare de radiație termică 47
3.2.1. Clasificarea detectoarelor 47
3.2.2. Marimi caracteristice 50
3.2.3. Detectoare termice 53
3.2.4. Detectoare cuantice 55
3.3. Sisteme de răcire 63
3.4. Sisteme de prelucrare a semnalelor 67
4. CARACTERIZAREA SISTE MELOR DE TERMOVIZIUN E 77
4.1. Criterii de evaluare 78
4.1.1. Raspunsul spectral 78
4.1.2. Rezoluția termică 79
4.1.3. Rezolutia spatială 81
4.1.4. Rezolutia temporală 82
4.1.5. Alte marimi caracteristice 82
4.2. Verificarea sistemelor de termo viziune 83
4.2.1. Testarea 83
4.2.2. Etalonarea 85
4.3. Analiza și compararea performanțelor sistemelor de termoviziune 87
5. APLICAȚIE PRACTICĂ 98
6. CONCLUZII 99
4
Lista figurilor:
FIGURA DESCRIERE
1.1. Imagini de termoviziune si termografie – sursa: FLIR.
1.2. Camera de termoviziune – sursa: RHEINMETALL DEFENCE
Lista tabelelor:
TABELUL DESCRIERE
Lista acronimelor:
ACRONIM DESCRIERE
1/f Zgomot temporal de frecvență scăzută
ADC Convertor Analog Digital (analog digital converter)
ATF Funcția de transfer aperiodică
BIT Capacitate de autotestare (built in test capability)
BPR Înlocuire pixeli defecți (bad pixels replacement)
CT Camere termale
DAS Detectorul unghiular de substanță
EIFOV Câmp vizual efectiv instantaneu
EME Echipamente de măsurare și monitorizare
F.L.I.R. Supraveghere în infraro șu (Forward Looking InfraRed)
FOV Câmp vizual
FPA Suprafață plană foca lă
HFOV Câmp de observare orizontal
HgCdTe Telurură de cadmiu și mercur
IDDCA Ansamblu integrat de comandă și control
IFOV Câmp vizual instantaneu sau rezoluție geometrică
InGaAs Arseniură de indiu galiu
InSb Antimoniură de indiu
IR Domeniu spectral infraro șu
ISR Rezoluția spațială imaginată
ITR Mod de lucru al ROIC, integrează apoi cite ște (integrated then read)
IWR Mod de lucru al ROIC, integrează în timp ce cite ște (integrated while read)
LW Unde lungi
LWIR Domeniul sp ectral IR (8 -12 μm) (Long Wave Infrared)
MDTD Diferența minimă de temperatură detectabilă
MRC Contrast minim rezolvabil
MRTD Diferen ța de temperatur ă minim ă rezolvabilă (minimum resolvable temperature difference)
MSR Rezoluția spațială măsurată
MTBF Media timpului de func ționare între defec țiuni (mean time between failure)
MTDP Diferența minimă de temperatură percepută
MTF Funcția de transfer a modulației
MTTF Timpul mediu până la o defec țiune (mean time to failure)
MW Unde medii
5
MWIR Infraro șu de unde medii
NETD Diferența de temperatură echivalentă cu zgomotul
NFOV Câmp vizual îngust (narrow field of view)
NIR Infraro șu apropiat
NPSD Zgomot din densitatea spectrală de putere
NU Neuniformitatea (non -uniformity)
NUC Calibrarea pentru neuniformitate (non uniformity calibration)
OTF Funcția Optică de Transfer
PTF Funcția de Transfer a Fazei
PVF Factorul de vizibilitate a punctului
RH Umiditatea relativă
ROIC Circuit de citire
SDV Scule, dispozitiv e, verificatoare
SIF Factor de influență al scenei
SiTF Func ția de transfer a semnalului
SNR Raportul semnal zgomot
SRF Funcția de răspuns a fantei
SSR Rata dimensiunii punctului
SWIR Infraro șu de unde scurte
VIS Domeniul vizibil
VLW IR Infraro șu de unde foarte lungi
VPB Placă de procesare video (Video Processing Board)
WFOV Câmp de observare vertical
WLP Nivelul de acoperire al matricei
6
INTRODUCERE
va con ține motiva ția alegerii temei, gradul de noutate al temei (dac ă este cazul), obiectivele generale ale
proiectului, metodologia folosit ă, și va rezuma contribu ția studentului și rezultatele ob ținute;
7
1. TERMOVIZIUNE/TERMOGRAFIE, ASPECTE GENERALE
Termoviziunea si termografia sunt termeni asemanatori ce fac referire la o tehnica moderna, de
inalta performanta, ce permite vizualizarea si generarea in timp real a unor harti termice ("imagini
termice", termograme) ale sistemelor aflate sub observare sau investigatie. Este o tehnica prin care o
camera (sau scaner) detecteaza s i afiseaza o harta a intensitatii radiatiei pe un domeniu din spectrul
electromagnetic. Termenul „termoviziune” defineste imaginea obtinuta de camera termica si se
utilizeaza in special in aplicatiile militare sau de supraveghere civila, in timp ce „termog rafia” implica si
masurarea de temperatura, in aplicatii industriale sau stiintifice.
Termoviziunea si termografia sunt metod e de a vizualiza obiectele din punctul de vedere al
radiatiei infrarosii (IR) emise de acestea si nu din cel al radiatiei vizi bile care poate fi detectata fara nici o
dificultate de ochiul uman. In situatia obisnuita omul poate vedea obiectele inconjuratoare datorita
luminii reflectate de acestea. Ochiul uman are capabilitatea de a vedea o portiune ingusta din spectrul
electromag netic, numita "vizibil". In absenta Soarelui, sursa principala de iluminare, nu exista lumina
care sa fie reflectata si majoritatea mamiferelor sunt practic in imposibilitatea de a vedea ceva (unele
specii de serpi au capacitatea de a vedea in infrarosu).
Termoviziunea se bazează pe un principiu pasiv, folosind contrastul termic (diferența de
intensitate a radiațiilor termice emise) al țintei, față de mediul înconjurător. Acest contrast este
independent de intensitatea luminoasă existentă, astfel că țintel e pot fi detectate și pe timp de noapte,
radiația termică propagându -se mult mai bine decât radiația luminoasă în condiții de ceață, pâclă,
burniță sau fum.
Spre deosebire de semnalul furnizat de o camera video in spectrul vizibil, semnal format pe
baza d iscretizării în timp și spațiu a distribuției de energie luminoasă a obiectelor, în termoviziune se
prelucrează distribuția de energie radiantă termică a corpurilor.
Regiunile de interes pentru termoviziune sunt cele care cuprind lungimi de undă situate între 3
÷ 5 µm respectiv între 8 ÷ 12 µm, regiuni în care absorbția este minimă și care permit detecția și
observarea și fac posibilă măsurarea, în domeniul lor spectral, a diferențelor de temperatură dintre
obiecte și mediul ambiant, sau între diferitele puncte ale aceluiași obiect.
Deoarece radiația termică a solidelor, la temperatura normală a mediului (27°C) este maximă în
domeniul spectral având λ = 10 µm și deoarece tot în acest domeniu, diferența de radiație a corpurilor
în funcție de diferența lor de temperatură este optimă, domeniul de lucru în termoviziune se află în
zona spectrală cu λ = 10 µm.
Ochiul uman nu are abilitatea de a vedea restul spectrului electromagnetic, deci nici zona de
spectru ce cuprinde radiatia IR. Cu toate acestea, de foar te mult timp se cunoaste ca orice corp cu
temperatura m ai mare de 0K ( -273,15°C) emite radiatie electromagnetica , predominant in domeniul
spectral infrarosu . Aceasta radiatie contine informatii atat despre caracteristicile corpului respectiv, cat si
despre istoria lui recenta. Intensitatea acestei radiatii variaza in functie de temperatura corpului si de
capacitatea acestuia de a emite energie. Aparatul de termografie in infrarosu masoara aceasta energie
folosind traductoare specializate si printr -un algori tm de calcul adecvat determina temperaturile
corespunzatoare din imagine. Substante pe care le consideram reci si foarte reci, azotul lichid, gheata si
zapada emit si ele in radiatie in spectrul infrarosu. Intensitatea acestei radiatii variaza in functie d e
temperatura obiectului si de capacitat ea acestuia de a emite energie.
Sursa primara a radiatiei IR este caldura corpurilor. Energia IR este generata de vibratia si
rotatia atomilor si moleculelor din orice sistem biologic sau tehnic. Legile pe care se b azeaza
termoviziunea / termografia sunt Legea lui Planck, care a introdus ipoteza cuantelor de energie si a
stabilit pentru densitatea spectrala a emitantei unui corp o formula care a verificat datele experimentale
in toata gama de frecvente, Legea Stefan – Boltzmann, care a stabilit legatura dintre emitanta energetica
integrala a corpului si temperatura lui absoluta si Legea deplasarii Wien, care a stabilit legatura dintre
temperatura corpului si lungimea de unda a maximului densitatii spectrale a emitantei . Nu trebuie omisa
contributia exceptionala a lui Einstein – asocierea cuantelor cu particule, numite fotoni, care se
deplaseaza cu viteza luminii.
8
Fundamentul fizico -matematic fiind stabilit, utilitatea practica in domeniul de fata a fost faptul
ca prin masuratori ale radiatiei infrarosii emise de un obiect se poate estima cu o excelenta precizie
temperatura sa. Cu cat temperatura obiectului este mare, cu atat radiatia infrarosie produsa este mai
intensa. Corpul uman, la temperatura sa normala, radiaza i n domeniul infrarosu in jurul lungimii de
unda de 10 µm.
Necesitatea generarii de harti si imagini termice care sa poata fi interpretate in diverse domenii
ale stiintei sau vietii cotidiene a condus la cresterea interesului unor firme in dezvoltarea de ech ipamente
speciale care sa extinda campul vizual uman si in domeniul radiatiei infrarosii. Astfel, gratie noilor
tehnologii, au fost fabricate camere de termoviziune si termografie care permit vizualizarea energiei IR
radiate, transmise si reflectate de sis temele biologice sau tehnice, rezultatul final fiind vizualizarea
temperaturii (temperaturilor) la nivelul obiectului masurat. Un exemplu elocvent este prezentat in figura
1.1, figura in care, gratie termoviziunii in infrarosu poate fi vizualizat nivelul u nui lichid fierbinte prin
peretele opac al recipientului iar in imaginea din dreapta, cu ajutorul unei camere de termografie se
poate masura de la distanta temperatura unui obiect.
Fig. 1.1. Imagini de termoviziune si termografie – sursa: FLIR .
Pentru realizarea activitatii de scanare termica se utilizeaza echipamente specializate numite
camere de termoviziune/ termografie, asemanatoare ca dimensiuni si aspect cu binecunoscutele camere
video din viata cotidiana. Prin studierea imaginilor generate d e aceste echipamente , un specialist poate
intelege mai bine sistemul analizat si poate oferi solutii de rezolvare a problemelor existente.
Terminologie
Asadar, termografia in infrarosu este o tehnica de vizualizare a distributiei temperaturilor la
supra fata corpurilor si de masurare a valorilor acestor temperaturi in orice punct al imaginii.
Termenul termoviziune defineste imaginea obtinuta de camera termica si se utilizeaza in
special in aplicatiile militare sau de supraveghere civila, in timp ce termo grafia implica si masurarea de
temperatura, in aplicatii industriale sau stiintifice.
Observatie: O camera in infrarosu nu masoara temperatura. Ea masoara temperatura aparenta
(cantitatea de radiatie). Masurarea temperaturii reale necesita compensarea tem peraturii aparente prin
ajustarea emitantei, temperaturii reflectate, factorilor de influenta atmosferici etc. Acest lucru se face in
exclusivitate de catre operator si necunoasterea in profunzime a modului in care parametrii mentionati
anteriori pot influ enta valoarea temperaturii are drept rezultat erori de masura foarte mari.
In domeniul metodelor termice de examinare se folosesc mai multe notiuni, unele de fizica
elementara, altele specifice. Principalele notiuni vehiculate in acest domeniu sunt urma toarele:
9
– Examinare termografica – observare, masurare si interpretare a caracteristicilor unei sceme
termice cu ajutorul unui ansamblu de aparate si instrumente denumite sistem de termografiere.
– Sistem de termografiere – ansamblu de aparate care permit e receptionarea si prelucrarea
unei imagini termice.
– Termograma –rezultat al transcrierii in temperatura a uneia sau mai multor harti de
luminanta; imaginea codificata a unei scene termice.
– Scena termica – parte de spatiului – obiect care se observa cu o aparatura de termografie in
infrarosu.
– Imagine termica – repartitia structurata, codificata adeseori prin culori sau nuante de gri, a
datelor reprezentativeale radiatiei infrarosii care provin de la o scena termica.
Scurt istoric al echipamentelor de termo viziune
Limitarile tehnice si tehnologice nu au permis in trecut realizarea de aparate destinate evaluarii
performante si prezentarii in timp real a unor harti termice care sa redea fidel starea termica a sistemelor
tehnice sau biologice. La capatu l unor indelungate cercetari fundamentale si aplicative, specialisti din
laboratoare si companii din domeniul tehnologiilor inalte au reusit rezolvarea numeroaselor probleme
tehnice legate de sistemul optic, senzorul infrarosu, sistemul de racire (pentru a fi asigurata o
temperatura de referinta cat mai joasa), etc.
Primul echipament de termoviziune operațional poate fi considerat, deși în sens restrâns, acela
creat în timpul primului război mondial, în scopul detectării de la distanță a inamicului. Desigur, foarte
simplist în acea vreme, acest echipament, dotat cu de tectori piroelectrici, era capabil să detecteze
existenta unui avion aflat la 1,5 km depărtare sau a unui om la 300 m, dar nu avea posibilitatea
recunoașterii țintei de interes. În construcția lui intră un obiectiv și un detector. Prin introducerea unui
dispozitiv de baleiere mecanica, în anii 1940 s -a obținut o noua generație de echipamente de
termoviziune, numite termografe. Datorită constantei de timp foarte mici a detectorilor utilizați, ele nu
puteau însă să asigure o imagine dinamică( în timp real), c i una statică și care, de regulă, era înregistrată
pe o peliculă fotografică.
A urmat apoi, până în anii 1950, o susținuta căutare de noi tipuri de detectori, care să aibă o
constanta de timp cât mai mare, rezultatul fiind obținerea detectorilor fotovolta ici InSb și GeHg; cu
acești detectori s -a trecut la o nouă faza de dezvoltare a echipamentelor de termoviziune, în care
imaginea obținută putea reda mișcarea obiectului vizat. Noul tip de imagine a fost numit " în timp real".
Anii 1960 au adus realizarea d iasporametrului, echipament de termoviziune în care dispozitivul de
baleiaj era alcătuit din două prisme optice aflate în mișcare de rotatie pe o axă comună, care asigura
analiza punct cu punct a imaginii prin baleiere în spirală. Ca detector se utiliza I nSb, a cărui constantă
de timp era mult mai ridicată. Acest diasporametru avea, ca performante: câmp vizual de 50 , rezoluție
geometrica de 1 mrad, rezoluție termica de 10 K.
Introducerea ulterioara a noi tipuri de detectori performanți, cât și a unui di spozitiv de baleiaj
cartezian (renunțându -se la cel in spirala) a mărit considerabil performanțele echipamentelor de
termoviziune, astfel că, până in 1974, cele câteva sute de astfel de echipamente executate deja au avut
un succes considerabil. S -a trecut apoi la realizarea de matrici liniare de detectori ( ceea ce a dus la
utilizarea baleierii numai pe o singura direcție, cunoscuta sub denumirea de baleiere în paralel) și la
matrici dreptunghiulare de detectori; consecința ultimilor este renunțarea completă la dispozitivele de
baleiere; cu toate acestea, unele avantaje ale echipamentelor de termoviziune cu baleiere pe doua direcții
reciproc perpendiculare( baleiere în serie), dintre care unele nu sunt atinse de echipamentele de
termoviziune cu baleiere în pa ralel sau cu matrici de detectori se menține în actualitate și în competiție
cu acestea( ca de exemplu tehnologii mai simple, claritate mai mare a imaginii).
Camerele de termoviziune sunt realizate într -o tehnologie modulară, bazele fizice rămânând
întotdeauna la fel, variabilă fiind doar proiectarea carcasei și a opticii din față care permite obținerea
unui câmp larg de vedere depinzând de aplicația dorită.
10
Standardizarea modulelor permite ca acestea să poată fi folosite în aplicații diverse pentru a
alcătui sisteme de detecție și supraveghere in infraroșu. Aceasta permite soluții eficiente, specifice și mai
ales economice pentru diverse aplicații.
Generația I de sisteme în IR sunt în funcțiune în mod curent; ele se folosesc însă în game
limitate; a u performanțe scăzute în condiții de umiditate ridicată, iar scanarea mecanică are o fiabilitate
scăzută.
Generația a III-a de sisteme în IR au o rezoluție foarte ridicată și o imagine de calitate atât ziua
cât și noaptea; au fiabilitate ridicată. Avantaj ele sistemelor de mare rezoluție sunt:
asigură o imagine excelentă atât ziua cât și noaptea;
radiația naturală a unei surse calde (cum ar fi o persoană sau un vehicul) poate fi doar temporar
mascată, întrebuințându -se anumite artificii pentru a nu fi obser vată. După un anumit interval de
timp însă, căldura emisă va încălzi aerul înconjurător și va impresiona detectorul furnizând o
imagine perfectă a obiectului.
a.
b.
c.
Fig. 1.2. Camera de termoviziune – sursa: RHEINMETALL DEFENCE
a. modul camera de termoviziune avand detector cu racire (generatia a III -a);
b. sistemul optoelectronic in care este integrat modul camera de termoviziune;
c. performantele de detectie, recunoastere si identificareale camerei de termoviziune.
Tehnologia a evolutat foar te mult in cei peste 50 de ani ce au trecut de la realizarea primei
camere de termoviziune de catre firma suedeza AGEMA (acum FLIR Systems). Pana la sfarsitul anilor
’80 convertorul radiatie – semnal electric era format dintr -un singur detector iar imagine a se forma
printr -un sistem complex de scanare optomecanic pe linii/coloane. Racirea detectorului se realiza la
inceput cu azot lichid si mai tarziu prin sistemul de racire cu ciclu Stirling. Aceasta tehnologie asigura o
repetabilitate foarte buna a masura torilor si o referinta stabila. Din pacate dimensiunile echipamentelor
11
si timpul de obtinere a unei imagini erau foarte mari. Urmatorul pas tehnologic a fost facut prin lansarea
detectorului de tip arie de senzori (FPA) si racirea termoelectrica.
Detec toarele FPA sunt de doua tipuri :
– termice (microbolometru, feroelectric, piroelectric) – ieftine, cu racire termoelectrica sau chiar
fara racire, lente (max. 100Hz), sensibilitate termica medie.
– fotonice (InSb, QWIP, HgCdTe etc.) – scumpe, necesita racire la o temperatura foarte joasa
(aprox. 77K), rapide (pot ajunge la peste 50KHz), sensibilitate termica excelenta (< 0,020°C) .
Functie de aplicatie se pot alege diferite solutii tehnologice, fiecare element (spectru, tip
detector, obiectiv, filtre speciale etc.) avand o influenta major a asupra rezultatelor obtinute.
Aplicatii
Termo viziunea in infrarosu permite , spre deosebire de spectrul vizibil, observarea si
supravegherea zonelor de interes in conditii de iluminare scazuta sau conditii atmosferice nefav orabile.
In ceea ce priveste domeniul apărare -securitate , s-a renunțat treptat la sistemele de vedere pe timp de
noapte cu intensificatori de imagine în favoarea celor cu termoviziune, care au posibilitatea de vedere și
ochire la distanțe mult mai mari, în condiții de întuneric total, prin ceaț ă, fum, praf și totodată nu pot fi
orbite de razele laser.
Spre deosebire de sistemele bazate pe tehnica intensificării optoelectronice a imaginii, sistemele
care au la bază imaginea termică nu mai sunt dependente de lumina reziduală nocturnă, redusă une ori la
radiația stelară. Ele utilizează contrastul termic pe care îl prezintă obiectele supuse observării (ținte) în
raport cu mediul în care se află (fond), cand au o temperatură sau o emisivitate ce diferă de cea a
mediului în cauză.
Obiectele importan te din punct de vedere militar, cum ar fi avioanele în aer sau tancurile pe sol,
posedă un foarte bun contrast termic față de mediul lor ambiental (aer, respectiv Pământ). Teoretic,
domeniul spectral de emisie este infinit, practic însă, datorită fenomenel or puternice de absorbție din
mediul atmosferic, domeniul util este cuprins între 0,75 și 20 µm. Când temperatura obiectului crește,
spectrul de radiații pe care îl emite se extinde spre lungimi de undă mai scurte, care -l fac vizibil cu
ochiul liber, dacă obiectul devine incandescent. Dar și la temperaturi mai scăzute decât temperatura de
incandescență, deci în porțiunea invizibilă a spectrului de radiații emis, existența obiectului în cauză
poate fi evidențiată, prin detectarea diferenței de intensitate te rmică dintre obiect și fundal, cu un
instrument special construit în acest scop.
Camerele de termoviziune se pot utiliza pentru:
observare/supraveghere – utilizate pentru supravegherera campului tactic pe baza contrastului
termic ; cu ajutorul camerelor te rmografice se po ate supraveghea campului tactic sau al zonelor
critice (zona de frontiera, infrastructuri industriale, porturi si aeroporturi, etc.) ;
urmarierea tintelor in miscare – utilizate in componenta sistemelor (echipamente militare) de
urmarire a tintelor in miscare – sisteme de armament, sisteme pentru controlul si evaluarea
tragerilor cu rachete , etc.
avertizare – utilizate in componenta sistemelor de avertizare si protectie a vehiculelor terestre,
navelor si aparatelor de zbor militare; acestea furnizeaza informatii din proximitatea sistemului
cu prvire la eventuale pericole/amenintari in vederea lansarii unor contramasuri.
astronimie, imagistica hiperspectrala – au scopul de a prezenta semnăturile spectrale și / sau
compozi ția chimic ă a tuturor caracteristicilor în câmpul vizua l. Imaginile hiperspectrale con țin
atât informa ții spa țiale, c ât și spectrale ale obiectelor dintr -o anumit ă scenă si se obtin prin
combinarea imaginilor obtinute de la mai multe camere sensibile in spectre diferite (de exe mplu
Vizibil + SWIR + MWIR + LWIR).
interventii in situatii de urgenta – utilizate mai ales de catre echipele de pompieri atat pentru
cautare a si salvare a persoanelor disparute, interventiilor in locuri cu vizibilitate scazuta datorita
fumului, cat si pent ru detectia si monitorizarea focarelor de incendii de paduri de la distanta.
12
sisteme nigh -vision pentru vehicule – sunt o componenta importanta a ADAS (Advanced
Driver A ssistance Systems – sisteme tehnologice avansate de siguranță activă în timpul
conducerii), destinate cresterii sigurantei la volan in conditii de vizibilitate scazute.
Echipamentele de termoviziune auto sunt special proiectate pentru a rezista in conditii de
exploatare foart e dificile (gama extinsa de temperatura de operare, p rotectie la socuri si vibratii ,
complet etanse la apa si praf ) si se pot monta pe orice tip de autovehicul.
Termografia in infrarosu permite masurarea temperaturilor de la distanta si fara contact
direct, ceea ce este indispensabil, de exemplu, în cazul echipamentelor electrice aflate sub tensiune sau
in cel al pieselor sau materialelor la temperatura ridicata sau inaccesibile.
Termografia in infrarosu este o metoda de investigare nedistructiva, pentr u ca nu intervine si
nu influenteaza in nici un fel materialul, o biectul sau procesul investigat; e ste o tehnica de masura
ultrasensibila, putand evidentia variatiile de temperatura de zecimi de grad, atat spatial (de la un punct
la altul in imagine), cat si temporal (regimuri tranzitorii ce au loc in intervale de timp de ordinul
secundelor pâna la ore si zile).
Alte avantaje ale utilizarii termografiei in infrarosu ce merita a fi mentionate sunt:
o sistemul de termoviziune furnizeaza o imagine care permite o identificare rapida si preci sa a
punctelor ce reprezinta defectele potentiale;
o scanarea termica nu necesita realizarea contactului direct cu sistemul, echipamentul sau instalatia
aflate sub test;
o scanarea termica este non -invaziva, putand fi repetata ori de cate ori este nevoie;
o defectele, problemele de functionare si tendintele de defectare sunt detectate rapid, fara oprirea
din functionare si fara necesitatea transportului la un laborator specializat;
o permite analize in timp real inainte si dupa inte rventii la echipamente/instalatii de maxima
importanta, in vederea obtinerii de informatii utile pentru investigarea evolutiei in timp a
acestora;
o echipamentul de masura nu emite radiatii daunatoare specialistului care face evaluarea sau
personalului insti tutiei aflat in apropiere;
o imaginea termica este in concordanta geometrica cu obiectul studiat;
o informatiile termice, globale sau de detaliu, sunt obtinute in timp real;
o scanarea se poate realiza si asupra unor obiecte aflate in miscare sau in locuri inac cesibile;
o permite evaluarea din punct de vedere termic a unor obiecte/ echipamente periculoase: produse
chimice, instalatii electrice aflate sub tensiune, corpuri fierbinti;
o permite asocierea cu echipamente complexe de inregistrare, stocare si prelucrare a utoma ta a
informatiilor.
Camere le de termo grafie se pot utiliza pentru:
inspectii electrice si mecanice – efectuarea lucrarilor de mentenanta la instalatiile electrice,
mecanice si termice; u tilizate pentru scanarea termica mai simpla, mai ef icienta si in deplina
siguranta, c u ajutorul camerelor termografice se pot:
o identifica rapid probleme de contact la instalatiile electrice ( suruburi nestranse, sertizarea
necorespunzatoare a cablurilor, aparitia stratului de oxid intre materialele ce realizeaza
conexiunea electrica, defecte interne ale cablurilor ),
o vizualiza traseele prin care circula agent termic pentru a vedea daca exista depuneri de
material pe interiorul acestora, scurgeri sau defecte la izolatia exterioara,
o verifica oalele de condens, pompele s i schimbatoarele de caldura,
o detecta probleme de functionare la rulmenti, lagare, motoare electrice sau termice etc.
scanarea termica a cladirilor si instalatiilor – utilizate pentru efectuarea lucrarilor d e inspectie
termica la cladiri si instalatiile aferente de distrubutie energie elctrica si termica, ve ntilatie si
distributie de gaze; cu ajutorul camerelor termografice se pot:
13
o detecta zonele cu defecte de izola ție termic ă (izola ție termic ă lipsă sau necorespunz ătoare,
defecte de executie),
o vizualiza traseele de incalzire ingropate in pardoseala,
o identifica locurile in care exista scurgeri de apa din tevile ingropate in pardoseala,
o detecta zonele cu probleme de e tanșeitate la u și sau ferestre,
o identifica locurile în care există acumulări de apă sub hidroizola ția de pe terase etc.
o vizualizarea scurgerilor de gaze.
aplicatii medicale – ste posibilă o monitorizare performantă a fenomenelor termice care au loc în
corpul uman. Imaginile termice obținute sunt hărți color ce permit, pe baza asocierii unor culori
sugestive, investigații amănunțite asupra pacientului. După obținere, termograma poate fi procesată
digital în vederea localizării exacte a punctelor de stres, f ocarelor de infecție sau bolilor. Domenii de
aplicabilitate
o Medicină generală și internă; Ortopedie; Oncologie; Reumatologie; Chirurgie (scanări
termice pre – și post -operatorii);
o Stomatologie;
o Medicină sportive, balneologie și medicină recuperatorie;
o Medic ină veterinară.
automatizari industriale (machine vision) – utilizat a pentru monitorizarea proceselor industriale ,
termografia ajuta la gestionarea informatii lor despre calitatea produselor si analiza eficienta a
productiei, informatii ce pot fi imposib il de colectat de catre camerele video in domeniul vizibil,
termocuple sau termometre fara contact, in infrarosu. Multe dintre problemele care apar in timpul
proceselor de fabricatie nu se pot vedea cu ochiul liber, variatii mici de temperatura pe suprafat a
unui produs fiind de multe ori critica, in special in industria auto sau electronica. Functionarea
instalatiilor in deplina siguranta este asigurata de cele mai multe ori de camerele termice.
contralul nedistructiv al materialelor – primul semn al unui defect sau al unei probleme de
functionare este dat deseori de o crestere a caldurii in zona respectiva, in consecinta de o crestere a
emisiei de radiatii infrarosii. In alte cazuri, scaderea nejustificata a temperaturii unor zone sau
elemente ale unui ech ipament poate fi un semn al unor fenomene negative la nivelul acestora. Dupa
generare, termograma este procesata digital in vederea localizarii exacte a punctelor de stres termic
si defectelor. Trebuie remarcat si faptul ca evaluarea unei termograme obtinu te in urma scanarii
unui aparat, sistem sau instalatii in timpul functionarii corecte poate oferi informatii extrem de
pretioase cu privire la harta termica normala ce va reprezenta referinta in evaluarea viitoarelor
scanari si remedierea la timp a unor po tentiale defectiuni.
14
2. ELEMENTE GENERALE DE FIZICA RADIAȚIEI TERMICE
2.1. Domenii spectrale specifice radiației termice
Radiația infraroșie se poate încadra în clasa largă a radiațiilor electromagnetice cu diferite
lungimi de undă.
Dacă fenomenul fizic de electromagnetism este an alizat ca ansamblu de valori fizice pe care le
poate lua în condiții determinate, spectrul acestora este ilustrat în figura 2.1.
După lungimea de undă, frecvență și energie, fenomenul poate fi tratat cu predilecție prin unul
din cele două modele: ondulato r sau cuantic.
Unde electromagnetice se pot produce în procesele în care intervin sarcini electrice accelerate
sau frânate. Vectorul intensitate a câmpului oscilează în planul definit de direcția de propagare, iar
vectorul accelerație oscilează în planul perpendicular pe vectorul de undă. Emisia și absorbția de radiație
electromagnetică rezultă în urm a tranzițiilor electronilor între nivelurile energetice de rotație și vibrație
(pentru domeniul UV și VIS) și în urma tranzițiilor moleculare între niveluri d e rotație și vibrație diferite
(pentru IR și microunde) ca în figura 2.1.
Conform regulilor mecanicii cuantice, nivelurile ocupate de electroni sau molecule sunt
caracterizate prin energii bine definite, salturile fiind permise numai prin absorbția sau em isia unor
cuante a ăror energie este proporțională cu frecvența radiației. Radiația electromagnetică luminoasă are
natură dublă, corpusculară și ondulatorie.
Conform primei concepții, lumina este de natură materială, ea se propagă de la sursă și ajunsă la
ochi, produce senzația vizuală. Cealaltă concepție este cea conform căreia lumina este un fenomen ce
decurge într -un anumit mediu numit eter. Astfel lumina nu mai este “ceva” ci reprezintă o stare a
“cuiva”. Prima conceptie a fost elaborată de Newton și r eprezintă modelul corpuscular al luminii.
Conform acestei concepții, lumina constă din mici particule emise de sursa de lumină. Cea de -a
doua conceptie reprezintă teoria ondulatorie a luminii, conform acestui model în univers există un
suport universal a l tuturor fenomenelor optice, care poartă denumirea de eter.
Fig. 2.1. Spectrul electromagnetic
15
Cei care au pus bazele acestei concepții sunt C. Huygens și R. Hoock. Din conceptia
ondulatorie existentă inițial s -a dezvoltat o nouă teorie pe baza căre ia Young, Fresnel, Fraunhofer și
Kirchhoff au analizat fenomenele de interferență și difracție.
După cum se poate observa și din fig. 2.1. radiația infraroșie este radiația electromagnetică al
cărei spectrul de lungimi de undă este format din valorile cup rinse în intervalul (0.8·103…105) nm.
Infrarosul ocupa o portiune larga in cadrul spectrului electromagnetic, de la 0,8µm (micrometri)
pana la 200µm, insa numai o mica parte este utilizabila de echipamentele de masurare si vizualizare IR.
Pentru termoviz iune (termografie) prezinta interes numai domeniul cuprins intre 0,8µm si 15µm.
Practic, functie de producator, sunt recunoscute 3 (sau 2) subdomenii:
Unde scurte (SW – ShortWaves) sau Apropiat infrarosu (NIR – NearInfrared) 0,8 … 1,5µm
Unde medii (MW – MidWaves) 2 … 5µm
Unde lungi (LW – LongWaves) 7 … 15µm
Responsabila pentru aceste delimitari pe subdomenii (numite si ferestre) este atmosfera. Evident
transmisia depinde de distanta intre obiectul scanat si camera in infrarosu, dar si de comp ozitia
atmosferei, dioxidul de carbon si vaporii de apa fiind cei mai importanti factori ce afecteaza radiatia.
2.2. Ipoteza cuantică a lui Planck
In anul 1900 Planck a reușit să stabilească o relație teoretică pentru densitatea spectrală de
energie ρ (ν, T) care era în perfectă concordanță cu datele experimentale. In stabilirea acestei relații
Planck a plecat de la id eea că energia medie ce revine unui oscilator nu este aceeași, așa cum rezultă din
statistica clasică, deoarece această energie trebuie să depindă de frecvența oscilatorului. In plus s -a mai
acceptat sub formă de postulat faptul că energia unui oscilator a rmonic liniar este un multiplu întreg al
unei energii elementare. Astfel
…2,1,0;0 n n En .
Pornind de la aceste observații , pe baza legilor fizicii statistice , se poate arăta că energia medie
a unui oscilator armonic liniar este:
1),(
00
kTeTv
. (1.1)
Astfel se obține pentru densitatea spectrală de energie forma:
18),(
00
32
kTecTv
. (1.2)
Pentru ca această relație să fie în acord cu datele experimentale care arătau că lim ρ (ν, T) = 0
pentru ν → ∞ este necesar ca ε0 să fie o funcție crescătoare de frecvență ε0 = ε0 (ν ). Prin postulatul lui
Planck se impune ca:
h0
, (1.3)
unde h este o constantă universală a cărei valoare se exprimă în unități derivate:
h = 6.6·10-34 J·s = 6.6·10-27 erg·s
Planck a i ntrodus un concept nou în fizică și anume acela de cuantificare a energiei unui
oscilator armonic liniar. Pornind de la faptul că ρ (ν, T) este o funcție de ν pentru un T dat și de la
teorema lui Rayleigh -Jeans trebuie să se renunțe la ideea fizicii clasic e conform căreia se consideră că
spectrul energetic al unui oscilator armonic liniar este continuu, și așa cum arată Planck, energia
oscilatorilor armonici liniari asociați unui câmp electromagnetic formează un șir discret de valori întregi
multiplii ai un ei cuante elementare de energie adică:
hn En
, (1.4)
cu care se obține relația lui Planck pentru densitatea spectrală de energie:
18),(32
kTh
eh
cT
. (1.5)
16
Pentru hν << kT se dezvoltă exponențial în serie de pute ri și reținând primii doi termeni se
obține:
kThekTh
1
. (1.6)
Astfel expresia energiei medie a unui oscilator ia forma:
kT T ),(
. (1.7)
Prin urmare relația lui Planck trece în relația lui Rayleigh -Jeans:
kT
cT328),(
. (1.8)
La temperatura mediului ambiant T = 300 K, kT = 1/40 eV relația este valabilă numai dacă ν
<< (1/40)/h = 30 s-1 .In situația în care hν >> kT se obține:
kTh
e h T
),(
, (1.9)
cu care relația l ui Planck trece în relația lui Wien:
kTh
e h
cT
328),(
. (1.10)
La câțiva ani dupa ce Planck a emis teoria cuantelor s-a făcut de către Einstein al doilea pas
important pe drumul dezvoltării teoriei cuantelor. S -a dezvoltat o nouă teorie conform căr eia nu numai
oscilatorii din pereții unei cavități au energie bine determinată ci și structura câmpului
electromagnetic din interiorul cavității prezintă această proprietate. Pe baza acestor teorii Einstein a
arătat că un câmp electromagnetic poate fi cons tituit din particule cu masa de repaus zero șî cu energia
hν. Particulele cu această proprietate sunt fotonii. Astfel un foton este definit ca o particulă asociată
unei radiații de frecvență ν, având masa de repaus nulă și viteza c iar energia egală cu hν .
2.3. Efectele fotoelectric, fotovoltaic, fotoconductiv, piroelectric
2.3.1. Efectul fotoelectric
Intr-o primă accepțiune prin efect fotoelectric se înțelege fenomenul de eliberare a
electronilor de către o substanță bombardată cu radiație electromagnetică de an umită frecvență.
În 1905, Einstein a prezentat o teorie calitativă a efectului fotoelectric extern . După cum este
cunoscut efectul fotoelectric extern a fost descoperit în 1888 de către Hertz care a observat că
producerea de scântei între două sfere de zi nc este mult ușurată dacă una dintre sfere este iradiată cu
lumină ultravioletă. Pentru studiul efectului fotoelectric extern s -a folosit montajul din figura 2.2.
17
Fig. 2.2. Montaj experimental pentru definirea efectului fotoelectric extern
Intr-un tub cu vid înaintat se găsesc doi electrozi, catodul C și anodul A , între care există o
diferență de potențial. Asupra catodului C se aplică un fascicul de radiații electromagnetice
monocromatice care produc eliberarea electronilor din catod și accelerarea lor spre anod. Se produce un
curent electric ce este înregsitrat la galvanometrul montat în circuit G. In absența iradierii catodului
curentul înregistrat de galvanometru este nul. Efectul produs se explică prin faptul că se emit electroni
de către catod sub acțiunea fluxului luminos (electronii din tub fiind accelerați de un câmp
electric produs de diferența de potențial dintre electrozi).
Se observă că între începutul iradierii catodului și emisia de fotoelectroni există o întârziere
foarte mică (sub 10-9 s) dar se poate considera că efectul este practic instantaneu .
Se constată de asemenea că fotoelectronii apar numai dacă frecvența fasciculului incident
depășește o anumită frecvență limită. Pentru un anumit flux luminos, intensitate a curentului de
fotoelectroni depinde de puritatea suprafeței iluminate, de natura acesteia precum și de tensiunea
aplicată între cei doi electrozi. Rezultatele experimentului au condus la următoarele concluzii, sintetizate
sub forma legilor efectului foto electric:
efectul fotoelectric este practic instantaneu și el apare numai dacă radiația incidentă are frecvența
mai mare decât o valoare dată, pentru fiecare material în parte;
numărul electronilor emiși în unitatea de timp de suprafața catodului este prop orțional cu
intensitatea radiației incidente;
energia fotoelectronilor nu depinde de intensitatea radiației incidente ci numai de frecvența ei și de
natura materialului catodului.
Incercarea de a explica efectul fotoelectric extern pe baza criteriilor cla sice ondulatorii nu este
posibilă. Astfel dacă se consideră lumina incidentă sub forma unei unde electromagnetice atunci aceasta
excită electronii din metalul catodului iar la rezonanță (când perioada de oscilație a electronilor este
egală cu perioada unde i) amplitudinea oscilației electronilor devine așa de mare încât aceștia părăsesc
metalul. Energia lor cinetică suplimentară ar proveni de la unda incidentă și astfel ar depinde de
intensitatea radiației incidente (aspect neconfirmat experimental). In plus , conform teoriei ondulatorii
efectul fotoelectric ar trebui să se producă pentru orice frecvență, cu singura condiție ca intensitatea
radiației incidente să fie suficient de mare pentru a se iniția fenomenul. Practic fenomenul fotoelectric
extern se produ ce pentru o anumită frecvența specifică fiecărui metal în parte. Totodată, conform
teoriei ondulatorii a luminii, ar trebui să treacă o perioadă de timp între aplicarea fluxului incident de
radiație și producerea fenomenului, lucru care nu se întâmplă.
Pe de altă parte efectul fotoelectric extern este simplu de explicat pe baza conceptului de cuante.
Astfel în situația în care lumina se consideră formată dintr -un fascicul de fotoni cu energia individuală
hν. Fotonul absorbit poate ceda energia sa electronu lui. Dacă această energie este suficientă pentru a
învinge forțele de legătură a electronilor liberi ai metalului atunci aceștia vor părăsi metalul. Deoarece
probabilitatea absorbției a doi fotoni de către un electron este mică înseamnă că fiecare electron
primește energie de la un singur foton și din acest motiv numărul electronilor emiși (al fotoelectronilor)
este direct proporțional cu intensitatea radiației incidente, fapt ce confirmă a doua lege a efectului
fotoelectric extern. Energia fotoelectronilor este dependentă numai de energia fotonilor deci se poate
explica și legea a treia a efectului fotoelectric extern.
Efectul fotoelectric intern apare în materiale semiconductoare cristaline și în materiale
dielectrice și constă în creșterea conductivităț ii electrice a substanței respective prin iluminare cu un
fascicul de radiație cu o anumită lungime de undă sau bandă foarte îngustă de lungimi de undă (fascicul
monocromatic). Fenomenul poate fi explicat prin creșterea numărului de purtători de sarcină (e lectroni
sau goluri) în urma iluminării.
Astfel dacă energia fotonului hν0 este mai mare decât energia de activare Wa (care reprezintă
diferența dintre cel mai coborât nivel al benzii de conducție și cel mai înalt nivel al benzii de valență)
atunci se pr oduce un efect de trecere a electronului din banda de valența în banda de conducție sau
altfel spus apare un curent electric. Frecvența limită ν0 la care se produce fenomenul se numește
frecvență de prag .
18
Conductivitatea electrică a unei substanțe este pr oporțională cu intensitatea luminoasă a radiației
monocromatrice. Absorbția puternică a luminii poate reduce conductivitatea unui semiconductor
deoarece are loc un fenomen de recombinare între electroni și goluri.
2.3.2. Efectul fotovoltaic
Pentru explicarea m ecanismului de producere a efectului fotovoltaic vom considera o
joncțiune pn în absența și respectiv în prezența unei radiații incidente. Benzile de energie ce
caracterizează această joncțiune sunt prezentate în figura. 2.3.
Fig. 2.3. Diagrama benzilo r energetice pentru joncțiunea pn
Fotonii incidenți care au o energie mai mare decât a benzii interzise produc tranziții din banda
de valență în banda de conducție și determină astfel formarea de perechi de purtători de sarcină de tip
electroni și goluri . Aceste perechi apar atât în zona joncțiunii cât și în afara ei în regiunile de tip “p” sau
“n”.
Purtătorii de sarcină care sunt creați în zona joncțiunii sunt accelerați de câmpul electric al
sarcinii spațiale producând un fotocurent prin joncțiune. La acest curent se mai adaugă o componentă
datorată purtătorilor minoritari din zonele materialelor de tip “n” sau “p” situate în apropierea
joncțiunii pentru o lărgime egală cu lungimea de difuzie.
Astfel sub influența radiației incidente , tranzițiile din zonele de tip “n” și “p” determină variații
însemnate ale densităților de purtători minoritari în vecinătatea joncțiunii, fără a fi afectate masiv
densitățile de purtători majoritari datorită concentrațiilor mari ale acestor purtători. Astfel purtătorii
minoritari vor difuza în zona joncțiuni, unde sub influența barierei de potențial a acesteia sunt pompați
în regiunea semiconductoare de tip opus, transformându -se în purtători majoritari. De asemenea
excesul de purtători minoritari în zona joncțiunii duce l a scăderea barierei de potențial a acesteia ca și
cum sarcina spațială ar fi neutralizată prin prezența purtătorilor minoritari. Această diferență de
potențial suplimentară la joncțiune, prin care regiunea de tip “p” devine pozitivă în raport cu regiunea
de tip “n”, poartă numele de tensiune fotovoltaică și poate fi pusă în evidență prin apariția unui
fotocurent în circuitul de sarcină. In diagrama benzilor energetice efectul fotovoltaic se manifestă
printr -o deplasare relativă a nivelelor Fermi în regiunil e semiconductoare
Dacă se face o analiză cantitativă a efectului fotovoltaic curentul prin fotodetector este de
tipul:
s
fvITKVeII
1 exp0
, (1.11)
19
unde I0 reprezintă curentul de saturație al fotodiodei, Ifvs este curentul fotovoltaic de scurtcircui t, V este
modificarea barierei de potențial prin efect fotovoltaic iar α este un factor ce ia în considerare abaterile
de la caracterul ideal.
La funcționarea în gol (I = 0) se obține pentru tensiunea fotovoltaică valoarea:
1 ln
00
II
eTk Vfv
fv
. (1.12)
Deci se observă o variație logaritmică a tensiunii fotovoltaice cu intensitatea radiației
luminoase de tipul celei prezentate în figura 2.4.
Fig. 2.4. Model geometric simplificat al detectorului fotovoltaic
2.3.3. Efectul fotoconductiv
Efectul fotocond uctiv constă în creșterea conductivității unui material sub acțiunea radiației
incidente care creează purtători de sarcină în volumul materialului astfel încât prezența unui câmp
electric determină o densitate de curent prin existență unor anumite concentr ații a purtătorilor de
sarcină aflați în exces care prezintă mobilitate.
Fotoconductivitatea este unul dintre cele mai utilizate efecte care stă la baza realizării de
elemente detectoare deși se obțin timpi de răspuns de valori mari (10-2…10-7) s. Creșt erea vitezei de
răspuns peste aceste limite este însoțită de scăderea câștigului (care reprezintănumărul de purtători
rezultați pentru fiecare foton absorbit).
Efectul fotoconductiv a fost observat la numeroase materiale care se află în stare cristalină sa u amorfă
dar ca materiale de bază, prin natura proprietăților pe care le prezintă, sunt materialele
semiconductoare. Sunt valabile în acest caz ambele categorii de materiale, și cele intrinseci, și cele
extrinseci.
La semiconductorii intrinseci efectul fo toconductiv se datorează apariției perechilor de
electron gol sub acțiunea fotonilor incidenți a căror energie trebuie să depășească energie benzii
interzise a semiconductorului. Se poate pune condiția:
iE h
, (1.13)
unde h·ν reprezintă energia de radiație iar Ei este energia benzii interzise.
20
Astfel se va obține practic o condiție referitoare la lungimea de undă și anume:
iEch0
. (1.14)
Altfel spus pentru lungimi de undă cu λ > λ0 nu apare efect fotoconductic intri nsec.
La semiconductorii extrinseci fotonii incidenți nu au suficientă energie pentru a produce
perechi electron gol astfel că fotoexcitarea se face prin intermediul centrilor de impurități care se găsesc
în materialul semiconductor. Astfel relația care d efinește lungimea de undă critică este:
iiEh0
, (1.15)
unde Eii reprezintă energia de ionizare a impurităților.
Se poate defini și pentru această categorie de fotodetectoare câștigul în curent care este
raportul dintre curentul de ieșire și curentul de fotoexcitare constatându -se o creștere însemnată a
câștigului în curent cu tensiunea de polarizare dar sub valori ale acesteia la care efectele de saturare și
străpungere rămân nesemnificative. Efectele de saturare ale fotoconductorului la câmpuri electrice
intense se explică prin scăderea importantă a timpului de tranzit sub valoarea timpului de viață astfel
încât purtătorii minoritari nu au timp să se recombine în interiorul fotoconductorului.
Obținerea unui răspuns în frecvență bun al di spozitivelor fotoconductoare necesită
micșorarea timpului de viață al purtătorilor iar obținerea unui câștig mare impune ca timpul de viață
să fie cât mai mare. Astfel un parametru al fotodetectorului care trebuie optimizat este produsul
amplificare bandă. Dacă la nivele scăzute ale intensității radiației incidente câștigul și timpul de viață al
purtătorilor de sarcină nu depind de nivelul de fotoexcitare se observă o scădere importantă a acestora
pentru intensități ridicate de radiație ceea ce determină mi cșorarea parametrilor de răspuns ai
fotodetectorului.
Pentru fotodetectorii realizați din același material semiconductor trebuie să se țină seama de
dispersia în limite largi a câștigului în curent, a timpului de răspuns, și a zgomotului ca urmare a
depen dentei puternice a acestor parametrii de gradul de dopare cu impurități. Tipurile de zgomot care
apar la această categorie de fotodetectori sunt de generare recombinare, termic, a amplificatorului post
detecție.
In figura 2.5 se prezintă parametrii energe tici pentru fotoconductoarele realizate din
semiconductori intrinseci și extrinseci.
Se poate vorbi despre două categorii de fotoconductoare și anume cele monocristaline și cele
policristaline. Aici se pot face diferențieri chiar dacă mecanismul general a l fotoconducției este același
(bazat pe migrația purtătorilor de sarcină din banda de valențăîn cea de conducție). S -a făcut, după cum
am mai arătat, diferențierea între un semiconductor intrinsec (la care structura este relativ pură ) și unul
extrinsec ( la care în structură distingem impurități). In primul caz putem vorbi practic de monocristal.
In tabelul 1.1 prezentăm câțiva parametrii ai acestei categorii de fotodetectori.
Fig. 2.5. Parametrii energetici la fotodetectori
Tabelul 2.1
21
Tipul Lungim e de
undă [μm] Temperatură
[K] Timp de
răspuns [s] Responsivitate
[V/W] Rezistența de
întuneric [Ω]
PbS 2.5 300 10-4 2 · 102 106
PbSe 3.4 300 2 · 10-6 – 2 · 106
InSb 6.8 – 10-6 1 20
GeAu 6 77 3 · 10-8 – 4 · 105
GeHg 11 27 10-8 – 3 · 104
GeCd 16 20 10-7 – 105
SiSb 21 4.2 10-7 – 7 · 106
GeZn 35 4.2 2 · 10-8 – 2.5 · 105
O relație importantă din punct de vedere energetic este aceea care definește numărul de fotoni
pe unitatea de timp și de suprafață care lovesc cristalul:
AchPQ1
, (1.16)
unde P reprezintă fluxul incident de radiație, λ este lungimea de undă a radiației, A este aria unui cristal
paralelipipedic.
Conductivitatea electrică a cristalului se definește cu reația:
) (p np ne
, (1.17)
unde e reprezintă sarcina electrică a electronului, n este concentrația de electroni, p este concentrația de
goluri, μn este coeficient de mobilitate al electronilor, μp este coeficient de mobilitate al golurilor.
Astfel se poate observa că practic, conductivitatea electri că a unui material cristalin de acest
tip este dependentă de concentrația electronilor , dar și de concentrația golurilor care apar în urma
migrației acestora. Mobilitățile care au fost deja exprimate sunt dependente de sarcina pozitivă + e.
Pentru un crist al neutru, adică pentru număr de electroni și de goluri egal, Poisson a arătat că:
ne
. (1.18)
Fie variația cantitativă a numărului de electroni Δn astfel încât lucrând cu ipoteze simplificatoare
se va obține o probabilitate η de e liberare a unui electron prin sosirea unui foton incident. Astfel vom
avea:
neRR
, (1.19)
unde R reprezintă rezistența electrică a semiconductorului, σ este conductivitatea electrică a
semiconductorului, e este sarcina electrică iar μ este mobilitatea.
Această relație este deosebit de importantă deoarece permite descrierea variației
conductivității electrice a unui material semiconductor deci practic permite adoptarea unui model
care să analizeze modul în care se va obține conducția în acest material.
a) fotoconductoare policristaline
Mecanismul fotoconducției în materialele policristaline este bine cunoscut. De -a lungul timpului
s-au elaborat mai multe teorii. O primă teorie a arătat faptul că între microcristalele componente exist ă
mici bariere de potențial care se numesc și “contacte redresoare“ care se încălzesc la absorbția de fotoni
de la radiația incidentă și permit producerea de fotoelectroni. O altă teorie, cea de -a doua, se bazează pe
calcule statistice referitoare la purtă torii de sarcină care se formează (electroni și goluri).
In categoria fotoconductoarelor policristaline amintim:
sulfura de thaliu;
sulfura de plumb;
seleniura de plumb;
teliura de plumb.
Vom prezenta câteva aspecte referitoare la aceste materiale.
22
In 1917 se observa pentru prima oară, de către T.W. Case, conductivitatea unui material de tip
Tl2S pentru iluminarea cu radiație infraroșie. Materialul a fost numit “talofidă“. Maximum de
sensibilitate pentru acest material se observă la 0.95 μm. Răspunsul sp ectral pentru acest material este
prezentat în figura 2.6.
Sulfura de plumb și seleniura de plumb au caracteristicile prezentate în cadrul capitolului de
materiale.
Fig. 2.6 Răspunsul spectral pentru sulfura de thaliu
Un alt material este teliura de plumb. Pentru realizarea elementelor de acest tip se folosesc
tehnici de depunere în vid. Principalele caracteristici ale acestui dispozitiv sunt:
constanta de timp (10…100) μs;
rezistență electrică (10…100) MΩ;
necesită răcire cu azot lichid la 78 K;
suprafață activă (10…100)mm2.
Se observă că aceste materiale au o constantă de timp bună.
b) fotoconductoare monocristaline
Față de structurile policristaline utilizarea unor materiale monocristaline prezintă anumite
dificultăți. Unul din primele m ateriale din această categorie care a fost experimentat și studiat este
antimoniura de indiu. La ora actuală se realizarea componente pe bază de germaniu sau de siliciu.
Aceste materiale și caracteristicile lor au fost prezentate în cadrul capitolului de m ateriale. Vom mai
specifica faptul că ele sunt destinate lucrului la λ = 1.8 μm (pentru Ge) și λ = 1.2 μm (pentru Si).
Se folosesc mai multe tipuri de detectoare cu germaniu:
fotodiodă punct;
fototranzistor cu tiraj;
fotodiodă cu tiraj;
fotodiodă cu jonc țiune aliată.
Fotodiodele “punct“ sau “în punte“ cum se mai numesc se realizează prin aplicarea pe suprafața
monocristalului de tip n a unui punct sau a unei punți metalice de tip p care să permită realizarea
23
impulsurilor electrice în circuit. Structura r ealizează practic o microjoncțiune care determină o suprafață
activă mică a cristalului (1/10 mm2).
Fotodiodele cu tiraj realizează o structură bazată pe metoda de obținere a materialelor
Czochralski care permite obținerea simultană a unei structuri n și a unei structuri p.
Fotodiodele cu structură obținută prin aliere se realizează prin difuzia care apare la încălzirea
unei pastile de indiu cu (500…600)0C pe suprafața unei lame din germaniu de tip n după care se practică
o răcire lentă. Astfel , la int erfața dintre cele două materiale , se formează o joncțiune pn.
Proprietățile elementelor de recepție cu germaniu se prezintă în tabelul 1.2.
Tabelul 1.2
Tip Aria
[mm2] λ
[μm] Curent de
întuneric
[μA] Foto
sensibilitate
[A/W] Timp
răsp.
[μs] λmax
[μm] Temperatură
[K]
Punct 0.1 1.8 2000 2.5 0.8 1.8 300
Prin tiraj 1.6 1.8 10 0.650 2 1.8 300
Prin aliere 1…10 1.8 15 0.600 3 1.8 300
O altă categorie o reprezintă celulele cu siliciu sau cu germaniu dopat. Alegerea dopanților este
deosebit de im portantă din punst de vedere energetic deoarece atomii donori sau acceptori permit
selectarea unei anumite lungimi de undă care este recepțioantă de către celulă prin aplicarea
fenomenului de ionizare termică (concentrația purtătorilor de sarcină este depe ndentă de temperatură).
Alegerea corespunzătoare a materialelor permite obținerea anumitor valori pentru energia de ionizare.
Ca impurități acceptoare se folosesc Cu, Au, Zn, B, Al, Ga, Fe, Co, Ni, Pt, Mn iar ca impurități
donoare se folosesc Sb, Bi, P, A s, Li.
In cadrul dispozitivelor ce lucrează pe baza acestui efect se pot aminti și fotoconductoarele
intrinseci. Ca materiale se folosesc:
antimoniura de indiu (InSb);
arseniura de indiu (InAs);
antimoniura de aluminiu (AlSb);
antimoniura de galiu (GaSb);
arseniura de indiu (InAs);
arseniura de galiu (GaAs).
Se observă că practic aceste materiale sunt combinații cu metalele. Ele lucrează în diferite
domenii spectrale dar pentru domeniul IR prezintă interes mai ales InSb și InAs.
Antimoniura de indiu est e un material care a fost studiat foarte bine și permite obținerea unor
purități mari precum și o mobilitate a purtătorilor foarte bună. Cristalul obținut este de tip cubic
(temperatura de fuziune fiind 5230C) astfel încât să se poată aplica tehnologii sim ple. Se realizează o
eliminare ulterioară (în urma elaborării materialului) a componentelor în surplus ceea ce permite o
echilibrare foarte bună a concentrațiilor. Ulterior se realizează decuparea unei lamele de dimensiuni
corespunzătoare și se aplică un t ratament termic.
2.3.4. Efectul piroelectric
Detectorii piroelectrici fac parte din categoria detectorilor termici și folosesc ca și element
sensibil un material cu proprietăți piroelectrice. Cristalele cu proprietăți piroelectrice au fețele opuse
polarizate e lectric chiar și în afara aplicării unei tensiuni între ele.
La creșterea temperaturii cristalului se va produce o modificare a stării de polarizare astfel încât,
dacă se va monta elementul piroelectric într -un circuit, se obține variația unui parametru e lectric
măsurabil. Structura unui detector piroelectric este de tip sandwich.
Firmele producătoare realizează astfel de dispozitive în mai multe tipuri de capsule (de obicei se
folosește capsula metalică din mai multe considerente cum ar fi rezistența la șocuri sau posibilitatea de
ecranare). Deoarece apariția unei modificări a energiei termice duce la apariția unui transfer de sarcină
24
electrică se poate considera că practic semnalul de ieșire este proporțional cu variația semnalului
luminos (care fiind de natură termică este în IR).
2.4. Surse de radiație termică
Mișcarea termică în substanțe reprezintă oscilații ale componentelor atomice, electroni și ioni,
cu o multitudine de frecvențe. Aceste componente sunt periodic accelerate și radiază astfel unde
electromagnetice, pe care le putem înregistra ca radiație termică (radiație infraroșie).
La temperaturi mai mari apar frecvențe mai mari, substanța devenind incandescentă, deci
spectrul radiației electromagnetice emise atinge domeniul radiației electromagneti ce vizibile.
La temperaturi foarte mari (arc electric) se atinge domeniul și mai înalt al radiației ultraviolete.
Deoarece directiile de accelerare în cazul mișcării termice sunt distribuite statistic, radiația este
nepolarizată .
Sursele de radiație în infaroșu sunt de mai multe tipuri:
surse naturale de radiație;
surse artificiale de radiație.
După proveniența lor sursele se pot clasifica în:
surse terestre;
surse atmosferice și cosmice.
Sursele artificiale de radiație nu sunt interesante deoarece ele fac obiectul aparatelor de tip
activ care , după cum s -a arătat , au anumite dezavantaje. Cele mai importante sunt sursele naturale de
radiație infraroșie. Sursele cosmice sunt date de soare, lună, planete sau stele. Sursele atmosferice sunt
date de partic ule de praf sau de apă sau de moleculele diferitelor gaze care se găsesc în atmosferă și care
realizează un efect de împrăștiere a luminii (indiferent de lungimea de undă). Acestea sunt considerate
de fapt surse secundare de radiație deoarece în anumite co ndiții ele absorb radiația în domeniul
ultraviolet și vizibil și reflectă numai radiația în domeniul infraroșu.
Iluminarea dată de soare este la nivelul pământului, ziua, de 105 lx. Noaptea iluminarea cea mai
puternică este dată de lună și se ajunge la va loarea de 0.2 lx. Stelele au o contribuție foarte redusă la
iluminarea nocturnă și anume de 0.3·10-4 lx iar planetele de 0.1·10-4 lx. Dacă se mai consideră și lumina
difuzată atmosferă se ajunge la o valoare de 1.7·10-4 lx.
Se cunoaște faptul că toate corpurile din natură emit radiații domeniul de lungimi de undă de
emisie fiind dat de temperatura la care se găsesc corpurile respective. Lungimea de undă
corespunzătoare unei anumite temperaturi se determină cu relația:
λ = 2900/(2730+t), (1.24)
unde t este temperatura corpului [0C].
Astfel dacă ne vom referi la corpurile care au temperaturi de (0…30) 0C ele vor emite radiații cu
lungimile de undă λ = (5…10) μm. Deci cu ajutorul unor echipamente adecvate se vor putea vedea fără
utilizarea unor surse de lumină suplimentare.
Condițiile de vedere pe timp de noapte impun detecția de către ochiul uman prin intermediul
unui aparat a radiațiilor emise direct de un corp sau reflectate de acesta. De obicei obiectul ce trebuie
observat se găsește pe un anumit f undal și el va putea fi bine determinat numai dacăare un coeficient de
reflexie diferit de al mediului respectiv. Un rol important îl are și atmosfera care se interpune între
observator și obiect.
2.5. Legile radiației termice
Radiația termică se poate con sidera că reprezintă radiația cu lungimi de unda situate în domeniul
infraroșu (îndepărtat). Legile radiației termice descriu fenomenele care se petrec la interacțiunea dintre
radiație și un corp solid din punct de vedere energetic (cantitativ și calitativ ). Se pot aminti aici legile:
Pevost, Kirchhoff, Stefan Boltzmann, Planck, Wien și Lambert.
Legea lui Pevost : dacă două corpuri absorb cantități diferite de energie atunci emisia lor este
diferită. Intensitatea emisiei unui corp este independentă de tempe ratura corpurilor din jur.
25
Prima lege a lui Kirchhoff :strălucirea energetică spectrală Bλ a unui corp negru nu depinde
decât de temperatura absolută T a corpului.
Dacă în interiorul unei cavități (corp negru) se stabilește un echilibru termic atunci dens itatea
radiației este aceeași în orice punct al cavității.
A doua lege a lui Kirchhoff : strălucirea energetică spectrală Bλ a unui corp oarecare pentru
o lungime de undă dată și pentru o direcție dată este egală cu produsul dintre factorul său de absorbți e
αλ și strălucirea energetică spectrală a corpului negru la aceeași temperatură și în aceleași condiții BλCN:
CNB B
. (1.25)
Această lege permite, în situația în care se cunoaște strălucirea corpului negru să se determine
strălucirea unu i corp oarecare sau coeficientul său de absorbție. Aceeași lege este valabilă nu numai în
cazul unei radiații monocromatice ci și în cazul general al determinării strălucirii energetice totale sau a
factorului de absorbție global α. al unui corp. Astfel:
CNBB
, (1.26)
Deoarece:
0dB BCN CN
, (1.27)
rezultă:
0d B BCN
, (1.28)
de unde:
00
dBd B
CNCN
. (1.29)
Legea lui Stefan Boltzmann : fiecare unitate de suprafață a corpului negru [cm2] emite la
temperatura termodinamică T [K], în unitatea de timp [S], în unghiul solid 2π radiația integrală:
4T E
, (1.30)
unde σ este constanta universală a corpului negru (Stefan Boltzmann).
Legea lui Planck : radiația emisă de un corp are distribuți a energiei E dependentă de lungimea
de undă λ și de temperatura termodinamică T după legea:
11 2
/ 51
,2 T c TecE
. (1.31)
Legea lui Wien : valoarea numerică a distribuției energiei spectrale se poate calcula pentru un
radiator integral la temperatura T și lungimea de undă λ cu relația:
1132.142
1)1 (
),(
2 225/5
max,,,
Tc
TcAc
TT
eTA
eeTA
EETE
, (1.32)
în care
cmK T A 2898.0max este constanta legii de deplasare a lui Wien.
Legea lui Lambert : intensitatea unui corp a carui strălucire este constantă, pe o direcție dată
este proporți onală cu strălucirea corpului respectiv, suprafața emisivă și unghiul β definit ca în figura
2.7.
Se consideră o sursă de strălucire constantă B pe o direcție ox oarecare care se supune legii lui
Lambert și anume un corp negru incandescent posedă o propr ietate remarcabilă: nici un contrast nu
permite determinarea reliefului ei deci practic o sferă incandescentă este observată ca un disc luminos.
26
Fig. 2.7. Indicatorul de emisie
Pentru o sursă care se supune legii respective se consideră un element de suprafață S pentru
care intensitatea luminoasă variează cu unghiul β conform relației:
cos cos0I SBI
. (1.33)
Se admite un vector portant care determină intensitatea energetică a unei surse astfel încât
extremitatea sa va descrie o suprafața ca re poartă numele de indicator de emisie.
Legea lui Bouguer: dacă s e consideră două suprafețe de arii ds și ds’, elementare, cu distanta r
între centrele lor O și O’, precum și β respectiv α unghiurile formate de normalele la suprafețele
respective în O și O’ cu direcția OO’, iar dacă ds se consideră că emite energie și ds’ că absoarbe
energie atunci fluxul energetic dΦ poate fi determinat cu relația:
2 2cos cos' cos'
rdsdsB
rdsdId
. (1.34)
Se poate determina de asemenea întinderea geometrică a fasciculului ce se exprimă în m2 sau
cm2 după cum urmează:
2cos cos'
rdsdsdU
. (1.35)
2.6. Definirea corpului negru
La începutul secolului XX, în cadrul fizicii clasice nu s -au putut oferi explicații științifice
riguroase unor fenomene ca radiația corpului negru respect iv efectul fotoelectric .
Prin definiție corpul negru poate să absoarbă întregul flux incident pentru toate frecvențele
radiației incidente și pentru toate temperaturile.
Se consideră o cavitate închisă, izolată adiabatic de mediul exterior, fără sarcini electrice spațiale
interioare. Pereții incintei se găsesc la temperatura T. Radiația din interiorul cavității este emisă de
atomii pereților sub formă de unde electromagnetice cu o structură de spectru continuu cu toate
frecvențele în domeniul [0, ∞]. O p arte a acestei radiații este absorbită de pereții cavității. La echilibru
termic, caracterizat prin temperatura T, cantitatea de energie emisă într -o secundă de pereți este egală cu
cantitatea de energie absorbită într -o secundă și care provine din toate direcțiile având toate frecvențele
și polarizările posibile.
Câmpul electromagnetic din interiorul cavității are densitatea spațială:
) (81 2 2B E u
. (1.36)
Relația permite calculul densității spectrale volumice a energiei:
ddu
, (1.37)
unde du este densitatea spațială de energie în intervalul de frecvențe [ν, ν + Δν].
27
Kirchoff a demonstrat că densitatea spectrală volumică depinde în mod exclusiv de temperatura
incintei și de frecvența radiației:
),(Tv
, (1.38)
iar Wien a arătat că funcția
),(T are expresia:
),( ),(3TvfvTv
, (1.39)
unde f(ν, T) este o funcție dependentă de raportul dintre ν și T care trebuie determinată.
Densitatea spațială de energie pentru o temperatură dată este:
0),( dT u
, (1.40)
iar expresia energiei totale din interiorul cavității ia forma:
vxud W3
. (1.41)
Radiația din interiorul cavității poate fi studiată experimental printr -o deschidere în peretele
cavității, de dimensiuni mici în raport cu dimensiunile acesteia, astfel încât cantitatea de energie pierdută
să nu aibă influență pregnantă asupra echilibrului energetic .
Această situație este prezentată în figura 2.8. Considerăm dS elementul de suprafață al
deschiderii și OE o direcți e arbitrară ce face unghiul θ cu normala
n la suprafață în punctul O.
Fig. 2.8. Definirea radiației corpului negru
Se notează cu I(ν, T) intensitatea radiației cu frecvența cuprinsă în intervalul [n,ν+dν] pentru
direcția de emisi e OE și în unghiul solid dΩ. Vom determina energia în intervalul de timp dt:
dtd dSdvTvI dE cos ),(
. (1.42)
Aceasta este energia care în timpul dt este conținută într -un cilindru cu înălțimea c·dt și cu baza
dS·cos θ astfel încât:
dtdSdcdvTvdtd dSdvTvI
4cos ),(cos ),(
. (1.43)
Factorul dΩ/4π este introdus datorită izotropiei radiației în interiorul cavității.Rezultă:
28
),(4),( TvcTvI . (1.44)
Stabilirea pe cale teoretică a acestei dependențe a fost realizată pentru prima dată de Rayleigh și
Jeans care au pornit de la teoria electromagnetică a radiației și conceptele din fizica clasică. In plus au
aceptat ipotetic faptul că un câmp electromagnetic într -o cavitate închisă este echivalent cu un
ansamblu numărabil de oscilatori armonici liniar i și independenți iar energia câmpului este egală cu
suma energiilor acestor oscilatori ,ei fiind asociați doi câte doi fiecărei frecvențe.
Notând cu N(ν)·dν numărul oscilatorilor armonici liniari din volumul elementar dv pentru o
cavitate de volum V, den sitatea de energie se determină cu relația:
),( )( )( ),( TvdvvNdvvNdvTv
. (1.45)
Se poate arăta că:
d
cdvvN2
38)(
. (1.46)
Conform statisticii clasice energia medie ce revine unui oscilator este kT unde k este
constanta lui Boltzmann iar pentru o cav itate aflată în echilibru termic la temperatura T rezultă legea lui
Rayleigh Jeans prin care afirmă că: densitatea spectrală de energie ρ (ν, T) la o temperatură dată este
direct proporțională cu pătratul frecvenței:
kT
cTv328),(
. (1.47)
Montaj ul experimental al corpului negru pentru studiile de laborator se prezintă în figura
2.9.
Corpul negru se realizează dintr -un material cu factor de absorbție mare cum este grafitul.
Astfel corpul negru (1) constă dintr -o cavitate închisă izolată adiabati c de mediul exterior. În
partea frontală se montează o diafragmă reglabilă (2). In interiorul cavității (corpului negru) este montat
un termocuplu (3).
Conductivitatea termică scăzută se realizează prin folosirea unui vas cu apă montat în partea
frontală a discului modulator mecanic (4).
Fig. 2.9. Stand experimental pentru studiul corpului negru
Prin determinarea experimentală a lui I(ν, T) se obține dependența ρ(ν, T) care pentru o
temperatură dată este funcție numai de frecvență și are alura prezen tată în figura 2.10.
Se observă o creștere bruscă a valorii ρ(ν, T) pentru valori scăzute a lui v. Creșterea în
continuare a acestui parametru nu produce variații însemnate ale valorii de pe ordonată existând o
valoare a lui v de la care ρ(ν, T) scade.
29
Fig. 2.10. Variația experimentală lui ρ(ν, T)
2.7. Mărimi și unități de măsură pentru radiația energetică și fotometrică
Mărimile de radiatie energetice sunt mărimi fizice a caror evaluare se face în unități de
măsură ale energiei iar mărimile de radiați e fotometrice sunt mărimi de natură fiziologică dar și de
natură fizică, evaluarea lor făcându -se în unități fotometrice. Fiecărei mărimi de radiație energetică îi va
corespunde o mărime fotometrică. Mărimile energetice se marchează cu simbolul indice “e“ iar cele
fotometrice cu “v“.
Concluzionând, radiometria se ocupă cu măsurarea caracteristicilor energetice ale radiației iar
fotometria se ocupă cu măsurarea acelor caracteristici ale radiației care se situează în domeniul vizibil.
2.7.1. Mărimi și unități de măsură radiometrice
Energia radiantă reprezintă cantitatea de energie emisă/primită sub formă de radiație. Se
notează cu We sau Qe, și se măsoară în J.
Fluxul energetic sau radiant reprezintă cantitatea de energie primită sau radiată printr -o
suprafață. Se notează cu Φe sau P și se măsoară în W. Relația de definiție este:
dtdWe
e
. (1.48)
Randamentul energetic al unei surse de radiație reprezintă raportul dintre fluxul energetic
emis și fluxul de energie primită.
Se notează cu ηe și se de finește cu relația:
Pe
e
. (1.49)
Intensitatea energetică a unei surse de radiație sau a unui element al sursei pe o direcție dată
reprezintă fluxul radiant în unitatea de unghi solid. Se notează cu Ie și se măsoară în W/sr. Se
definește cu relația:
ddIe
e
. (1.50)
Luminanța energetică (radianța) într -un punct al sursei de radiație sau al receptorului pe o
direcție dată : reprezintă intensitatea radiantă a unei surse pe unitatea de suprafață. Se notează
cu Le sau B și se mă soară în W/m2 sr. Se definește cu relația:
cos2
dAdd
dSdILe
ne
e
, (1.51)
unde dSn este elementul de suprafață pentru care direcția de propagare reprezintă normala.
Emitanța energetică într -un punct al unei suprafețe reprezintă fluxul energetic ce părăseș te
un element de suprafață ce conține un punct cu coordonate date, este o caracteristică a surselor Se
notează cu Me și se măsoară în W/m2. Se definește cu relația:
30
d LdAdMee
e cos. (1.52)
Iluminarea energetică într -un punct al unei suprafețe repre zintă fluxul radiant pe unitatea
de suprafață. Se notează cu Ee și se măsoară în W/m2. Se definește cu relația:
dSdEe
e
. (1.53)
Expunerea energetică sau cantitatea de iluminare se notează cu He și se măsoară în J/m2.
Se definește cu relația :
dtE He e . (1.54)
2.7.2. Mărimi și unități de măsură fotometrice
Energia luminoasă reprezintă cantitatea de energie primita sau emisă sub formă de radiație în
domeniul vizibil. Se notează cu W și se măsoară în lm·s.
Fluxul luminos reprezintă fluxul energetic, emis sau primit, evaluat după senzația luminoasă pe
care o produce. Este unitatea de bază pentru exprimarea puterii optice. Se notează cu Φ și se măsoară
în lm.
Lumenul reprezintă fluxul luminos radiat de o sursa de lumină punctiformă c are are
intensitatea de 1 cd emis în unghiul solid de 1sr.
Determinarea acestei mărimi se face cu ajutorul unei sfere integratoare ce colectează lumina
împrăștiată de o sursă în unghiul solid de 4π.
Situația este ilustrată în figura 2.11.
Pentru defi nirea unghiului solid se folosește figura 2.12.
Steradianul este unghiul solid care are vârful în centrul unei sfere și intersectează suprafața
sferei după o arie determinata de pătratul razei sferei. Deci o sferă conține 4π steradiani.
Relația de defi niție a fluxului luminos este:
d KKe,
, (1.55)
unde K reprezintă echivalentul fotometric al radiației (de valoare 683 lm/W), Kλ este eficacitatea
luminoasă relativă spectrală, Φe,λ este fluxul energetic spectral pentru (380…780)nm.
Fig. 2.11 Emisia radiației în unghiul solid 4π
31
Fig. 2.12 Noțiunea de unghi solid
Intensitatea luminoasă reprezintă fluxul luminos emis de o sursă punctiformă în unitatea de
unghi solid pe o directie dată. Se notează cu I. Relația de definiție a inten sității luminoase este:
ddI
. (1.56)
Unitatea de măsura este cd.
Pentru o sursă punctiformă de radiație se obține:
4I
. (1.57)
Iluminarea unui punct pentru o suprafață dată reprezintă raportul dintre fluxul lu minos și
suprafața elementară din jurul punctului respectiv. Se notează cu E. Relația de calcul este:
dSdE . (1.58)
Unitatea de măsura este lx. Un lux reprezintă iluminarea unei suprafețe de 1 m2 pe care cade un
flux luminos de 1 lm. Schema de deducere a acestei mărimi este prezentată în figura 2.13.
Luminanța sau strălucirea într-o direcție dată reprezintă intensitatea luminoasă raportată la
unitatea de suprafață privită dintr -o direcție dată. Luminanța depinde deci de unghiul de viz are. Se
notează cu L. Relația de definiție este:
cos cos2
dSdd
dSdIL
. (1.59)
Fig. 2.13 Deducerea relației pentru iluminare
32
Ca unitate de măsură se folosește nit-ul [nt]. Un nit reprezintă strălucirea unei suprafețe ce dă pe
direcția normală o i ntensitate de 1 cd. O unitate de măsură tolerată este stilbul (1sb = 104 nt = 1 cd/ 1
m2).
Reprezentarea grafică a relației de deducere a luminanței este dată în figura 2.14. Se observă că
acest parametru este independent de distanță.
Fig. 2.14. Deduc erea relației de definiție a luminanței
Emitanța luminoasă reprezintă fluxul luminos emis de unitatea de suprafață ce conține un
punct dat. Se notează cu M. Relația de definiție este:
dSdM
. (1.60)
Unitatea de măsură este luxul [ lx].
2.8. Transmisia atmosferica a radiației
Orice corp aflat la o temperatură mai mare de zero absolut ( -273°K) emite energie termică în
domeniul IR, o mare parte din fiind absorbită dau dispersată de către atmosferă. Distribuția energiei
radiante a unui obi ect (țintă) este prezentată în fig.2.15.
Fig. 2.15.
Fluxul de energie radiat de un obiect țintă care poate fi recepționat de un senzor este:
33
cos
DATS2d 4t
unde:
– = coeficient dependent de natura materialului țintei
– St = suprafața țint ei
– = coeficient de proporționalitate
– T = temperatura țintei
– Ad = suprafața elementului de conversie
– D = distanța până la țintă
– = unghiul solid
Această relație este valabila în condiții atmosferice ideale, adică în ipoteza ca mediul nu
influențea ză propagarea razelor infraroșii.
În realitate, atmosfera acționează selectiv asupra energiei de radiație, în sensul că atenuarea
depinde în foarte mare măsură de lungimea de undă. Pentru a marca această proprietate se folosește
coeficientul de transmisie al atmosferei, caracteristic pentru fiecare strat al acesteia ( fig.2. 15)
LUNGIMEA DE UNDĂ (µm)
MOLECULE ABSORBANTETRANSMISIA (%)
Fig. 2.15.
Atmosfera este un mediu format dintr -un amestec de gaze, vapori de apă și particule aflate în
suspensie, cu dimensiuni de la 5×10-6 la 5×1 0-3 cm. Gazele mai des întâlnite sunt: azotul (78%), oxigenul
(20%), argonul, hidrogenul, bioxidul de carbon, neonul și heliul. Conținutul de vapori de apă variază
funcție de temperatura aerului și de presiunea atmosferică, iar corpurile străine sunt: pic ăturile de apă,
fumul, particulele de origine organică sau minerală și bacteriile.
Transmisia atmosferica depinde, desigur, de distanta de observare, dar si de conditiile
meteorologice. Se pot realiza modele, relativ complexe, care permit sa se prevada tr ansmisia atmosferica
pe un domeniu spectral cu o precizie acceptabila. Totusi, fenomenele complexe si numeroase care
caracterizeaza o scena reala sunt dificil de modelat, pentru fiecare caz in parte fiind nevoie de
aproximari; aceasta cu atat mai mult cu c at conditiile atmosferice ale unei zile anumite sunt unice:
umiditate, aerosoli, picaturi fine de apa, etc.
In cele ce urmeaza se prezinta o expunere succinta in specificul compozitiei atmosferice si a
legaturilor acestui specific cu problematica de inter es.
Emisivitatea atmosferei
34
Atmosfera constituie o sursă de radiații parazite, cunoscute de regulă sub denumirea de radiații
de fond. Acestea sunt datorate, printre altele :
variației compoziției atmosferice, în timp (datorita factorilor meteorologici) și în spațiu (datorită
modificării presiunii cu altitudinea);
compoziției propriu – zise; atmosfera conține diverse feluri de elemente negazoase: solide (praf
și fum) și lichide (ceață) a căror influenta este complexa, introducând fenomene de dispersie,
difuzie și refracție.
Emisivitatea atmosferei este deci o mărime aleatorie, funcție de mai mulți parametri ca: variațiile
de temperatura, distanța de la ținta la observator, orizontalitatea sau verticalitatea direcției de observare
(ex. cazul observării de la sol a unui vehicul diferă de cea a observării unu i avion, în aceleași condiții).
Absorbția atmosferica
Factorul de absorbtie depinde de componentii gazosi care sunt continuti in atmosfera; pentru
utilizare practica, acest termen este constituit din d oi factori deosebit de importanti fata de altii pentru o
traiectorie orizontala:
absorbtia de catre vaporii de apa;
absorbtia de catre bioxidul de carbon.
Deși absorbția pare mai puțin complexă decât difuzia, datorită dependenței mult mai scăzute de
condi țiile atmosferice, descrierea sa este mai dificilă datorită structurii de benzi de absorbție diferite de
la un domeniu spectral la altul. Astfel:
vaporii de apa absorb în infraroșu în special în domeniile spectrale 2,24…3,27 μm; 4,8…8,5 μm;
12,25 μm și ale căror maxime se află la lungimi de undă de 2,7; 3,2; 6,3 μm ;
dioxidul de carbon din compoziția atmosferei în special în domeniile spectrale 2,36…3,02 μm;
4,01…4,8 μm; 12,5…16,5 μm și ale căror maxime se află la lungimi de undă 2,7; 4,3; 15μm
Absorbția depinde preponderent de grosimea stratului atmosferic pe care trebuie să -l străbată
radiația dinspre țintă spre observator. Ea variaza cu umiditatea din atmosfera si avantajeaza cu mult
domeniul spectral 3 -5 µm in comparatie cu domeniul spectral 8 -12 µm
In atmosfera “ de jos” importante benzi de absorbție au CO2, H2O și O3
CO2 este distribuit uniform în atmosferă. Concentrația lui medie se păstrează aproape constantă
până la o înălțime de 20 km. iar volumul lui este de 0,033%. Concentrații mai mici sunt l a sol
(unde pot ajunge la 10%), descrescând în straturile superioare ale atmosferei.
Benzile de absorbție intense sunt situate în jurul lungimilor de undă: 1,4µm, 1,6 µm, 2 -2,6 µm,
4,3 µm, 4,8 µm, 5,2 µm, 10,4 µm și 12,8 – 17,3 µm ele fiind funcție de con centrație, λ și
presiune.
Vaporii de H2O au în atmosferă concentrații diferite din cauza fluctuațiilor de umiditate de
temperatura și de presiune.
Benzile sale de absorbție sunt distribuite astfel: 0,94 µm, 1,1 µm, 1,38 µm, 1,87 µm, 2,7µm, 3,2
µm și 6,3 µm … la nivelul solului.
În volum, urmele de vapori de apă variază între 1% și 0,001%.
Umiditatea relativa medie peste întreaga zona de latitudine este intre 70% și 80%.
Umiditatea relativă este minimă la altitudine între 5 și 10 Km (30% la 35%).
Pe de alt ă parte urmele de vapori de apă dintr -un volum de aer descresc foarte rapid cu
temperatura.
absorbția ozonului (O3) poate fi neglijabilă deoarece concentrația de ozon din stratul inferior al
atmosferei este mică, cu excepția unei anumite perioade de după f urtună, când apare o creștere
bruscă a cantității de ozon. Concentrația crește rapid la 22 – 27 km înălțime și scade practic la
zero la înălțimi mai mari de 40 km.
Concentrația medie a ozonului în stratul apropiat de pământ reprezintă 2,7×10-6 % din volum.
Benzile sale de absorbție sunt situate între 4,7 µm și 9,6 µm.
35
Foarte greu se analizează din punct de vedere analitic impuritățile posibile (praf, picături de apă,
etc) care sub forma de aerosoli pot întuneca puternic atmosfera. Ei sunt prezenți la toa te înălțimile
(până la 100 km.). Concentrația lor crește exponențial până la înalțimea de 5 -6 km., rămâne constantă în
straturile înalte și are un maxim la 15 -23 km. înălțime.
Atenuarea provocată de aerosoli se termină prin forma și compoziția particulelo r care formează
acești aerosoli, concentrația lor, distribuirea după dimensiuni, de factorii meteo și de cei geografici.
Difuzia atmosferica
În interiorul “ ferestrei ” de transmisie atmosferică, atenuarea de bază a radiației se produce ca
rezultat al dif uziei.
Difuzia este în general un fenomen mai puțin selectiv decât absorbția. Difuzia datorata
partic ulelor din atmosfera creeaza un fenomen care se suprapune peste aceea adusa de gazele din
atmosfera. In functie de dimensiunule acestor particule, se poat e vorbi de:
aerosoli: particule foarte mici aflate in suspensie in atmosfera;
bruma: constituenti avan d ca origine praf microscopic (o,5 µm) ; aceste particule aflate intr -o
regiune umeda fieaza moleculele de apa prin condensare si pot astfel sa creasca in volum. In
apropierea marii, particulele saline, foarte higroscopice, genereaza adeseori bruma groasa;
ceata: cand particulele care constituie bruma devin picaturi sau cristale de gheata, este vorba de
ceata (dimensiuni de particule de ordinul a catorva mi croni). Norii prezinta o aceeasi structura,
deosebirea fata de ceata nefiiind decat o problema de altitudine relativa;
precipitatiile: este vorba de picaturi de apa ale caror dimensiuni de ordinul a 0,25 µm nu mai
permit suspensia in aer, si dau nastere la ploaie
Difuzia depinde de marimea particulelor in suspensie, precum si de marimea lor in raport cu
lungimea de unda considerata.Difuzia are valoare maxima pentru o lungime de unda atunci cand raza
particulei in suspensie este egala cu lungimea de unda.
In functie de conditiile existente in teren, pot exista avantaje pentru unul sau altul din cele doua
domenii spectrale mentionate.
O imagine edificatoare în acest sens o oferă tabelul 2.4 , în care sunt prezentați factorii de difuzie
atmosferică pentru dif erite condiții de observare.
Tabelul 2.4
Tipul atmosferei Factor de difuzie
[ 1/km ] Factor de difuzie
[ 1/km ] Factor de difuzie
[ 1/km ]
λ = 1μm λ = 3,7μm λ = 10μm
Cu brumă 2,3 0,9 0,45
Cu ceață slabă 12,5 3,5 0,92
Cu ceață medie 58 43 24
Cu ce ață groasă 67 68 37
Atenuarea generală într -un mediu optic omogen se exprimă prin relatia:
Ie=I0exp(-l),
unde Ie este intensitatea radiației care străbate distanța “l”; I0 este intensitatea radiației la începutul
traseului; este indicele de atenuare sau coeficientul de absorbție, care în general depinde de lungimea
de undă, iar “l” este grosimea stratului de aer.
Condițiile de aplicabilitate ale acestei legi sunt:
– absorbția radiației proprii a mediului în gama spectrală considerată;
– absența mediilor luminoase inductive;
– monocromaticitatea riguroasă a radiației
36
– absența interacțiunilor nelineare ale radiației cu substanțele din care este constituit mediul de
propagare a radiației.
Atmosfera poseda practic trei ferestre permeabile radiatiei IR, in do meniile spectrale 0,75…2
μm ; 3…5μm; 8…12 μm. Primul domeniu este permeabil prin atmosfera, dar foarte putine tinte emit in
aceste lungimi de unda, ele trebuind sa fie, practic,incandescente. Fereastra de 3..5 μm (care constituie,
de altfel, si zona cu cea mai buna transmisie atmosferica dintre cele trei zone mentionate) este potrivita
mai ales pentru detectarea si observarea tintelor fierbinti (ex, motoare termice, tevi de esapament), iar
fereastra de 8…12 μm pentru tinte cu temperaturi aflate in jurul val orii de 200 C(ex. cladiri, vegetatie,
fiinte umane sau animale).
Pentru a fi detectata si apoi recunoscuta si identificata, o tinta trabuie sa prezinte, fata de fundal,
o diferenta de tempratura suficient de mare pentru a fi distinsa de alte variatii t ermice ale fundalului.
Atmosfera nu trebuie sa atenueze in mod excesiv acest semnal. Apoi, utilizatorul sistemului
optoelectronic de conversie trebuie sa utilizeze o astfel de procedura de cautare care sa -i permita sa
orienteze sistemul in directia tintei. Elementul de conversie al sistemului trebuie sa colecteze semnalul,
(ajutat fiind si de un sistem optic), sa -l converteasca in semnal electric (cu un raport semnal -zgomot bun
si intr -un domeniu spectral corespunzator) si, in final, sa -l reconvertesca in semnal optic pe un
monitor.
Domeniile spectrale de interes pentru sistemele de termoviziune sunt urmatoarele:
– domeniul lungimilor de undă situate între 3 … 5 μm pentru detectarea și observarea
obiectelor fierbinți ca de exemplu: motoare termice, țevi de eșapament;
– domeniul lungimilor de undă situate între între 8 … 12 μm pentru detectarea și observarea
obiectelor cu temperaturi scăzute ca de exemplu: clădiri, vegetație, ființe umane sau
animale, regiuni în care absorbția este minimă și care permit det ecția și observarea și fac
posibilă măsurarea, în domeniul lor spectral, a diferențelor de temperatură dintre obiecte și
mediul ambient, sau între diferitele puncte ale aceluiași obiect;
Pentru stabilirea domeniilor spectrale de interes în supravegherea câmpului tactic de luptă, se va
avea în vedere definirea țintelor, a caracteristicilor acestora (temperatură, dimensiune, emisivitate,
contrast termic față de fundal). Alegerea domeniului spectral de lucru 3…5 μm si 8…12 μm este dictat
de mai multe conside rente, intre care cel economic este important.
Aparatele de conversie in imagine care utilizează domeniul 3…5 μm au eficienta mai slaba decât
cele definite de domeniul 8…12 μm numai daca scena vizata are temperatura scăzuta; in caz contrar,
aceste sistem e:
– au si avantajul unui pret mai mic;
– au o calitatea crescută a imaginii deoarece, deși domeniul spectral 8…12 μm are o radianta mai
mare , domeniul 3…5 μm oferă un contrast mai bun.
O diferența vizibila intre cele doua domenii se remarca in zona te mperaturilor scăzute. Desi
raportul semnal – zgomot de fond din domeniul 8…12 μm este de aproximativ 3 ori mai mare decât cel
din domeniul spectral 3…5 μm, exista limite ale performantelor in domeniul 8…12 μm, datorita
existentei in sistem a componentelor care diminuează valoarea fluxului radiant incident; spre exemplu,
utilizarea unor filtre optice ”trece – banda” corect selectate fac ca raportul semnal – zgomot din domeniul
3…5 μm sa se apropie de cel din domeniul 8…12 μm. Chiar si in cazul unei scene in ca re temperatura
aerului este de 130 °C, in domeniul 3…5 μm se obține un contrast relativ de 2 ori mai mare decât ac ela
din domeniul 8…12 μm.
37
3. STRUCTURA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE
Constructia camerelor de termoviziune este similar ă cu cea a camer elor video digital e.
Componentele principale sunt un sistem optic (obiectiv) care focalizeaz ă radiatia infrarosie pe un
detector, plus sisteme electronice si software pentru procesarea si afisarea semnalelor si imaginilor.
În loc de un detector CCD / CMOS care îl folosesc camerele video digitale, detectorul pentru radiatia
infrarosie este o matrice (FPA – Focal Plane Array ) de pixeli cu dimensiuni de ordinul micrometrilor
realizate din diverse materiale sensibile la lungimile de undă IR. Rezolutia FPA poate varia de la
aproximativ 80 × 60 pixeli (FLIR Lepton) până la 2048 × 1536 pixeli (FLIR Neutrino) . Anumite
camere IR au software integrat care permite utilizatorului s ă se concentreze pe anumite zone ale FPA si
să calculeze temperatura. Alte sisteme au utilizat un computer sau un sistem de date cu software
specializat care asigură analiza temperaturii. Ambele metode pot furniza analiza temperaturii cu o
precizie mai bună de ± 1 ° C.
Un sistem de termoviziune tipic cuprinde un ansamblu de elemente interconectate care
realizeaza procesul de transformare a unei imagini din spectru IR in imagine in domeniul vizibil astfel
încât perceperea contururilor, orientării, contrastului și detaliilor să se păstreze și să se intensifice . In
componența sa intră:
sistemul optic
sistemul de baleiere – optional ;
detector radiatie IR ;
sistem de răcire – optional ;
ansamblul electronic de achizitie și prelucrare a informațiilor format din
o circuitul de procesare semnal ( prelucrare analogică si digitală);
o circuitul de comanda/control ;
o circuitul de alimentare .
Toate aceste elemente pot fi grupate după funcțiile îndeplinite conform schemei din figura 3.1.
Elementele cu un grad mare de complexitate și dar diferențiate de restul componentelor pot fi analizate,
la randul lor, ca un sistem.
DETECTORSISTEM ALIMENTARE
RADIAȚIE IR CIRCUIT DE PROCESARE SEMNALALIMENTARE
SEMNAL
VIDEO
COMUNICAȚIE SISTEM
OPTICSISTEM
DE
BALEIERE
SISTEM DE
COMAND Ă/CONTROLSISTEM DE
RĂCIRE
Fig. 3.1. Elementele unui sistem de termoviziune în infraroșu.
Traseul marcat este traseul minim obligatoriu. Dispozitivul de baleiere apare tot mai rar în
construcția echipamentelor moderne, nefiind necesar în cazul detectoar elor matriceale, care au
capacitatea de a recepta în mod static radiația provenită de la intreaga scenă termică. De asemenea, la
echipamentele moderne, sistemul de filtrare poate fi partial sau integral inclus în sistemul de detecție.
38
3.1. Sistemul optic
Sistemul optic e ste constituit din ansamblul compact de lentile, oglinzi, diafragme si filtre care
are rolul de a direcționa radiația emisă de țintă pe suprafața activă a detectorului. Pentru a se diminua
influențele absorbției de radianță utilă dinspre scena de interes, sistemul de detecție trebuie să fie dotat
cu un sistem de filtre optice bine alese, având în vedere că alegerea necorespunzătoare sau lipsa unui
sistem de filtre selective adecvate duce la apariția unei erori de detecție prin necunoașterea exa ctă a
emisivitații țintei și la micșorarea preciziei de măsurare datorită absorbției selective și variabile produse
de fundal. Datorită faptului că anumite surse prezintă un contrast termic deosebit, cu regiuni încălzite
sau iluminate puternic este practic imposibil de a deosebi doua zone adiacente de temperaturi ușor
diferite fara un sistem de filtre selective.
In sistemele de termoviziune din generatiile anterioare unde erau utilizati detectori
monoelement (generatia I) si detectori multielement liniari (generatia II), formare a imaginii din radiația
termică presupune explorarea (baleierea) imaginii, pe verticală și pe orizontală, pe detector la viteze
comparabile cu frecvențele de l inii și cadre ale unui sistem video in spectrul vizibil . In acest caz, o
singură lentilă care ar focaliza direct radiația pe detector nu ar fi suficientă pentru că imaginea nu ar
putea fi reprodusă și, în consecință se interpun sisteme de baleiere opticomecanice între optica de
intrare și detector ce permit astfel explorarea s ecvențială a unei suprafețe detectoare mici peste un câmp
de vedere. O diagram simplificata a modului de functionare a unui sistem de termoviziune din generatia
I este prezentata in figura 3.x.
Fig. 3. x. Schema bloc a unui sistem de termoviziune din gen eratia I – sursa: HAMAMATSU.
In sistemele de termoviziune de generatie III, ce folosesc exclusiv detectori tip FPA (Focal
Plane Array), reprezentați de matrici formate dintr -un număr foarte mare de elemente se poate
înregistra simultan întregul câmp de o bservare, analog cu un cadru de film. În felul acesta dispare
necesitatea utilizarii unui sistem de baleiere.
Sistemele optice folosite separat pentru devierea radiației, pentru focalizare (oglinzi, lentile) sau
cele care sunt înglobate în blocul de dete ctare pot fi analizate și caracterizate ca orice sistem optic, după
legile clasice ale opticii geometrice. Materialele folosite pentru constructia lentilelor trebuie sa aiba
transmisie buna in spectrul IR, cele mai frecvent folosi te in acest scop fiine: sticle speciale pe bază de
aluminat de calciu, fluorură de magneziu, sulfură de zinc, seleniură de zinc etc., cristale mono sau
po1icristaline, dielectrice sau semiconductoare din halogenuri, materiale plastice pe baza de polietilenă
sau polimetaacrilat și metale (aluminiu, argint, aur, cupru etc.).
39
Fig. 3. x. Transmisia in functie de lungimea de unda (prezentata in µm) pentru diferite materiale optice –
sursa: EDMUND OPTICS .
Din punct de vedere optic, radiația IR este guvernată în principal de aceleași legi ca și radiația
electromagnetic ă din domeniul vizibil, lumina. Principalele diferențe dintre optica radiației IR și optica
radiației vizibile sunt determinate de proprietățile materialelor și efectele produse prin interactiunea
unda -material, domeniul de lungimi de unda al radiatiei infraroșii situandu -se la valori mai mari. In
domeniul vizibil obiectele sunt "vazute" pe baza energiei reflectate. Emisia proprie in acest domeniu
fiind foarte scazuta. In domeniul infraroșu, in schimb, obiectele sunt "vaz ute" in principal datorita
emisiei proprii și foarte putin pe baza reflexiei. Puterea transmisa de sistemele optice este mai mica In
domeniul IR decat in domeniul vizibil sau ultraviolet.
Partea optica a unui sistem de termografiere este alcatuita d intr-un ansamblu de componente
conceput pentru a capta radiatia emisa de o scena termica și pentru a creea , la o anumita scara, o
imagine dit mai fidela a scenei respective. Ansamblul elementelor optice este de fapt o succesiune de
lentile care refracta sau ref lecta radiatia infraroșie conform legilor opticii geometrice și ondulatorii. In
comparatie cu un sistem optic ideal, capabil sa redea un obiect punctiform ca o imagine punctuala,
sistemele reale sunt in mod inevitabil imperfecte, ceea ce conduce la o serie de deformari ale imaginii
reale, denumite erori de difrac tie sau abera tii.
Optica geometrica presupune ca valoarea indicelui de refra ctie a materialelor prin care se
propaga radiatia este constanta ceea ce, in realitate, nu este adevarat. Fasciculul tra nsmis contine radiatie
intr-un interval de lungimi de unda, iar indicele de refractie este dependent de lungimea de unda, ceea
ce inseamna ca in realitate nu este constant. Pe de alta parte, deschiderea destul de mare a diafragmei de
intrare permite patrun derea unui fascicul sub un unghi solid larg, astfel ca unghiul de intrare este și el
variabil. Datorita acestor aspecte, sistemele optice reale introduc erori de tip aberatie ce pot fi
clasificate, dupa originea lor, in: aberat ii cromatice și abera tii geom etrice sau, dupa efectele produse
asupra imaginii, in abera tii longitudinale și aberații laterale. Alegerea corecta a componentelor sistemului
optic permite diminuarea erorilor de acest tip și obtinerea unei imagini satisfacatoare.
3.1.1. Materiale optice
Comp onentele unui sistem optic sunt selectate dintre materialele care asigura transparenta
necesara pentru un domeniu de lungimi de unda, in principal, in functie de calitatile lor optice și,
desigur, de cost. La alegerea materialelor trebuie sa se tina cont și de tehnologia de fabricatie a fiecarei
40
componente, precum și de rezistenta mecanica necesara atat in timpul prelucrarii cat și pentru montare.
Principalele proprietati ale materialelor optic e care determina îndeplinirea functiei proiectate sunt:
Propriet ăți optice
o Coeficientul de transmisie
o Indicele de refractie si dispersia indicelui de refractie
o Coeficientul de reflexie
o Tratamentl stratului superficial
Proprietăți fizice
o Coeficient de dilatare
o Temperatura de topire
o Temperatura de imbatranire
Proprietăți chimice
o Stabilitatea chimica
Proprietăți mecanice
o Rezistența la socuri si vibratii
o Duritate
Materialele utilizate pentru fabricarea componentelor transparente pentru radiatia infraroșie
trebuie sa aiba: coeficientul de transmisie ridicat, absorbtia ene rgetica mica, emisivitatea slaba, rezistenta
și durata de viata mari, precum și coeficientul de dilatare termica redus. Pe de alta parte, este necesar ca
la alegerea componentelor sistemului optic sa se tina cont de complementaritatea proprietatilor,
neces ara pentru diminuarea erorilor de tip aberatie.
Coeficientul de transmisie este primul factor care se ia in considerare atunci cand se aleg
materialele pentru constructia sistemelor optice , fiecare material este transparent pentru un anumit
domeniu de lun gimi de unda. In figura 3.x se poate observa modul in care variaza coeficientul de
transmisie (determinat pentru o anumita grosime de material precizata) pentru diferite materiale.
Fig. 3. x. Coeficientul de tr ansmisie pentru diferite materiale optice – sursa HAMAMATSU
41
In tabelul 3.x sunt prezentate cateva tipuri d e materiale optice transparente pentru radiatia
infraroșie . Fiecare material este transp arent pentru un anumit domeniu de lungimi de unda. Se poate
observa modul in care variaza indicele de refractie in functie de lungimea de unda.
Material Domeniul de
lungimi de undă
[µm] N(λ) Coeficientul de
transmisie T[%] λ = 1 µm λ = 5 µm λ = 10 µm
Sticlă turnată 0,2 – 2,5 1,43 – – 90 la 2 mm
Cuarț (Si O2) 0,15-4 1,535 – – 90 la 2 mm
Safir (A l2O3) 0,17-5,5 1,76 1,63 – 90 la 1 mm
CaF2 0,12-12 1,428 1,40 1,28 90 la 1 mm
BaF2 0,18-12 1,468 1,45 1,4 85 la 10 mm
ZnS 0,4-14 2,29 2,25 2,2 70 la 2 mm
ZnSe 0,5 – 20 2,48 2,43 2,41 70 la 3 mm
Siliciu (Si) 1,2-1,5 – 3,422 3,417 50 la 2 mm
Germaniu (Ge) 1,8-23 – 4,01 4,003 45 la 1,5 mm
Tabelul 3.x. Principalele materiale optice transparente folosite pentru constructia sistemului optic
Cele mai frecvent utilizate materiale pentru constructia sistemelor optice destinate spectrelor
MWIR si LWIR sunt sa firul (Al2O3), sulfura de zinc ( ZnS), selenura de zinc (ZnSe), sili ciul (Si) si
germaniul (Ge):
safirul este un material extrem de dur, care este util pentru aplica tii vizibile, NIR si IR pana la 5
μm. Este practic pentru aplica tii la temperaturi si presiu ni ridicate;
Sulfura de zinc are transmisie în 1-12 μm cu duritate rezonabilă si rezistet ă bună ;
Selenura de zinc are o absorb tie scăzută si este un material excelent utilizat în multe sisteme
imagistice; are transmite buna in banda 0,6-18 μm;
Siliciul est e util în 3 –5 μm si 48 –100 μm (aplicatii astronomice) si are conductivit ate termic a
ridicata;
Germaniul are o conductivitate termică bună, o duritate excelentă a suprafe tei si o rezisten tă
bună. Se utilizează pentru instrumente IR care operează în banda s pectrală de 2 -14 μm.
Alte materiale infraro sii populare sunt fluorura de calciu (CaF2), fluorura de magneziu (MgF2),
fluorura de bariu (BaF2), arsenidul de galiu (GaAs), bromoiodida de taliu ( KRS-5) si iodura de cesiu
(CsI).
Ge Si
42
CaF2 ZnS
Pentru constructia elementelor optice din categoria oglinzilor, pentru devierea radiatiei
infraroșii, se folosesc in special metale, cum ar fi aluminiul, argintul, aurul sau cuprul, obtinute prin
depuneri in vid pe un suport care poate fi sticla sau materi alele ceramice, caracterizate de un coeficient
mic de dilatare termica.
3.1.2. Obiective și teleobiective
Obiectivele sunt sisteme optice construite in așa fel incat sa asigure proiectarea imaginii scenei
termice pe suprafata detectorului. In sistemele de term oviziune se folosesc doua categorii principale de
obiective: obiective cu oglinzi, denumite și telescoape sau sisteme catoptrice , și obiective dioptrice care
folosesc exclusiv lentile pentru formarea imaginii in planul focal .
Telescoapele sunt utilizate in situatiile in care f luxul de radiatie este slab, sensibilitatea acestor
instrumente este imbunatatita pe baza creșterii unghiului de d eschidere, ceea ce necesita util izarea unor
compo nente optice cu dimensiuni mari. Cea mai simpla constructie a unui tel escop presupune existenta
unei oglinzi concave. Radiatia este in acest caz reflectata de oglinda respectiva in sens invers radiatiei
incidente, pe suprafata detectorului.
Telescoapele cele mai simple sunt alcatuite din doua oglinzi care produc doua reflex ii succesive.
Un exemplu in acest s ens este telescopul catoptric (fara lentile) tip Cassegrain , prezentat la nivel de
schema de principiu in figura 3. x.
43
Fig. 3. x. Schema de principiu a unui telescop catopt ric tip Cassegrain – sursa: JANOS
TECHNOLOGY .
In mod obișnuit, telescoapele contin și lentile pentru corectia erorilor de tip aberatie sferica.
Aceste telescoape se numesc catadioptrice si se construiesc adaugand o lentila dublet pe axa optica in
proximitatea planului imagine.
Fig. 3. x. Schema de principiu a unui telescop catadioptric tip Cassegrain – sursa: JANOS
TECHNOLOGY .
Fig. 3. x. Ansamblu camera termoviziune cu obiectiv catadioptric tip – sursa: JANOS TECHNOLOGY .
Obiectivele dioptrice sunt sisteme optice construite folosind exclusiv lentile. In functie de
distanta focala (si implicit campul de vedere) acestea pot avea distanta focala fixa , exemplu in figura 3.x .,
44
sau reglabila (variabila, varifocal). Un obiectiv dioptric cu distanta focala reglabila este prezentat in
figura 3. x. Acest ob iectiv este alcatuit din patru subansamb le optice, reglabile axial unul fata de altul.
Calitatea ansamblului depinde în mare masura de caracteristicile optice ale fiecarui subansamblu și de
precizia mecanismului de reglare.
Fig. 3. x. Obiectiv cu distan ta focala variabila.
In cazul obiectivelor cu distanta focala reglabila apare o complicatie in plus, datorita
dificultatilor de introducere a corectiilor pentru ambele subansambluri. In general, erorile de tip aberatii
optice se corecteaza prin creșterea numarului de componente, creștere care trebuie strict optimizata
pentru a nu afecta in sens negativ coeficientul de transmisie.
Fasciculele de radiatie sunt limitate la intrarea intr -un sistem optic cu obstacole materiale numite
diafragme. Diafragma de deschidere sau de apertura are rolul de a limita fasciculul de intrare in sistemul
optic. Imaginile diafragmei de deschidere fata de partile sistemului optic anterioara și posterioara se
numesc pupilă de intrare, respectiv pupilă de ieșire. Cand diafragma de deschidere se afla in fata
sistemului, aceasta este in același timp și pupila de intrare.
3.1.3. Caracteristicile unui sistem optic
Principalele caracteristici ale unui sistem optic, derivand din functia de baza a acestuia de a
transmite imagini, sunt: desc hiderea, campul, rezolutia spatiala, profunzimea campului și claritatea.
Deschiderea reprezinta aptitudinea sistemului de a capta radiatia emisa de o scena termica.
Deschiderea este determinata de pupila de intrare. Diametrul pupil ei de intrare se numeșt e deschidere a
45
opticii. In practica, se folosește notiunea de deschidere relativa sau deschidere unghiulara, care este definita prin
raportul dintre diametrul pupilei de intrare și distanta focala.
Campul este definit ca locul geometric al punctelor scene i optice de la care sistemul optic
capteaza radiatie și pentru care acest sistem formeaza imagine. Alta definitie a campului poate fi:
regiunea din spatiu pentru care sistemul optic respectiv poate fumiza imagine.
Rezolutia spatială este definita ca fiin d cea mai mica distanta dintre doua detalii ale obiectului
examinat, exprimata sub forma unui unghi solid, pentru care detaliile inca formeaza imagini separate.
Intr-un sistem de termo viziune rezolutia spatiala globala a sistemului este determinata de un a nsamblu
de factori: rezolutia spatiala a lantului de componente optice, rezolutia detectorului IR, functia de
transfer a componentelor electronice, precizia sistemului de vizualizare și, nu in ultimul rand,
caracteristicile optice ale ochiului observatorului.
Profunzimea campului sau claritatea in adancime reprezinta distanta in adancime, masurata pe
axa optica, pentru un reglaj de focalizare dat, de la care se obtine o imagine clara . Daca se regleaza
sistemul optic astfel incat imaginea formata sa aiba o claritate maxima pentru punctele unui obiect
situate la o distanta D, profunzimea campului este acel dD, in jurul valorii D, care asigura inca formarea
unei imagini clare.
Claritat ea este definita prin raportul dintre energia radiatiei emise de un punct de pe imaginea
obiectului și energia radiatiei emise de același punct de pe suprafata obiectului. Claritatea are
intotdeauna valori subunitare și este dependenta de factorul de transmisie, de deschiderea relativa și de
pierderile de energie datorate absorbtiei și reflexiei.
3.1.4. Soluti i constructive pentru sistemele optice folosite in termoviziune
a) Obiectiv cu distanta focala fixa de 2.6 mm ( Ophir SupIR 2.6mm f/1.4, Fixed Athermalized )
Focal Length: 2.6mm
F/#: 1.4
Average Transmission (8 -12µm): 82%
Focus Mechanism: Fixed
Focus Range : 0.1m to infinity
Depth of Field: 0.25m to infinity
Weight: 90gr
Max. Dimensions: Ø43.7mm x 39.8mm
Operating Temperature: -40°C to + 80°C
46
b) Obiectiv cu distanta focala fixa de 19 mm ( Ophir SupIR 19mm f/1.1, Fixed Athermalized)
Focal Length: 19mm
F/#: 1.1
Average Transmission (8 -12µm): 93%
Focus Mechanism: Fixed
Focus Range: 0.6m to infinity
Depth of Field: 12.5m to infinity
Weight: 20gr
Max. Dimensions: Ø28.5mm x 18.1mm
Operat ing Temperature: -40°C to +80°C
47
c) Obiectiv cu distant e foc ale multiple
d) Obiectiv cu distanta focala variabila
3.2. Detect oare de radiație termică
Detectoarele de radiatii folosite in prezent pe plan mondial sunt realizate într -o gama foarte
larga de solutii principiale și constructive. Cele mai raspandite, din punct de vedere principial, sunt
detectoarele cuantice care, în literatura de specialitate sunt grupate în urmatoarele categorii: detectoar e
fotoconductoare, fotovoltaice si fotoemisive. Detectoarele matriceale, bidimensionale, alcatuite dintr -o
matrice de elemente sensibile au revolutionat in ultimele decenii piata mondiala a detectoarelor.
Detectoarele matriceale prezinta marele avantaj ca inregistreaza o imagine termica a unei suprafete mari
a obiectului examinat tara sa mai fie necesara scanarea opto -mecanica obligatorie in cazul tipurilor de
detectoare monoelemen t sau liniare.
Detectoarele fotoconduc toare cele mai raspandite sunt cele din antimoniura de indiu (ln Sb),
racite la 77 K, sensibile i n domeniul 2…5,5 µm, cu timp de raspuns < 10 µs si cele din telurura de
cadmiu și mercur (HgCdTe), sensibile in domeniu l 8… 14 µm, cu timp de raspuns de 1 µs.
Detectoare fotovoltaice (detectoare în care fluxul de fotoni incident creeaza o modificare a
barierei de potential a unui jonctiuni din interior ul unui semiconductor neomogen) la sensibilitate egala
sunt mult mai rapide deca t detectoarele fotoconductoare. Efectul fotovoltaic este utilizat in constructia
fotodiodelor, fototranzistorilor și pentru detectoarele de radiatii din arseniura de indiu (InAs) sau
antimoniura de indiu (lnSb) și telurura de cadmiu și mercur (HgCdTe), cu timpi de raspuns de ordinul
nanosecundelor.
Alegerea detectorului optim intr-un sistem de anali za depinde de con ditiile de func tionare ale
sistemului, de exigentele impuse examinarii, de particularitatile produsului și ale defectelor sau
disfunctiilor care trebuie detectate și analizate. Actualmente, pe piata internationala se comercializeaza o
gama foarte larga de detectoare.
Întrucat detectorul de radiafii infraroșii este partea cea mai importanta a unui sistem de
termografiere, acest subsistem este prezentat mai detaliat fn cele ce urmeaza.
3.2.1. Clasificarea detectoarelor
Rolul detectorului este de a transforma ene rgia transportata de radia tia electromagnetica
provenita de la sursa termica fntr -un semnal electric denumit termosemnal.
48
Dupa criteriul principiului de functionare, detectoarele de radiatie termice se Impart In doua
mari categorii:
– detectoare termice, la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul energetic,
exprimat in wati;
– detectoare fotonice sau cuantice, la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul
fotonic, exprimat in numar de fotoni pe secunda.
Aceasta clasificare plea ca de la principiil e detectiei radiatiei infraroșii. Energ ia radianta poate fi
detectată i n doua feluri și anume: prin sesizarea fiecărei cuante de energie electromagnetica sau prin
sesizarea sumei tuturor cuantelor de energie primita in timpul de observare .
Tabelul 3.x. Clasificarea detectoarelor de radiatie termica si principalele caracteristici – sursa:
HAMAMATSU.
Detectoarele termice folosesc energia fotonilor p rimiti pentru a produce o creștere de
temperatura. Acest fenomen termic este un mecanism lent, care asigura integrare a energiei primite sub
forma directa. Gradul de utilizare a energiei primite este reprezentat prin emisivitatea suprafe tei
receptorului, care, conform legii lui Kirchhoff, este egala cu puterea absorbita.
O caracteristica a acestei marimi este, pentru detectoarele de buna calitate, de a fi independenta
de lungimea de unda a radiatiei. Detectoarele cuantice sesizeaza numarul de fotoni primiti i unitatea de
timp. Calitatea acestor detectoare este apreciata prin randamentul cuantic, dat de raportul dintre
numarul de fotoni detectati și numarul de fotoni incidenti. In general, randamentul cuantic este
dependent de frecventa opti ca a radiatiei.
Detectoarele radiatiei termice mai pot fi grupate, dupa constructie și dimensiuni, in urmatoarele
categorii:
• detectoare monoelement;
• detectoare bidimensionale /matriceale (bare sau matrice bidimensionale).
Ca parte componentă a unui sistem de tennografiere in infraroșu, detectorul poate fi definit ca o
celulă a lantului, care are o intrare și o ieșire. In detector "intra" un flux de radi atie IR a carei masura
este puterea P transportata de fotoni. La "ieșire" se culege un semnal electric U, care poate fi curent, TIP DETECTOR RASPUNS
SPECTRAL
(µm) TEMP.
OPERARE
(K) D* (cm x Hz1/2/W)
TERMICE TERMOCUPLE, TERMOPILE depinde de
filtrul de
intrare 300 D* (λ,10,1) = 6×10*
BOLOMET RU 300 D* (λ,10,1) = 1 x 108
PNEUMATIC C. GOLAY 300 D* (λ,10,1) = 1 x 109
PIRO ELECTRIC PZT, TGS, LiTaO 300 D* (λ,10,1) = 2 x108
FOTONICE
/
CUANTICE INTRINSEC FOTO
CONDUCTIV PbS 1 – 3.6 300 D* (500,600,1) = 1 x 109
PbSe 1.5 – 5.8 300 D* (500,600,1) = 1 x 108
InSb 2 to 6 213 D* (500,1200,1) = 2 x 109
HgCdTe 2 to 16 77 D* (500,1000,1) = 2 x 1010
FOTO
VOLTAIC Ge 0.8 – 1.8 300 D* (λp) = 1 x1011
InGaAs 0.7 – 1.7 300 D* (λp) = 5 x 1012
Ex. InGaAs 1.2 – 2.55 253 D* (λp) = 2 x 1011
InAs 1 – 3.1 77 D* (500,1200,1) = 1 x 1010
InSb 1 – 5.5 77 D* (500,1200,1) = 2 x 1010
HgCdTe 2 – 16 77 D* (500,1000,1) = 1 x 1010
EXTRINSEC Ge : Au 1 – 10 77 D* (500,900,1) = 1 x 1011
Ge: Hg 2 – 14 4.2 D* (500,900,1) = 8 x 109
Ge : Cu 2 – 30 4.2 D* (500,900,1) = 5 x 109
Ge : Zn 2 – 40 4.2 D* (500,900,1) = 5 x 109
Si : Ga 1 – 17 4.2 D* (500,900,1) = 5 x 109
Si : As 1 – 23 4.2 D* (500,900,1) = 5 x 109
49
tensiune sau sarcina electrica. O prima și importanta caracteristica a detectorului este raportul in care
stau cele doua marimi, de intrare și de ieșire, U/P.
Aceasta marime nu constituie insa caracteristica esentiala a unui detector. Principala problema a
detectiei consta in studiul elementelor care pot reactiona la o putere incidenta cat mai mica posibil.
Avand in vedere faptul ca marimile din sistem pot fi amplificate daca este necesar, rezulta ca raportul
marimilor de ieșire și intrare nu este totuși parametrul cel mai important, intrucat nu evidentiaza cea mai
mica putere detectabila. Limitarea puterii detectabile provine din fluctuatiile permanente și aleatoare ale
semnalului electric, fluctuatii care au loc chiar in absenta unui semnal tennic sau optic și care constituie
zgomotul detectorului.
O caracteristica importanta a unui detector este raportul dintre semnalul de ieșire și zgomotul
acestuia, care poate fi folosit drept criteriu de evaluare a calitatii detectorului.
Pentru ca detectoarele sa poata fi comparate fntre ele, este necesar sa se cunoasca principalii parametri geometrici,
fizici și marimile caracteristice c are definesc performanfele unui detector.
Parametrii geometrici. In cazul cel mai general, detectorul este un element bidimensional, cu
o suprafata mai mica sau mai mare, pe care trebuie sa se focalizeze fasciculul radiatiei incidente. Aceasta
suprafata sensibila poate fi caracterizata dimensional sau, la fel de bine, poate fi evaluata prin
determinarea eficacitatii sale, pe baza raspunsului detectorului.
Pe de alta parte, este necesara precizarea unghiului solid prin care detectorul "vede" scena
termica , datorita faptului ca asupra lui actioneaza in mod aleator și inevitabil radiatia din mediul
inconjurator. Zgomotul provocat de aceasta radiatie este dependent de deschiderea unghiulara a
detectorului. Unghiul solid poate fi limitat prin utilizarea unor e crane racite in mod artificial.
Parametrii fizici. Acești parametri depind de tipul detectorului și de modul in care este utilizat.
a. Temperatura elementului sensibil influenteaza pe de o parte zgomotul intern produs de fotoni și
pe de alta parte semn alul de ieșire. Determinarea precisa a temperaturii elementului sensibil este dificila.
Pentru aprecierea acesteia se fac doua aproximari și anume: se considera ca temperat ura detectorului
este uniforma in toata masa sa din momentul terminarii perioadei de racire și se considera ca
temperatura nominala a detectorului temperatura nominala a sistemului de racire.
b. Polarizarea este un parametru al detectoarelor fotovoltaice și consta in valoarea minima a curentului
de polarizare a elementului sensibil. Cuno așterea polarizarii este necesara pentru masurarea puterii
detectorului influentand putemic valoarea absoluta a raspunsului detectorului. Parametrii care determina
polarizarea sunt, de exemplu:
– curentul de polarizare a bolometrelor sau celulelor fotovol taice;
– curentul emis de fototranzistori;
– tensiunea aplicata tuburilor fotoemisive;
– tensiunea de polarizare a fotodiodelor.
Atat semnalul de ieșire, cat și zgomotul variaza cu valoarea polarizarii. Pentr u a putea compara
detectoarele intre ele, es te necesara cunoașterea acestui parametru și a influentei pe care o are asupra
detectorului.
c. Banda de trecere a dispozitivului de amplificare. Semnalul util are un spectru disc ontinuu de
frecvente, zgomotul in schimb are un spectru continuu.
Puterea t otala a zgomotului cules la ieșirea din dispozitivul de masurare este proportionala cu
banda de trecere df Pentru un amplificator selectiv se poate determina banda de trecere df cu relatia :
∆𝑓=1
𝑢𝑚2∫𝑢2𝑑𝑓
in care, u reprezinta marimea ten siunii in functie de frecventa și Um tensiunea maxima.
In masuratorile practice se obișnuiește utilizarea unei marimi Nf , reprezentand zgomotulla
frecventaf, pe unitatea de banda de trecere:
50
𝑁𝑓=1
𝑢𝑚√𝐵2
∆𝑓
unde B este valoarea tensiun ii citite pe aparatul de masura și Um tensiunea maxima a amplificatorului
selectiv reglat pentru frecventaf
d. Circuitul echivalent. Elementul sensibil este intotdeauna indus intr -un circuit electric. Se poate deci
defini impedanta:
𝑧=𝑑𝐸
𝑑𝐼
unde E și I reprezinta tensiunea și curentul (valori instantanee) la bornele elementului.
Aceasta impedanta depinde de radiatia incidenta (putere și lungime de unda), de frecventa de
masurare și de parametrii de polarizare, in mod special de curentul continuu ca re traverseaza elementul
sensibil.
3.2.2. Marimi caracteristice
In literatura de specialitate sunt precizate diteva dintre marimile caracteristice care definesc
performantele detectoarelor și permit compararea acestora.
Sensibilitatea detectorului este rapor tul de transformare dintre semnalul electric de ieșire și
fluxul termic ajuns pe detector:
𝑆𝑈=𝑑𝑈
𝑑𝑃 [𝑉/𝑊] si 𝑆𝑖=𝑑𝑖
𝑑𝑃 [𝐴/𝑊]
unde: U, i sunt tensiunea și respectiv curentul semnalului electric, iar P este puterea fluxului incident
a. Sensibilitatea spectrala a unui detector depinde de spectrul radiatiei incidente. Cand repartitia
spectrala a fluxului incident este uniforma, detectorul produce un semnal care variaza cu lungimea de
unda . Deci, sensibilitatea spectrala poate fi defin ita prin relatia:
𝑆𝜆=(𝑑𝑖
𝑑𝑃)
𝜆
unde: i și P au semnific atiile deja mentionate mai sus.
b. Sensibilitatea globala este definita prin relatia:
𝑆𝑔=(𝑑𝑉
𝑑𝑃)
𝑔=∫(𝑑𝑉
𝑑𝑃)∞
0∙𝑑𝜆∙𝑑𝑃
𝑑𝜆∙𝑑𝜆
∫𝑑𝑃
𝑑𝜆∞
0∙𝑑𝜆
unde:
∫𝑑𝑃
𝑑𝜆∞
0∙𝑑𝜆 reprezinta fluxul total primit de detector;
∫(𝑑𝑃
𝑑𝜆)
𝜆∞
0∙𝑑𝑃
𝑑𝜆∙𝑑𝜆 reprezinta raspunsul detectorului sau semnalul de iesire.
Sensibilitatea globală depinde de spectrul radiatiei incidente, de frecventa, polarizare și
temperatura d etectorului.
c. Constanta detectorului, τ, este definita de relatia:
𝜏=1
2𝜋𝑓𝑡
unde ft este frecventa de trecere care corespunde unei red uceri cu 3 dB a sensibilitatii. Constanta de
timp caracterizeaza intr -un fel inertia traductorului.
51
d. Zgomot ul detectorului este o marime ce rezulta prin combinarea mai multor tipuri de zgomot, și
anume: zgomotul r adiatiei (provenite din mediul i nconjurator), zgomotul intern al elementului sensibil
și zgomotul amplificatorului.
In detaliu, se poate vorbi de:
– zgomotul fotonic, datorat modului discontinuu in care se produce transferul de energie
electromagnetica și a emisiei semialeatoare a fotonilor;
– zgomotul temperaturii; acest zgomot are importanta in cazul detectoarelor termice. Cauza aparitiei
lui este variatia temperaturii mediului inconjurator;
– zgomotul de generare -recombinare este determinat de fluctuatiile tranzitiilor care au loc intr-un
semiconductor și se traduce prin fluctuatii ale numarului de fotoni;
– zgomotul termic, sau zgomotul lui Joh nson, are ca sursa fizica agitatia termica a purtatorilor de
sarcina;
– zgomotul joncțiunii, intalnit in cazul elementelor detectoare care au o bariera de potential;
originea acestuia este caracterul aleator al trecerii barierei de potential și difuzia pu rtatorilor de sarcina in
zone invecinate;
– zgomotul de modulare se refera la modularea conductivitatii in semiconductoare și este diferit de
cel de generare -recombinare; o parte importanta a acestuia este determinata de starea suprafetei
detectorului și poate fi deci diminuat prin tratarea corespunzatoare a suprafetei;
– zgomotul de contact este generat de contactele dintre grauntii cristalini ai materialului din care este
facut detectorul sau dintre straturile succesive ale detectoarelor alcatuite din m ai multe invelișuri subtiri
etc.
e. Raportul dintre semnalul de ieșire și zgomot este definit prin relatia:
𝑃𝑆
𝑃𝑧=(𝑆𝑓∙𝑃𝑖)2
8∫𝐴(𝑓)
𝐴(𝑓0)∞
0∙𝑑𝑓2̅̅̅̅̅
𝑑𝑓∙𝑑𝑓
unde:
Ps este puterea datorata semnalului
Pz este puterea datorat a zgomotului
A este amplificarea
Un detector este cu atât mai bun, cu cat raportul semnal/zgomot este mai mare și, prin urmare,
rezulta ca raportul A (f)/ A (fo) trebuie sa fie cat mai mic, ceea ce corespunde unei filtrari bune. Daca
largimea benzii, def inita prin:
∆𝑓=1
𝐴(𝑓0)∫𝐴(𝑓)∙𝑑𝑓∞
0
va fi mica, atunci și raportul A (f)/ A (fo) va fi mic , conducand la un raport se mnal/zgomot ridicat.
In aceste conditii, fluctuatiile spectrale ale zgomotului 𝑑𝑓2̅̅̅̅̅̅
𝑑𝑓 se considera constante intr -un
interval df mic și raportul semnal/zgomot se exprima astfel:
𝑃𝑆
𝑃𝑧=(𝑆𝑓)2
√8𝑑𝑓2̅̅̅̅̅
𝑑𝑓∙𝑑𝑓
f. Puterea echivalentii a zgomotului (Noise Equivalent Power – NEP) Cea mai mica putere a
fluxului incident care poate fi detecta ta este cea care da un semnal egal cu zgomotul. Fluxul incident
echivalent zgomotului este notat cu Po:
52
𝑃0=√8𝑑𝑓2̅̅̅̅̅
𝑑𝑓∙𝑑𝑓
𝑆𝑓
pentru cazulin care Ps=Pz, adica Ps/Pz =1
g. Detectivitatea, D [W-1] este inversul puterii echivalente a zg omotului:
𝐷=1
𝑃0=𝑆𝑓
√8∫𝐴(𝑓)
𝐴(𝑓0)∞
0∙𝑑𝑓2
𝑑𝑓∙𝑑𝑓
sau, in cazul unei filtrări înguste:
𝐷=1
𝑃0=𝑆𝑓
√8∙𝑑𝑓2
𝑑𝑓∆𝑓
Detectivitatea D depinde de mai multi parametri: spectrul și frecventa d e modulare a radiatiei
termice, conditiile de polarizare și deschiderea benzii spectrale de functi onare a sistemului de detectie,
tempe ratura detectorului, etc.
Factori care influenfeazii detectivitatea:
Puterea echivalenta a zgomotului este deci cea mai mica valoa re a fluxului termic care poate fi
detectata. In cazul detectoarelor cuantice puterea echivalenta a zgomotului este o functie de:
– caracteristicile cuantice ale materialului (eficacitatea cuantica);
– caracteristicile geometrice ale detectorului (supraf ata A, unghiul solid determinat de
deschiderea optica);
– caracteristicile electrice ale circuitului de amplificare (banda de trecere);
– caracteristicile sursei de radiatie (densitatea spectrala);
– caracteristicile spectrale, cum ar fi lungimea de und a.
Eficacitatea cuantica sau randamentul cuantic η(λ) al unui detector este randamentul de transformare
foton -electron.
h. Detectivitatea specific a sau redusa, D*, prezinta un interes practic deoarece este independenta de
suprafata sensibila, oferind as tfel posibilitatea de a face o comparatie intre diverse tipuri de detectoare.
𝐷∗=𝐷∙√𝐴∙√∆𝑓=(𝐴∙∆𝑓)1/2∙𝐷
sau
𝐷∗=(𝐴∙∆𝑓)1/2
𝑃0 [W−1∙cm∙Hz1/2]
i. Factorul de zgomot, Fz este dat de raportul dintre detectivitatea redusa a un ui detector de referinta,
D*r ,și detectivitatea redusa a detectorului analizat, D*:
𝐹𝑧=(𝐷𝑟∗
𝐷∗)2
Dintre toate componentele zgomotului existent intr -un detector, singurul asupra caruia
fabricantul nu poate actiona este z gomotul radiat iei determinat de fluctuatiile fotonilor semnalului
(aceste f luctuatii sunt mici intr-un unghi solid mic și adeseori pot fi neglijabile ca sursa de zgomot) și
fluctuatiile fotonilor emiși de mediul inconjurator.
Cand toate celelalte componente ale zgomotu lui sunt mici, f luctuatiile fotonilor emiși de mediul
inconjurator sunt cele mai importante in alcatuirea zgomotului și determina limitele detectabilitatii.
53
Se poate compara detectivitatea unui detector analizat D* cu detectivitatea limita a unui detector
de referinta D*r (un fotoconductor al radiatiei infraroșii limitat la radiatia mediului ambiant).
Factorul de zgomot Fz este intotdeauna mai mare decat 1. Cu cat valoarea acestui factor se
apropie de 1, cu atat comportamentul detectorului se apropie de cel de referinta, ceea ce inseamna ca
sursele de zgomot, altele decat cele ale mediului ambiant sunt neglijabile. Factorul de zgomot este
utilizat pentru compararea zgomotului detectoarelor. Calitatea unui detector este cu atat mai buna cu
cat Fz este mai aproape de 1, dar ea poate fi imbunatatita și prin creșterea valorii lungimii de unda de
trecere sau prin creșterea coeficientului de absorbtie a elementului sensibil.
În general, se consideră ca parametri principali ai detectoarelor următoarele caracteristicile , mai
importante :
– sensibilitatea s pectral a;
– sensibilitatea global a;
– detectivitatea specifica/redusa ;
– constanta de timp (curba de variatie a sensibilitatii globale in functie de frecventa de
masurare).
3.2.3. Detectoare termice
Detectoarele termice sunt alcătuite dintr -o sonda, care cap teaza radiatia termica, transformand -o
în caldura și un traductor, care convertește caldura într -o marime convenabila, de regula o marime
electrica.
Energia fotonilor, absorbiti de suprafata sensibila a unui detector termic, se transforma în cea
mai mare parte în caldura și doar o foarte mica parte din energia incidenta produce modificarea
proprietatilor electrice ale detectorului. La aceste detectoare creșterea temperaturii este proportiona la cu
fluxul total absorbit. Creșterea sensibilitatii detectorului poate fi realizata prin construirea acestuia din
mai multe straturi subtiri capabile sa absoarba integral radiatia într -un spectru de lungimi de unda cat
mai larg. Transformarea variatiei de temperatura a stratului sensibil în variatie de semnal electric se
poate face în mai multe feluri.
Modul în care se realizeaza aceasta transformare permite gruparea detectoarelor termice în trei
categorii:
– detectoare pneumatice, bazate pe sesizarea creșterii temperaturii prin dilatarea unui gaz închis într –
o cavitate, care deformeaza o membrana elastica. Deformarea membranei este sesizata fie optic, fie
electric, prin variatia unui element capacitiv, de exemplu;
– termocupluri, bazate pe aparitia u nei forte electromotoare la bornele unui circuit alcatuit din
metale diferite, ale caror puncte de îmbinare, prin sudare, sunt supuse unei variatii de temperatura;
– detectoare piroelectrice, bazate pe proprietatea unor materiale cristaline ca, sub actiun ea caldurii, sa
se încarce electric pe fetele opuse;
– bolometre, la care creșterea de temperatura modifica rezistivitatea unui element sensibil.
Vom discuta în continuare despre bolometre, acestea fiind cele mai răspândite detectoare
termice utilizate î n construcția sistemelor de termoviziune.
Functionarea bolometrelor se bazeaza pe principiul variatiei conductantei unor metale sau
semiconductoare in functie de temperatura. Radiatia incidenta este absorbita de o rezistenta electrica
care este, de regul a, montata intr -o punte cu impedanta echilibrata in absenta radiatiei. Schema de
principiu a unui bolom etru este prezentata in figura 3.x .
54
Fig. 3. x. Schema de principiu a unui bolometru:
R – rezistenta nominala a sondei; R’ – rezistenta cu valoare consta nta;
P- fluxul termic; Vp – tensiune de polarizare; Vi – tensiune de iesire.
Rezistenta R, denumită și termistanta sau termistor, are un comportament descris de relatia:
𝑑𝑅
𝑅=𝐵∙𝑑𝑇𝑑
unde: B este coeficientul de temperatura al bolometrului.
Pe de alta parte, rezistenta electrica R este dependenta de temperatura conform relatiei:
𝑅=𝑅0∙(1+𝛼𝑚∙𝑇𝑑)
unde: Ro este valoarea rezistentei la 0 ° K;
αm – coeficientul de temperatura al materialului;
Td – temperatura detectorului.
Astfel, v aloarea coeficientului de temperatura al bolometrului se determina cu urmatoarea
relatie:
𝐵=𝛼𝑚
1+𝛼𝑚∙𝑇𝑑
Cand bolometrul este utilizat ca un detector, variatiile rezistentei sunt masurate cu ajutorul
montajului prezentat schematic in figura 3.x. Pentru variatii mici de temperatura, sensibilitatea
termoelectrica a ansamblului este definita de raportul:
𝑆𝑡=∆𝑉
∆𝑇𝑑=𝐾∙𝐵
unde: ΔV reprezinta variatia diferentei de potentialla bornele detectorului;
𝐾=𝑉𝑝𝑅′∙𝑅
(𝑅′+𝑅)2 , caractenzeaza circuitul de polarizare al detectorului;
R' – rezistenta de valoare constanta;
R – rezistenta nominala a sondei in domeniul de variatie a temperaturii Td .
Pentru ca detectivitatea sa fie selectiva, se poate folosi fie un filtru, fie o acoperire fina a
elementului sensibil cu un filtru din substante organice cu o capacitate de absorbtie convenabila. Un
bolometru sensibil și rapid poate fi construit dintr -un material cu coeficientul de temperatura a mare,
capacitate calorica mica și cond uctanla termica ridicata.
In ultimii 30 de ani s-au dezvoltat așa-numitele microbolometre ca urmare a dezvoltiirii unor noi
generatii de materiale stratificate din categoria nanomaterialelor. In prezent, microbolometrele sunt
utilizate pe scara tot mai l arga la constructia camerelor IR fara racire cu detectoare matriceale FPA
(Focal Plan e Array). Noile aparate au solutii constructive mai simple, greutate mai mica, consum de
curent mai mic și, implicit, posibilitatea de utilizare pe durata mai lunga, sensi bilitate intr -un domeniu
spectral relativ larg, ceea ce a condus la o orientare mai ampla a cercetarilor actuale in scopul
imbunatatirii sensibilitatii lor, ceva mai reduse in comparatie cu cea a detectoarelor fotonice racite.
Principalele materiale semic onductoare folosite la constructia microbolometrelor actuale sunt
oxizii de vanadiu (VOx) si siliciul amorf (a -Si).
55
a)
b)
c)
Fig. 3. x. Prezentarea unui detector tip microbolometru:
a) detaliu privind un element detector;
b) matrice de detectori;
c) Procesul de integrare al unui microbolometru: (a) depunerea stratului de sacrificiu peste substratul
ROIC (b) depunerea stratului bolometru (c) definirea zonelor acoperite (d) formarea terminalelor
detector – ROIC (e) erodarea stratului de sacrificiu
Fig. 3. x. Ansamblu detector (microbolometru) procesor semnal – sursa: SCD.
3.2.4. Detectoare fotonice/ cuantice
Detectoarele cuantice sau fotonice functioneaza pe baza interactiunii directe dintre fotoni și
electroni. Fotonii incidenti proveniti de la o sur sa radianta cedeaza in mod individual energie
electronilor elementului sensibil. Detectoarele cuantice sunt din mai multe puncte de v edere diferite de
cele termice, cateva dintre avantajele cele mai importante fiind:
• Sensibilitatea spectrala a detectoar elor cuantice pe unitatea de putere incidenta are o alura
crescatoare, in functie de lungimea de unda, pana la nivelul unui prag. Numarul de fotoni corespunzator
puterii de 1W este 1/hv =λ/c ˳. Acesta proprietate justifica denumirea de "selective" data dete ctoarelor
cuantice. Selectivitatea este cea mai importanta diferenta dintre detectoarele cuantice și cele termice –
neselective din principiu.
• Functionarea detectorului cuantic nu conduce la o creștere a temperaturii. Astfel, capacitatea
termica a detec torului, din punct de vedere practic, nu are nici o importanta.
56
• Constanta de timp nu este legata de fenomene termice, ci depinde doar de mecanismele de
relaxare electronica, care sunt mult mai rapide. Datorita acestui fapt, detectoarele cuantice sunt ca pabile
sa detecteze variatii rapide de intensitate a radiatiei incidente.
Existenta unui prag de energie pentru fotonii detectabili limiteaza efectul radiatiei nedorite
provenite din mediul Inconjurator, adica zgomotul determinat de aceasta. Din acest mot iv,
detectivitatea este mult mai mare.
Detectoarele cuantice de radiatii infraroșii se bazeaza pe doua categorii de tranzitii ale
electronilor :
Tranzitiile interne sunt tranzitii ce au loc in cristalele semiconductoare. In legatura cu aceste
tranzitii, se evidentiaza doua benzi energetice: banda electronilor de valentii și banda imediat superioara
denumita banda de conductie.
Tranzitiile care au loc intre banda de valenta și banda de conductie sunt numite tranzitii
intrinseci . Pentru ca aceste tranzitii sa aiba loc este necesar ca fotonii incidenti sa aiba o energie cel
putin egala cu Eo. In urma acestor tranzitii se creeaza doi purtatori de sarcina: un electron de sarcina – q
și un loc vacant, un gol de sarcina +q, in banda de valenta.
In cazul in care materialul semiconductor prezin ta o impurificare slaba (1017 … 1018
imperfectiuni/cm3 ), domeniul energetic Eo situat intre benzile de vacanta și conductie are o structura
discreta, c u mai multe niveluri energetice . In acest caz, tranzitiile energetice se pot produce prin trecerea
unui electron din banda de valenta la un anumit nivel energetic Eq și prin trecerea unui electron situat la
nivelul E1 in banda de conductie. In acest caz, valoarea energiei fotonului excitator poate fi E1 sau E2.
Tranzitiile c are se produc prin acest mecanism se numesc extrinsec i.
Purtatorii de sarcina astfel creati se deplaseaza in banda de conductie sub actiunea dimpului
electric sau magnetic. Timpul mediu in care un purtator ramane pe aceasta banda se numește duratii de
viata. Detectoarele care se bazeaza, din punct de vdere functional, pe tranzitiile interne, poarta numele
de detectoare cuantice interne, care se diferentiaza intre ele prin modul de evidentiere a purtatorilor de
sarcina creati de fotoni sau, altfel spus, dup a efectul fotoelectric rezultat. Principalele efec te sunt:
– efectul fotoconduc tiv, care se evidentiaza prin masurarea creșterii conductivitatii unui
semiconductor;
– efectul fotovoltaic, care se bazeaza pe separarea celor doua tipuri de purtatori de sar cina printr -o
bariera de potential.
Tranzit iile ext erne constau din eliberarea unor electroni din sfera de atractie a atomului
materialului solid și trecerea lor in mediulinconjurator. Tranzitiile externe se pot produce atat in cazul
metalelor cat și in cel al semiconductorilor, fiind necesara o energie minima ΔE ce reprezinta intervalul
dintre ultimul nivel energetic ocupat de electroni și nivelul energetic al electronilor liberi in vid, denurnit
in mod simplificat nivelul vidului. Detectoarele care se baz eaza, din punct de vedere functional, pe
aceste tranzitii se numesc detectoare cuantice externe sau detectoare care utilizeaza efectul fotoemisiv.
Detectoarele cuantice cele mai utilizate in termoviziune pot fi elemente fotoconductive sau
fotovoltaice. F unctionarea detectorilor fotoconductivi se bazeaza pe generarea de purtatori de sarcina
(electroni, goluri sau perechi electron -gol) care cresc conductivitatea materialului . Materialele posibile
utilizate pentru detectoarele fotoconductoare includ telurid a de mercur cadmiu (MCT), sulfur ă de
plumb (PbS) si selenid ă de plumb (PbSe).
Dispozitivele fotovoltaice necesită o barieră potential ă intern ă cu un c âmp electric încorporat
pentru a separa perechi de g ăuri electron -gol generate. Astfel de bariere de poten tial pot fi create prin
utilizarea jonctiunilor p -n sau a barierelor Schottky. Exemple de tipuri de detector infrarosu fotovoltaic
sunt antimonidele de indiu (InSb), telurida de cadiu mercur (MCT), silicida de platin ă (PtSi) si diodele
Schottky de siliciu.
Detectoare fotoconductoare se bazeaza pe efectul fotoconductiv care se produce in materiale
semiconductoare la care energia electronilor este distribuita in interiorul unor benzi a caror structura
complexa și pozitie depinde de repartitia impuritatilor și a defectelor și de starea microcristalina a
semiconductorului. Fabricarea unei celule fotoconductoare necesita, printre altele, și operatiunea de
57
impurificare controlata a unui semiconductor microcristalin. Ace asta operatiune este dificil de controlat
intr-un agregat policristalin. Cateva exemple de detectoar e fotoconductoare instrinsece, im preuna cu
principalele lor c aracteristici, sunt prezentate i n tabelu l 3.x.
Pentru a detecta radiatii infraroșii cu lungimi de unda mai mari se folos esc fotoconductoa re
extrinsece. Aceste detectoare prezinta o eficacitate cuantica mai mica. I n tabelul 3.x.sunt prezentate
diteva exemple de materiale, dintre cele mai utilizate in prezent, in constructia detectoare lor
fotoconductoare extrinsece. Majoritatea acestor materi ale au la baza germaniu, cu o eficacitate cuantica
de 30%, sau siliciul, cu o eficacitate cuantica de 40 %.
Tip detector Material η
[%] λ
[µm] Constanta de
timp τ[µs] Temperatura
T[K]
Detectoare
fotoconductoare
intrinseci PbS 50 3 200 300
PbSe 50 5 1.5 300
HgCdTe 50 25 1 77
Detectoare
fotoconductoare
extrinseci GeHg 30 14 0.1 4
GeCu 30 27 0.1 4
GeIn 30 120 0.1 4
SiAs 40 24 – 4
SiIn 40 8 – 45
SiGe 40 19 – 18
SiP 40 29 – 12
Tabelul 3.x. – Parametrii unor detectoare fotonice.
Detectoare fotovoltaice – Detectoarele fotovoltaice la care fluxul de fotoni incidenți determina
modificarea barierei de potential a unei jon ctiuni din interiorul unui semiconductor neomogen sunt
foarte rapide, iar constanta de timp poate ajunge la cateva nanosecunde . Detectivitatea, comparabi la cu
cea a fotoconductoarelor monocristaline, crește atunci cand elementul sensibil este racit.
Efectul fotovoltaic este utilizat pentru constructia a doua categorii de detectoare și anume:
fotopile la care marimea caracteristi ca masurata este tensiunea la bomele jonctiunii si fotodiode
(jonctiunea este polarizata in sens invers), la care radiatia incidenta da naștere unui curent fotovoltaic,
care se suprapune peste curentul de polarizare.
In figura 3.x. este prezentata schema de principiu a unei fotodiode (efectul fotovoltaic utilizat cu
polarizare inversa).
Fig. 3.x. – Fotodioda, schema de principiu si caracteristicile electrice.
Cand jonctiunea polarizata in sens invers se afla in absenta radiatiei, punctul de functionare va fi
a, iar in prezenta radiatiei va fi b. Creșterea curentului este detectata cu ajutorul unei rezistente R plasate
in serie cu jonctiunea, prin masurarea variatiei de tensiune V la bornele acestei rezistente. Sensibilitatea
spectr ala a fotodiodelor este limitata la 1,8 µm pentru germaniu și la 1,2 µm pentru siliciu, astfel ca
detectoarele fotovoltaice sunt utilizabile in domeniul infraroșu apropiat.
58
Materialul cel mai utilizat în construcția detectorilor cuantici este telurura de cadmiu -mercur
(Hg1 -xCdx)Te notată MCT (material ce prezintă caracteristicile unui semiconductor intrinsec). Acesta
se poate folosi în domeniul de lungimi de undă cuprins între 8 ÷ 12µm pentru detectarea si observarea
obiectelor cu temperaturi scazute ca de exemplu: cladiri, veget atie, fiinte umane sau animale. Un alt
material utilizat în construcția detectorilor este InSb (material ce prezintă caracteristicile unui
semiconductor extrinsec) folosit pentru domeniul de lungimi de undă cuprins între 3 ÷ 5µ m. pentru
detectarea si observarea obiectelor fierbinti ca de exemplu: motoare termice, tevi de esapament.
3.2.5. Realizarea detectoarelor multielement
Detectoare matriceale sau multielement, denumite in mod uzual și FPA (Focal Plan e Array)
asigura analiza une i scene termice fara mișcare mecanica si su la baza elemente compuse obtinute prin
suprapunerea unor materiale diferite. Termenul focal plan se refera la pozitionarea matricei detectoare
in raport cu sistemul optic, și anume, in planul focal al acestuia. Principalul avantaj al acestor detectoare
il constituie creșterea preciziei prin eliminarea vibratiilor și erorilor introduse de sistemele opto –
mecanice de baleiere.
Camerele de termoviziune cu detectoare matriceale sunt mult mai mici, mai ușoare și mai
precise i n comparatie cu cele care au dispozitive de baleiere . Semnalul video este generat de o scanare
secventiala a tuturor randurilor matricei, urmata de multiplexarea fiecarui rand.
O aracteristica importanta a detectoarelor matriceale este factor ul de umplere, (Fill Factor ),
raportul dintre suprafata activa, sensibila la radiatia infraroșie, și suprafata totala, care include suprafata
inactiva. Un detector matriceal are o anumita suprafata din care numai o anumita parte este sensibila la
radiatia infraroșie. Daca matricea este alcatuita din randuri și coloane de elemente individuale de
deteetie, regiunea inactiva este alcatuita din suprafetele care inconjoara fiecare element detector.
Suprafata insensibila dintre randurile și coloanele matricei sun t niște punti de tre cere pentru semnalele
electronice. Deteetoarele sunt considerate cu atat mai bune cu cat fa ctorul de umplere este mai mare.
Cele mai bune detectoare actuale au facto rul de umplere mai mare de 90%. Valorile mari ale acestuia
inseamna: sensibilitate mai mare a dete ctorului; calitate mai buna a imaginii; eficienta mai buna a racirii;
durata d e viata a bateriilor mai lunga.
Dupa functiile indeplinite de fiecare celula, detectoarele matriceale pot fi: monolitice ( functiile
de detectie si de procesare a semnalului sunt indeplinite de un acela si cristal semiconductor) si hibride
(functiile de detectie si de procesare a semnalului s unt indepl inite de elemente din materiale diferite,
separate si interconectate ). Fiecare dintre aceste doua tipuri prezinta s serie de avantaje si dezavantaje,
motiv pentru care, in constructia camerelor IR, coexista ambele variante.
Tehnica monolitica consta in integrarea a doua functii in același substrat. Aceasta tehnica
necesita o tehnologie de fabricare mai sim pla, motiv pentru care se pot obtine matrice de detectie cu un
numar foarte mare de elemente. In plus, suprapunerea circuitelor de detectie cu circuitele de citire
permite creșterea raportului dintre suprafata sensibila și suprafata totala a detectorului.
Detectoarele matriceale monolitice prezinta lnsa dezavantajul ca necesita tensiuni relativ mari,
care trebuie aplicate circuitelor de citire, ceea ce poate conduce la strapungerea detectoarelor. Pe de a lta
parte, racirea necesara unei bune functionari a e lementelor fotocapacitive poate lncetini deplasarea
sarcinilor și poate diminua astfel eficacitatea transferului.
59
Fig. 3.x. – Tehnica monolitica de realizare a detectorilor FPA:
a) siliciu integral;
b) heteroepitaxie pe siliciu ;
c) fara siliciu – InSb & HgCdTe CCD, Ge CMOS;
d) microbolometru.
Tehnica hibrida consta in realizarea separata a circuitelor de detectie și de citire, ceea ce
permite optimizarea fiecarei functii prin alegerea materialelor și structurilor cele mai potrivite. Circuitele
de citir e pot include functiile de pretratare a semnalului, cum ar fi cele de multiplexaj sau de
preamplificare. Suprafata tota la este de doua ori mai mare dedit suprafata sensibila. Cuplarea prin
intermediul unor bile din indiu sau prin intermediul unor porti de interconectare permite suprapunerea
celor doua circuite.
60
Fig. 3.x. – Tehnica hibrida de realizare a detectorilor FPA:
a) folosind bile din indiu;
b) folosind porti de interconectare;
Dupa modul in care se realizeaza cuplajul electric dintre cele doua tipuri de circuite, structurile
hibride po t fi grupate in doua categorii: dispozitive de injectie directa, in care fotonul generator de
sarcina este transferat imediat de la detector la ROIC si dispozitive de injectie indirecta, la care fotonul
generator de sarcina este transferat prin intermediul unui etaj de adaptare, situat intre detector și ROIC ,
etaj care permite realizarea u nui pretratament al semnalului. Principalul avantaj al structurilor hibride
consta in sensibilitatea termica ridicata.
Tehnolog ia de realizare a structurilor hibride este mai complicata și mai costisitoare dedit cea de
realizare a structurilor monolitice, in special in cazul celor cu factor de umplere cu valori de peste 90%.
Dispozitivele de multiplexare organizeaza și formateaza semnalele provenite de la fiecare
detector intr -o maniera reproductibila. In mod obișnuit, dispozitivul de multiplexare preia semnalul de
ieșire de la mai multe elemente detectoare (formatele cele mai uzuale fiind 640 x 480, 1024 x 768) și le
transforma i n unul sau mai multe semnale de ieșire. Modul in care semnalul este preluat de la fiecare
detector și trimis procesorului este determinat de tipul sistemului de citire al detectorului .
Circuitele de citire ( ROIC – ReadOut Integrated Circuit ) folosite la detectoarele matriceale
actuale pot fi grupate in doua categorii:
– CCD – dispozitive la care semnalul de la fiecare element de detectie este determinat sa se
transfere de la un rand de elemente sensibile la altul, succesiv, pana la marginea matricei, und e va fi citit.
Procesul acesta de transfer nu este perfect, o parte din sarcini se pierd pe drum, astfel ca sistemul are 0
precizie redusa.
– CMOS – dispozitive de citire -redare, avand la baza o structura metal -oxid-siliciu, MOSFET
(Metal Oxide Silicon Fi eld Effect Transistors). In detectoarele CMOS semnalul de la fiecare element detector
este citit coloana cu coloana și rand cu rand, pana cand fiecare element este localizat individual.
Avantajul acestui sistem de citire este ca procesorul de semnal primeș te valoarea exacta a informatiei
fiecarui detector și masurarea este mai precisa.
61
a)
b)
c)
Fig. 3.x. – Detector cuantic (MCT) FPA – sursa: SOFRADIR.
a) wafer cu 16 detectori FPS;
b) FPA montat pe suport metalic conectat la terminale;
c) FPA montat in dewar.
3.2.6. Alegerea detectoarelor
Alegerea detectorului optim este dependenta, in principal, de obiectul examinat și de condi tiile
de examinare , intr -o stransa legatura cu celelalte componente ale sistemului de termografiere. Un
element important il constituie domeniul spectral in care obiectul examinat emite radiatie infraroșie ca și
emisișitatea acestuia. La alegerea detectorului, domeniul de emisie al obiectului determina domeniul de
sensibilitate al detectorului, care trebuie corelat cu domeniile de absorbtie atmosferica. Radiatia termica
este detectata de elementul sensibil al unui detector dupa ce a traversat un strat atmosferic, cu o grosime
mai mica de un metru, in conditii de laborator, și o grosime de la cativa metri la cateva sute de metri, in
conditii de exterior.
Traversarea stratului de atmosfera este asociata cu o absorbfie a radialiei infraro,Jii in anumite
intervale de lungimi de unda.
Domeniul spectral in care detectorul trebuie sa fie sensibil impune tipul elementului sensibil,
intruc at nu existia un detector sensibil pe intreg domeniul spectral a l radia tiei infraro sii (0,75 … 1 500
µm). In domeniul cercetarii, exista o tendinta actuala de a gasi solutii pentru crearea unor detectoare cu
o sensibilit ate constanta intr -un spectru cat mai larg. Detectoarele termice prezinta avantajul ca acopera
un domeniu spectral foarte larg și o sensibilitate uniforma in domeniul respectiv, dar sensibilitatea și
rapiditate a acestora este mult mai redusa deca t cea a altor tipuri de detectoare. Un detec tor din PbS este
sensibil in domeniul spectral cuprins intre 1,3 și 3 µm, in timp ce un detector din HgTeCd este sensibil
in domeniul 2 … 14 µm, cu un maxim de sensibilitate situat la 12 µm.
Majoritatea detectoarelor, desi sesizeaza radialia termica in tr-un anumit interval spectral,
prezinta un maxim de sensibilitate pentru un domeniu foarte ingust de lungimi de unda din intervalul
respectiv. Pe de alta parte, temperatura de functionare a acestor detectoare conditioneaza in mod
decisiv detectivitatea, c eea ce impune asocierea corecta a detectorului cu un sistem de racire adecvat.
Pentru un anumit element sensibil, detectivitatea specifica materialului respectiv este puternic
influenlata de racirea detectorului (de zeci de ori), iar modificarea temperatu rii de racire modifica
dome niul spectral de sensibilitate. Astfel, de exemplu, un detector din InSb, sensibil in domeniul 3…5
µm, prezinta o detectivitate maxima atunci cand este racit la 77 K și o diminuare a acesteia de zece ori
atunci cand este dici t la 195 K, temperatura numita in domeniul sistemelor de racire temperatura
intermediara. Detectoarele din PbSe iși pastreaza constanta detectivitatea intr-un interval mai larg de
temperaturi de racire dar, o data cu modificarea temperaturii de racire, se mo difica și domeniul de
lungimi de unda pentru care acest material manifesta sensibilitate.
62
Sensibilitatea detectorului este afectata și de marimea deschiderii unghiulare a acestuia –
Detectivitatea este cu atdt mai mare, cu cdt deschiderea unghiulara a detectorului este mai mica.
Reducerea campului unghiular al detectorului este realizata, la unele camere de luat vederi in
infraroșu, prin plasarea unor diafragme in vecinatatea elementului sensibil. Aceste diafragme trebuie sa
fie și ele racite, ast fel incat sa nu introduca un zgomot termic suplimentar. Cand diafragmele sunt fixate
pe detector, racirea acestora se face simultan cu cea a detectorului.
Printre criteriile importante de alegere a unui detector se poate considera ca este puterea
echivalenta zgomotului (NEP – Noise Equivalent Power) – fluxul termic minim detectabil.
Pentru a avea o imagine de ansamblu asupra corelatiilor dintre principalele elemente care
caracterizeaza un detector și anume: lungimea de unda, natura materialului elementului se nsibil,
temperatura de functionare și detectivitatea diverselor tipuri de detectoare, in figura 3.x. sunt prezentate
grafic aceste dependente.
Fig. 3. x. Raspunsul spectral pentru diferite tipuri de detectoarelor de radiatie termica – sursa:
HAMAMATSU.
Concluzii refer itoare la detectoarele de radiatie IR :
• Detectorul de radiatie este «inima» unui s istem de termoviziune, astfel incat alegerea corecta
este esentiala pentru o anumita examinare. Alegerea detectorului optim, in conditiile in care exista fo arte
multe solutii pe piata, necesita timp și uneori concentrare pentru depașirea confuziei induse de
publicitatea care de multe ori exagereaza calitatile unui instrument.
• Nu exista un detector ideal, motiv pentru care coexista numeroase tipuri de detec toare. Unele
solutii tehnice, considerate la un moment dat depașite din punct de vedere al nivelului tehnic sunt
adeseori reluate dupa un timp, imbunatatite sau combina te cu alte solutii. Un exemplu in acest sens il
constituie bolometrele. Intrate la un mo ment dat intr -un con de umbra al interesul ui tehnic, ele sunt
reevaluate in prezent și relansate pe piata echipamentelor de termografiere sub forma detectoarelor
matriceale din re!ele de microbolometre.
63
• Deși eamerele fara racire se raspandese tot mai mu lt, totuși, pentru aplicatiile speciale care
neeesita viteza mare, seleetivitate spectrala foarte buna și sensibilitate inalta sunt necesare camere eu
deteetoare fotoni ce pe baza InSb, HgCdTe, c u sistem de raeire tip Stirling.
In tabelul 3.x sunt prezent ate cele mai raspandite solutii pentru detectoarele termice folosite
curent in industrie.
TIP DETECTOR MATERIAL SPECTRUL IR TEMPERATURA
DE OPERARE
TERMIC MICROBOLOMETRU
VOx, a -Si Predominant in LWIR
dar exista si in MWIR fara racire
(~ 30° C)
FOTONIC/ CUANTIC HgCdTe (MCT) LWIR 77° K
HgCdTe (MCT) MWIR, LWIR 77° K
InSb MWIR 77° K
PtSi MWIR 77° K
QWIP LWIR 70° K
Tabelul 3.x – Detectoare termice uzuale.
3.3. Sistemul de răcire al detectorului
Factorii p rincipali care determina aparitia zgomotului te rmic la nivelul detectorului sunt
existenta unel radiatii arbitrare parazite, pro venite din mediul inconjurator si agitatia termi ca din
interiorul detectorului. Pentru diminuarea efectelor provocate de radiatia arbitrara se folosesc filtre și
ecrane. Pentr u reducerea agitatiei termice din interiorul detectorului, zgomotul de material, este
necesara racirea fortata a acestuia. Racirea detectoarelor de radiatie termica conduce la reducerea
zgomotului termic și, deci, la creșterea sensibilitatii termice .
Prin racirea materialului semiconductor din care este realizat detectorul rezulta o diminuare a
fluxului de fotoni din surse interioare, astfel incat nivelul energetic al acestora este mult mai mic decat
cel al fotonilor proveniti din surse externe, in princip al de la scena termica vizata spre examinare.
In principal, sistemul de racire este stabilit in functie de tipul detectorului s i de sensibilitatea
maxima pe care o poate oferi acesta la o anumita temperatura. Astfel, de exemplu, un detector care
function eaza optim la temperatura de 77 K va putea fi racit de un sistem Stirling in timp ce pentru un
detector a carui temperatura optima de functionare este de 200 K se va folosi un sistem de racire
termoelectric ( Peltier ).
Fig. 3. x. Tipuri de sisteme de raci re:
a) cu efect Joule -Thomson
b) cu ciclu Stirling
c) cu efect termoelectric – Peltier
64
Cea mai mare parte a detectoarelor fotonice, sensibile in benzile spectrale 3…5 µm și 8.. .12 µm,
necesita o racire la ~77°K ( -196°C)., temperatura azotului lichid. In unele aplicatii, cand sunt
satistacatoare valori mici ale detectivitatii, sunt suficiente temperaturi de racire cu valori cuprinse intre
190 și 210° K, denumite temperaturi intermediare.
Sistemele de racire cele mai des utilizate in constructia siste melor de termoviziune sunt cele cu
lichid criog enic in circuit inchis ( mașini criogenice ), acestea elimina caldura printr -o succesiune de etape
care se repeta:
– compresie la temperatura mediului ambiant;
– expansiune, destindere la temperatura joasa;
– transfer termic prin intermediul gazului racit și incalzit intre cele doua limite: temperatura
mediului ambiant și temperatura criogenica.
Fig. 3. x. Sistem de racire tip Stirling – sursa: LE-TEHNIKA .
a) tip compact „integral stirling cryocooler – rotar y drive”
b) tip distribuit „split stirling cryocooler – rotary drive”
c) circuitul de alimentare si comanda /control
Cele mai mu lte mașini criogenice folosite in prezent, la generatiile moderne de sisteme de
termovizoine , functioneaza, din punct de vedere principial, dupa ciclul Stirling. Acesta consta dintr -un
ciclu termodinamic reversibil alcatuit din doua izoterme (T= ct.) și doua izocore (V =ct.).
In figura 3.x.a) este prezentat ciclul termodinamic Stirling, cele patru puncte caracteristice fiind
A, B, C și D. T1 reprezinta temperatura sursei calde și T2 temperatura sursei reci; caldura se absoarbe
din mediul extern, de la detector, prin contact termic asigurat de un element metalic de cuplaj (Cold
Finger). Pe traseul AB gazul cedeaza energia sub form a de caldura, Q1, sursei calde,
iar pe traseul CD ia caldura Q2 de la sursa rece.
Schema de principiu a sistemului de racire bazat pe ciclul Stirling este prezentata in figura 3.x.b)
Doua pistoane, P1 și P2, lucreaza in doua camere de compresie diferite, C1 și C2. Cele doua camere
sunt conectate la un regenerator de caldura prin care intra și iese caldura.
Deoarece solutia constructiva cu doi cilindri genereaza un nivel inalt de vibratii ce afectaeaza
functionarea si reduc fiabilitatea sistemelor, solutii le constructive moderne (Split -stirling Systems) au un
singur cilindru in care culiseaza doua pistoane, unul de lucru si unul de deplasare.
65
a)
b)
c)
Fig. 3. x. Prezentarea sistemului de racire bazat pe ciclul Stirling
a) reprezen tarea ciclului Stirling in coordonate Clausius – Clapeyron ;
b) schema de principiu a si stemului de racire;
c) prezentarea simplificata a solutiei constructive.
Pentru detectoarele de radiatii termice utilizate in domeniul aparare -securitate , sistemele de
racire Stirling prezinta o serie de avantaje:
– ocupa un volum mic și necesita un consum mic de energie electrica;
– ciclul Stir ling are loc f ara schimbarea starii gazului și necesita presiuni relativ joase (cateva zeci
de bari);
– cel mai folosit gaz este heliul, care nu prezinta nici un pericol și nu este prea costisitor;
– ciclul Stirling teoretic, fiind integral reversibil, are randamentul egal cu 1 (in practica trebuie
totuși sa se tina cont de pierderile ce au loc in timpul transferului de caldur a intre elementele sistemului
cu temperaturi diferite);
– in practica au ajuns la constructii miniaturizate convenabile pentru amplasarea pe echipamente
portabile;
– consumul de curent este foarte mic, de circa 15 W, și timpul de racire a l detectorului la
temperatura de lucru (77° K) poate fi de aproximativ 5 minute.
Progresele tehnice din ultirnii ani au perrnis miniaturizarea acestor mașini de racire, ajungandu –
se la micromașini de 200 -300g și 200 cm3 , capabile sa dezvolte puteri de racire mai mari d e 1500 mW la
77° K. Principala actiune, in sensuI imbunatatirii performantelor acestui sistem de racire, o constituie
cercetarile legate de prelungirea duratei de viata, care este cuprinsa in prezent intre 5000 și 10000 de ore.
66
a)
b)
Fig. 3. x. Sistem de racire tip Stirling – sursa RICOR
a) cuplat cu un sistem de racire;
b) capacitatea de racire in functie de temperatura ambianta.
Solutii constructive pentru ansamblul detector -cooler
DETECTOR
FPAFILTRUINCINTA IZOLATA
TERMIC (DEWAR )
SCUT RADIATIE
PARAZITA
(COLD SHIELD )FEREASTRA
PROTECTIELENTILA
FOCUS
FLUX RADIATIE PARAZITACAMPUL DE
VEDERE AL
DETECTORULUIFLUX RADIATIE UTILA
EMISIA
SISTEMULUI
OPTIC
EMISIA
FERESTREI DE
PROTECTIE
EMISIA
INCINTEI IZOLATE
TERMIC
EMISIA
SCUTULUI DE
RADIATIE
PARAZITA
EMISIA
FILTRULUI
CUPLAJUL
SISTEMULUI DE
RACIRE
(COLD FINGER )
67
SISTEM DE RACIRE
(CRYOCOOLER )SCUT RADIATIE PARAZITA
(COLD SHIELD )
DETECTORCUPLAJUL SIST . DE RACIRE
(CRYOCOOLER COLD FINGER )
INCINTA IZOLATA TERMIC
(DEWAR )
Fig. 3.x. Ansamblu IDDCA (Integrated Detector – Dewar – Cooler Assembly)
a. b.
Fig. 3. x. Ansamblu IDDCA (Integrated Detector Dewar Cooler) MCT – sursa AIM
a. cuplat cu un sistem de racire tip Stirling – „integral rotary”
b. cuplat cu un sistem de ra cire tip Stirling – „split linear”
3.4. Sisteme de prelucrare a semnalelor
Controlul funcțiilor detectorului IR se realizează de la ans amblul electronic de achiziție și
prelucrare a informațiilor. Semnalul rezultat din ansamblul detectorului de semnal termic reprezintă
doar informatia despre temperatura relativă scenei analizate și trebuie prelucrat ulterior, pentru a asigura
68
informațiile privind luminozitatea într -un semnal video standard . Semnalul electronic provenit de la
detector este preamplificat și apl icat în circuitul de transformare a explorării, unde se transformă într -un
semnal continuu care conține informații de luminozitate. Acest semnal este sincronizat pentru a forma
un semnal video compus standard, care poate fi afișat pe orice monitor compatib il, poate fi transm is la
distanță sau înregistrat. Prelucrarea numerică a semnalului permite în plus, amplificarea cu reglaj
automat și reglarea contrastului, precum și controlul automat a l luminozității și focalizării.
Unele sisteme de prelucrare pot în deplini următoarele funcții:
– compararea mai multor imagini, urme și tranzitări termale de mare viteză;
– vizualizează gradientul de temperatură;
– realizează analize statistice de temperaturi și extragerea părților dinamice ale unei imagini;
– realizează stop-cadrul unor porțiuni din imagine menținând vizualizarea imaginii dinamice pe restul
ecranului;
– afișează simultan mai multe imagini înregistrate la diferite momente în vederea comparării;
– realizează marirea pentru întreaga imagine sau numai pentru an umite porțiuni;
– integrează module software opționale care se adaptează la cerințele specifice anumitor aplicații:
trasare a graficelor, captură a cadrelor, corectia emitanței , combinarea/fuziunea cu imagini din
spectrul vizibil, etc.
Pentru camerele cu detectori termici ( fara racire )
a)
b)
Fig. 3. x. Detector tip microbolometru – sursa SOFRADIR & INTELLISYSTEM TECH.
a) modul detector rezolutie 1024 x 768 pixeli, dimensiune pixel 17 μm ;
b) modul detector – procesor camera termoviziune fara racire.
Pentru camerele detectori fotonici/cuantici ( cu răc ire)
Circuitul de procesare video prime ste datele furn izate de la detector si furnizeaz ă la iesire un
semnal video digital, care poate fi afișat pe un display sau alt sistem de afișare. Rezultatul final este o
imagine clară obținută în timp real, pentru o gamă largă de aplica tii. O aplicatie software ce rulea ză pe
un PC poate realiza setarea parametrilor caracteristicilor func ționale ale camerei termale cu răcire.
Parametrii sunt stoca ti în memoria flash a circuitului. Echipamentul asigură următoarele funcții:
– corec tia neuniformit ătii in 1 si 2 puncte;
– înlocuirea pixelilor defec ti;
– ajustarea timpului de integrare;
– egalizarea histogramei;
– ajustarea contrastului si a str ălucirii;
69
– zoom digital;
– generarea electronică a reticulului;
– controlul obiectivului (focalizarea si zoom -ul) printr -o interfa tă serială de comunica tie.
SISTEM
RĂCIRECIRCUIT
ALIMENTARE SI
CONTROLCIRCUIT ADC
D
E
T
E
C
T
O
RALIMENTARESEMNAL VIDEO
COMUNICAȚIE
DATESISTEM
OPTICCIRCUIT ALIMENTARE
CIRCUIT CONTROL CIRCUIT PROCESARE
VIDEO
Fig. 3. x. Schema bloc a unui sistem de termoviziune cu detector racit
SISTEM DE
RĂCIRE
CIRCUIT DE
ALIMENTARE
ȘI CONTROLCIRCUIT ADC
DETECTORCIRCUIT DE PROCESARE VIDEO
(PLACA SUPERIOARĂ ),
ALIMENTARE ȘI CONTROL
(PLACA INFERIOARĂ )
CABLAJ
DETECTOR – CIRCUIT ADC
Fig. 3. x. Ansamblu IDDCA cu circuitele electronice de procesare a semnalelor – sursa: CANTRONIC.
Intrare video digitala Camera Link (de la circuitul ADC )
Interfata de control RS232 / RS 485 Ethernet
70
Interfata cu sistemul optic RS422 (configurabil si ca RS485)
Iesire video analogica CVBS PAL/NTSC
Iesire video digitala Ethernet / Camera Link
Dimensiunea imaginii 1024 x 1024 / 2048 x 2048 pixeli
Rata prelucrare 60 fps
Configuratie hardware
uzuala FPGA procesare video : Xilinx Spartan6 XC6S75
Procesor : Texas Instruments AM1808 ARM9/375 MHz
Memorie : 32Mbytes DDR2
Memorie Video : 1 M x 18 (1024x1024x18)
Mem orie corectie : 1M x 36 (1024x1024x36)
Memorie histograma : 128k x36
Memorie flash : 16 Mbytes (pentru cel putin 6 tabele de calibrare)
Functii Focus : Manual/Automat
Range control : Manual/ Liniar/ Egalizare de histograma
Detectia pixelilor defecti si inlocuirea acestora (automat & manual)
Software inclus pentru configurare si control
Dimensiune 100mm x 100 mm x 25 mm
Greutate max. 150 g
Tensiune de alimentare 12 … 24 Vcc
Puterea consumata max. 5 W
Temperatura operare -40°C … +55°C
Tabel 3.x. – caracteristici generale ale circuitelor de procesare video folosite in sistemele de termoviziune
The VE1.6 receives digital Camera Link data from an infrared detector through an additional ADC
board. Control, initialization, and power for the detector and ADC are provided by the VE1.6. The
VE1.6 directly interfaces to camera optics for control of focus and zoom or field -of-view. A shutter or
automatic lens cap is used by the VE1.6 for image correction purposes. The VE1.6 provides fully
processed analog video output in NTSC, PAL, and VGA formats , as well as unprocessed digital
Camera Link output. The VE1.6 is controlled using an RS232 serial link, or a TCP/IP network with
Ethernet. Control software and the control protocol are provided.
Processing Overview
71
Data Processing Overview.
The VE1 .6 accepts input as 14 -bit raw, unprocessed digital data from the detector and ADC in Camera
Link format. This 14 -bit image is then corrected for non -uniformity correction (NUC) and bad pixel
replacement, using the currently active calibration data (NUC t ables) and bad pixel list. This results in a
corrected 16 -bit image, used for autofocus calculation and histogram calculation. The range control
process converts this 16 -bit data into 8 -bit data using either histogram equalization or a linear
transformat ion. The resulting 8 -bit image is adjusted for picture control then converted to 24 -bit RGB
color or gray -scale using the palette. Finally, this 24 -bit image is encoded to the selected analog video
output format. The camera link output is simply passed unmodified, for further processing on a
computer.
Non-Uniformity Correction (NUC) – Images must be corrected for pixel non -uniformity. The
detecting elements of an infrared detector are not identical, so the produced image must be corrected
for pixel diff erences or non -uniformity. The VE1.6 uses a calibration procedure to generate a linear
correction for each pixel.
i ii i BxAy
This correction involves a gain (Ai) and an offset (Bi) for each pixel. NUC tables, the tables of gain
and offset valu es for every pixel, are calculated during a 2 -point calibration. A 1 -point calibration
updates only the offsets.
2-Point NUC Calibration – To generate the NUC tables, gain and offset values for every pixel, a 2 -point
calibration is done in the laboratory. During a 2 -point calibration, two sample images are taken using a
uniform black -body at two known temperatures. A black -body should produce uniform images. Each
sample is averaged over a number of frames. After two samples are taken at two different
temperatures, the gain and offset tables are calculated and saved as a calibration.
1-Point NUC Calibration – During camera operation, a 1 -point calibration can be performed to update
the current NUC offset table. A 1 -point NUC is a single calibration samp le, taken using a uniform
image. Again, this calibration sample is averaged over several frames. The uniform image is created by
72
one of the following methods: Shutter , Automatic lens cap , Manually cover the lens , Defocusing.
Bad Pixels
Every detector has bad pixels. Bad pixels are detector elements that do not respond correctly
or consistently, and cannot be corrected by non -uniformity correction. Known bad pixels are replaced
by the video engine, using a combination of the valid neighboring values. Bad pixels can be manually
identified and automatically detected using calibration data. Bad pixels are maintained in a single list,
the bad pixel list, and are used with each calibration loaded. Additionally, a calibration file may contain
its own bad pixe ls that identified during calibration.
Bad pixel detection is based on two tests, a responsivity test using the gain values, and a DC
level test using the offsets. Each test utilizes a tolerance parameter, specified in percentage 0 -100, and an
area parameter. The tolerance parameter controls the sensitivity of each test. The area parameter
controls the size of the image area used in testing each pixel. If the area parameter is less than 2, the
entire image will be used for every pixel. If the area pa rameter is N, all neighboring pixels within an
NxN rectangle will be used to test each pixel.
Range Control
The corrected detector image contains 16 -bit pixel values. These values must be converted to
8-bit levels for the video system without loosing ima ge information or detail. Range control is the
process of mapping 16 -bit image values to 8 -bit video levels in such a way that image detail and
information is preserved and properly displayed. This can be accomplished using a histogram
equalization metho d or a linear method.
The linear range control method identifies a range of values that include the majority of the
image data, and linearly maps this range to the 8 -bit levels, 0 -255. Histogram equalization is a process
that builds a non -linear mapping to evenly distribute data values across the 8 -bit range. This has the
effect of increasing the global contrast or detail of the image.
The user may find that the linear method results in a smoother, cleaner image with less noise,
but also less detail, w hile the histogram equalization method shows more detail and more noise. When
using histogram equalization, the user can limit the amount of gain applied to noise and detail in the
image by adjusting the histogram limit value. A low histogram limit value has the effect of creating a
smoother image similar to the linear method.
Picture
Picture adjustment allows the user to manually adjust the contrast and brightness of the image.
The picture adjustment is a linear transformation applied to the final 8 -bit levels, before palette
conversion. The user controls integer contrast and brightness levels, where zero contrast and zero
brightness result in no adjustment.
73
Gamma
The gamma processing is a power -law adjustment on the pixel levels. If enabled, each pix el value will
be adjusted using the following power -law relationship.
𝒀𝒊=𝑨(𝑩𝒙)𝒊𝜸
Where coefficents A and B are automatically chosen to properly scale data and gamma is a user defined
parameter greater than zero. A gamma value of 1.0 is equ ivalent to no gamma processing.
Palette
The VE1.6 uses a 256 -entry palette to convert final 8 -bit levels to RGB video colors. Every entry in
the palette contains red, green and blue component levels, each 0 -255. The VE1.6 has default built -in
gray scale palettes. Any palette may be reversed. Users may also create custom color palettes, stored as
a palette file on the VE1.6, where they can be used at any time.
Frame Rate and Image Size
The frame rate is determined by the requirements of the detector an d the selected video output format.
The VE1.6 is able to support any frame rate and image size up to the following limits.
Files and Storage
The VE1.6 has 8 megabytes of storage for user files. This is enough storage for at least 6 full
calibrations ( NUC tables). For smaller image sizes more calibrations can be stored. More calibrations
can also be stored by only saving the gain or offset tables.
The VE1.6 stores user data, such as calibrations palettes and configuration information in files stored in
user storage. Each file name contains a file extension used by the VE1.6 and user software to identify the
file type. It is important that every user file name has the correct extension, or the VE1.6 may not be
able to use that file. In most cases, t he VE1.6 will automatically add the correct extension to user
supplied file names. Below are the extensions for various user file types.
Focus Control
The VE1.6 controls the focus in large steps and fine steps. The step sizes for coarse and fine focus
adjustment may be configured.
VE1.6 performs autofocus by analyzing the focus level in a rectangular portion of the image, the focus
window. The dimensions and location of the focus window may be configured, or specified for each
autofocus operation. T his allows the camera user to autofocus on a particular location or object in the
image.
Digital Zoom
Digital zoom scales video output by a given factor. Supported digital zoom levels include: 1,2,3,4.
Zoom level 1 is equivalent to no zoom. The zoom window location can also be controlled. Zoom
level 2 is useful for displaying a 320×240 detector image on a 640×480 video output format.
Frame Synchronization
Detector and ADC output (input to the VE1.6) must be synchronized to the VE1.6 processing and
video output frames using the frame synchronization output signal. It is not possible to synchronize
VE1.6 operation with an external frame synchronization signal.
Coordinates
Because of differences in the size of the detector image and the selected vide o output format, the image
coordinate of a pixel is not necessarily equal to its video coordinate. Image coordinates refer to the
location of a pixel in the detector output image. Video coordinates refer to the current location of a
74
pixel on the video ou tput display.
Field -of-View Control
The fields -of-view or discrete zoom levels of a lens are referenced by an integer number. For an optics
with n fields -of-view, the positions are referenced by an integer starting at 0 for the near (wide) field -of-
view, and ending at (n-1) for the far (narrow) field -of-view.
Integration Time
The VE1.6 controls the detector integration time setting through the ADC. The allowable integration
time range depends on the detector and ADC.
Modes
The VE1.6 uses modes to contr ol the automatic loading of calibrations for different operation
parameters. When the zoom, field -of-view, or integration time changes, the corresponding calibration
will automatically be loaded for the new mode.
A list of modes can be defined in the V E1.6 configuration. Each mode associates a calibration file with
a combination of integration time settings, field -of-view and zoom positions. When one of these
parameters changes, the calibration file specified in the matching mode will be loaded by the VE1.6. If
there is no defined mode for the current setup, a calibration will be loaded using the following default
naming pattern:
Spartan 6Q
FPGA
OMAP -L138-EP
PROCESSOR
(dual core ARM + DSP )512k X 36
Synchronous SRAM
(Calibration Data)
512k x 16
Synchronous SRAM
( Frame buffer )
64/128 Mbytes
DDR 2 MEMORYLVDS DRIVER
( Camera Link Input)
ENCODER
RGB – NTSC /PAL
LCD Interface
2 x 16 Mbytes
FLASH MEMORYLVDS DRIVER
(Camera Link Output )
SD Card
DRIVER
RS232/RS485/EthernetRGB
CLK
HS, VSADR
64k x 32
Synchronous SRAM
(Histogram Buffer )ADR
ADRdata
data
dataADR
data
CS
ADR
data
SPIVideoHS
VS
CLK
RGB
CLK
HS, VS
TX
RXDETECTOR
+
ADC
(PROXY BOARD )
75
Software de comandă aferent plăcii VPB
Software de comandă a fost creat special pentru placa VPB proiectată și realizat ă și se poate instala pe
un calculator cu sistem de operare Windows, utilizează un port serial sau o conexiune la rețea și asigură
realizarea caracteristicilor funcționale ale produsului.
Poate realiza următoarele funcții:
– selectarea câmpului vizual/ selectarea funcției de zoom op tic;
– zoom electronic;
– focalizare / focalizare automată în trepte mai largi sau mai fine;
– selectarea contrastului/ strălucirii;
– selectarea timpului de integrare;
– egalizarea histogramei;
– detecția pixelilor defec ți;
– selectarea polarită ții;
– funcția de stop cadru;
– schimbarea orientării imaginii;
– calibrarea neuniformită ții;
– funcția de autotest;
– accesul în fi șierele salvate.
Pentru a asigura func ționalitatea pl ăcii de procesare video, componentele software -ului
3.5. Solutii constructive pentru sistemele de termoviziune
c. a. b.
d.
76
Fig. 3. x. Ansamblu IDDCA cuplat cu sistem optic va rifocal
a. obiectiv varifocal;
b. modul electronic obiectiv;
c. motoare actionare grupuri optice;
d. ansamblu racire tip Stirling;
e. detector termic.
e.
77
4. CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE
Pentru caracterizarea unui sistem termografic este necesa r să fie luate în considerare toate
componentele lanțului radiometric. Fiecare componentă a acestuia este caracterizată de o serie de
mărimi care afectează direct sau indirect capabilitatea globală a sistemului. De exemplu, dacă detectorul
prezintă sensibi litate în domeniul spectral 3…5 µm, se poate spune despre sistemul termografic, care
include acest detector, că este caracterizat de un răspuns spectral în intervalul 3…5 µm, chiar dacă filtrul
optic admite o bandă spectrală mai largă.
Evaluarea capab ilității sistemului se poate face fie prin luarea în considerare a mărimilor
caracteristice ale componentelor în mod separat, fie prin combinarea unor mărimi mai importante,
reprezentative pentru sistem. Sistemele de termografiere pot fi destinate unei ana lize pur calitative sau
unei analize cantitative combinate cu una calitativă. Analiza calitativa se face prin simpla vizualizare a
distributiei temperaturii în cadrul unei scene termice, nesesizabila direct, prin observare cu ochiul liber.
In acest caz, si stemul frnizeaza o imagine cu un contrast, în domeniul vizibil, proportional cu contrastul
termic al obiectului examinat în rapart cu mediul inconjurator.
În acest context, prin contrast se înțelege o diferență de luminozitate sau stralucire a unei
imagin i vizibile, care este proporționala cu diferența de temperatura dintre doua puncte sau zone ale
obiectului.
Prin acest tip de examinare se furnizeaza informatii capabile sa evidentieze diferente de
temperatura. Cu cat sistemul este mai apt sa reactioneze la diferente de temperatura mai mici, cu atat
sensibilitatea lui este considerata mai mare. In cazul în care este necesara o apreciere cantitativa, cum ar
fi masurarea temperaturii într -un punct, atunci sistemul are performante cu atat mai bune, cu cat
îndeplinește mai bine conditiile impuse oridirui alt instrument de masura: fidelitate, linearitate sau
proportionalitate etc. Pentru efectuarea masuratorilor trebuie sa existe o corespondenta unica Între
semnalul electric furnizat și temperatura aparenta a ob iectului.
Temperatura aparenta este acea temperatura pe care ar avea -o un corp negru, plasat in vid, in
același loc ca și obiectul examinat, producdnd același efect asupra detectorului de radiație.
în cazul masuratorilor (determinari cantitative) sistemu l trebuie sa asigure o corespondență
unică și reproductibila între semnalul electric furnizat de detector și temperatura aparenta a obiectului.
Zgomotul sistemului este o cauza a îndepartarii de la linearitate, întrucât adauga semnalului util o
tensiune al eatoare, astfel ca, un același semnal primar poate fi receptat diferit.
Din punct de vedere al domeniului de utilizare, echipamentele de termografiere se împart n
doua mari grupe: echipamente de supraveghere și echipamente de masurare. Echipamentele de
supraveghere sunt utilizate cel mai adesea în domeniul militar, pentru a evidentia obiecte sau fiinte care
nu pot fi observate în domeniul vizibil, fie din cauza întunericului noptii (în spatii deschise) sau lipsei de
lumina (în spatii închise), fie din cau za unor dificultati atmosferice sau a camuflarii voite a unor
obiective sau persoane. Aceste echipamente se mai folosesc și pentru supravegherea unor instalatii în
stare de functionare sau a unor incinte care prezinta pericol de incendiu. Echipamentele de masurare,
cel mai adesea incIuzand și sistemele de vizualizare, sunt folosite preponderent în domenii de aplicare
civile: în industrie, în examinari nedistructive și în cercetarea știintifica.
Deși în prezent limita dintre cele doua categorii este destul de vag conturata, totuși, cei care
doresc sa achizitioneze un echipament de masurare trebuie sa știe ca numeroase tipuri de camere de
supraveghere, mult mai ieftine de altfel, nu pot fi folosite și pentru masuratori. In orice caz, daca pentru
un echipament de supraveghere cel mai important criteriu de evaluare este calitatea imaginii, pentru
echipamentele de masurare criteriile de evaluare sunt mai multe și mai complicate. Si echipamentele de
masurare se pot subdivide în doua categorii din punct de vedere a l aplicatiilor vizate: aplicatii care
necesita doar o masurare relativa și aplicatii care necesita o masurare in valori absolute. Deși unele
echipamente pot fi folosite în ambele categorii de aplicatii mai sus precizate, totuși, criteriile de
apreciere a p erformantelor acestora sunt diferite. De exemplu, daca un echipament va fi folosit în
aplicatii în care conteaza doar masurarea unor temperaturi relative sau a unor diferente de temperatura,
cum este cazul examinarilor nedistructive, atunci cel mai importa nt criteriu de evaluare a
performantelor este calitatea imaginii termice a obiectului supus examinarii.
78
Daca însa aplicatia necesita masurarea unor temperaturi în valoare absoluta, atunci principalul
criteriu de evaluare va fi acuratelea masuratorii. In l iteratura de specialitate, din motive practice, pentru
caracterizarea uzuală a sistemelor de termografiere este precizat un numar relativ restrans de marimi,
cum ar fi: raspunsul spectral, rezolutia temporala, rezolutia termica și rezolutia spatiala.
Intre ultimii trei parametri exista o corelatie importanta pentru utilizatorii echipamentelor IR.
Intre rezolutia temporala, rezolutia termica și cea spat iala exista o legatura directa ; astfel, daca rezolutia
spatiala este foarte mare, rezolutiile termica și temporala vor fi mai mici. Daca rezolutia termica crește,
atunci rezolutia temporala și cea spatia la vor fi mai mici.
Reduce rea marimii elementului sensibil al matricelor detectoare nu poate conduce la creșterea
rezolutiei, deoarece se va reduce corespunzator și semnalul de ieșire produs de un element mai mic. O
reducere a marimii elementului sensibil va determina deci și o red ucere a sensibilitatii și acuratetei
masuratorilor.
Pentru a compensa reducerea marimii elementelor sensibile, uneori este necesara o creștere a
timpului de expunere (de preluare a imaginii). Acest lucru determina o diminuare a vitezei de
înregistrare a i maginilor. Daca pentru analize statice, creșterea timpului de expunere nu este importanta,
in cazul examinarii unui obiect in mișcare, când intre obiect și camera exista o mișcare relativa sau cand
variatii1e de temperatura sunt foarte rapide, examinarea c u un astfel de sistem, cu timp indelungat de
expunere este ineficienta.
Caracteristicile radiometrice ale unei camere sunt definite prin:
– curbele de calibrare, care depind de configuratia camerei (obiectiv, apertura, timp de integrare,
raspuns spectral cu sau fara filtru etc.);
– sensibilitatea;
– rezolutia termica;
– dinamica termosemnalului;
– proportionalitatea dintre fluxul detectat și termosemnalul rezultat.
Dimensiunea spatiala a masuratorilor radiometrice este specificata prin marimea domeni ului
raspunsului spectral și prin uniformitatea acestuia.
Dimensiunea temporaIa a masuratorilor termice rezulta din capacitatea de a masura dinamic și
depinde de caracteristicile frecventelor de analiza, modurilor de scanare (opto -mecanic sau electronic),
timpului de raspuns și de timpul de integrare pentru camerele care au detectoare matriceale FPA.
4.1. Criterii de evaluare
Pentru caracterizarea sistemelor termografice exista numeroase criterii de evaluare a
performantelor acestora. Intre unele dintre aces tea exista relatii stranse de dependenta, ceea ce a permis
specialiștilor sa reduca numarul de criterii la un set de baza. Astfel, functia de transfer optic este direct
legata de rezolutia spatiala și, de asemenea, rezolutia termica este dependenta de func tia de transfer
optic.
4.1.1. Raspunsul spectral
Prin raspuns spectral se ințelege banda spectrala care este sesizata de sistem (subansamblul
optic, filtrul și detectorul) definita, in general, printr -un domeniu de lungimi de unda Δλ=λb -λa, centrat
aproximativ pe o lungime de unda medie, λo situata intre λb și λa.
Raspunsul spectral este o caracteristica permanenta a echipamentului, care nu poate fi
schimbata (decat partial, prin schimbarea filtrului). Alegerea echipamentelor cu un raspuns spectral
adecvat est e importanta, deoarece în numeroase aplicatii radiatia termica este emisa într -un domeniu
specific de lungimi de unda.
La alegerea echipamentului, dupa criteriul raspunsului spectral, este necesara corelarea
domeniului spectral în care radiaza obiectele examinate cu particularitatile detectorului și cu structura
mediului de propagare, care va absorbi o pa rte din spectrul radiat. Sistemele care lucreaza in domeniul
undelor scurte sunt mai susceptibile la interferentele termice nerelevante când examinarea se face in
exterior (in aer liber).
79
Cand sistemul este folosit pentru inregistrari la mare distanta, este necesar sa se ia in considerare
și absorbtia datorata al tor gaze din atmosfera, cum ar fi bioxidul de carbon sau ozonul, cu o capacitate
de absorbtie ce nu mai poate fi neglijata la distante mari, de ordinul kilometrilor.
4.1.2. Rezoluția termică
Una dintre primele caracteristici precizate in fișa tehnica a unei ca mere radiometrice este
rezoluția termica. Diferența de temperatura minim sesizabila de catre un sistem termografic poarta numele de rezoluție
termică .
Sistemul este eu atât mai sensibil cu cat poate asigura discriminarea unor diferente de
temperatura ma i mici. Echipamentele actuale destinate examinarilor civile au o rezolutie termica minima
de 0,05°C.
In functie de natura obiectului definirea rezolutiei termice ia diferite forme :
• Diferența de temperatura echivalenta zgomotului (Noise Equivalent Temp erature Difference – NETD),
denumita și sensibilitatea termica, este diferenta de temperatura dintre doua puncte ale obiectului
examinat, sau între un punct al obiectului și un punct al mediului înconjurator, capabila sa produca un
semnal cel putin egal cu tensiunea eficace a zgomotului sistemului.
Definirea acestei marimi se mai poate face cu ajutorul relatiei:
𝑁𝐸𝑇𝐷 =𝑇0−𝑇𝑓
𝑣𝑠/𝑣𝑧
unde: Vz este tensiunea eficace data de zgomotul detectorului, asociata cu eel determinat de
sistemul de preamplificare;
Vs – tensiunea semnal ului rezultat in urma unei iradieri care, la intrarea in sistemul optic, se
presupune a fi superioara celei echivalente zgomotului;
To – temperatura unui corp negru, cu dimensiuni spatiale mult mai mari fata de dimpul
elementar, dar mai mici decat dimensi unile campului total;
Tf – temperatura unui fond termic rece pe care se afla corpul negru.
NETD este o marime care tine cont de zgomotul fotonic și electronic al sistemului și care,
pentru un sistem dat, depinde puternic de temperatura obiectului examina t.
• Diferenfa de temperatura minim sesizabila (Minimum Resolvable Difference – MRTD) este diferenta de
temperatura minima pentru care un sistem de termografiere asigura realizarea unei imagini vizibile pe
care se di sting punctele cu temperaturi diferite.
MRTD este o marime care leaga rezolutia termica de discriminarea spatiala a sistemului. Aceasta
marime exprima influenta zgomotului asupra rezolutiei spatiale. Pentru evaluarea marimii diferentei de
temperatura mini m sesizabile se folosește «mira Foucault». Mira Foucault este un desen conventional cu
linii sau semne de diferite dimensiuni și caracteristici clar precizate care se fo losește ca indicator de
calitate a imaginii. Aceasta reprezentare grafica (Chart Foucau lt sau Test resolution pattern sau Line resolution
target) are ca scop evaluarea puterii separatoare a unui echipament fotografic sau termografic și a
capacitatii sistemului de a produce imagini lizibile (fig. 4.x).
80
Figura 4.x. – Mira Focault – indicator de calitate a imaginii
Definirea rezolutiei termice prin ace st criteriu se face pe baza separarii vizuale a liniilor din
imaginea termica a mirei Foucault, în conditiile în care contrastul termic dintre acestea este foarte mic.
Fiecare set de patru linii are o frecventa dubla fata de precedenta și o înaltime de șap te ori mai mare
decat grosimea unei linii. Definirea acestui criteriu se mai poate face și cu ajutorul relatiei:
𝑀𝑅𝑇𝐷 =∆𝑇1−∆𝑇2
2
unde: ΔT1 este diferenta de temperatura minima, pragul minimal de perceptie vizuala distincta a liniilor
mirei, iar ΔT2 este diferenta de te mperatura pentru care se obtine o imagine foarte clara a liniilor mirei.
• Diferența de temperatura minim detectabila (Minimum Detectable Temperature Difference – MDTD) este
diferenta de temperatura minima între suprafata unui obiect și fondu l pe care est e amplasat (fig. 5. x),
care face perceptibil acel obiect într -o examinare calitativa.
Figura 4.x. – Definirea MDTD
In general, diferenta de temperatura minim detectabila se definește prin relatia:
∆𝑇=𝑇0−𝑇𝑓
unde, To este temperatura unui semn (mira) circular și Tf este temperatura unui fond uniform pe care
se afla amplasat sernnul circular.
MDTD este o marime asemanatoare MRTD determinata pentru o frecventa spatia la nula. Toate
aceste marimi sunt definite prin asimilarea obiectelor respective cu niște corpuri negre.
Determinarea acestei c aracteristici se face prin examinarea a doua obiecte și reducerea diferentei
de temperatura dintre acestea pana la o valoare limita la care nu mai pot fi diferent iate din punct de
vedere termic . Valoarea diferentei de temperatura minim detectabile, determinata prin aceasta metoda,
este valabila doar pentru o anumita temperatura de examinare.
Rezolutia termica poate fi exprimata și prin marimea denumita funcția de răspuns a unei deschideri
foarte mici (fanta), cunoscuta sub denumirea prescurtata SRF (Slit Response Function), sub forma unghiului
subintins de un numar de elemente detectoare pe o linie longitudinaIa.
SRF poate fi diferit in plan orizontal și in plan vertical. Exprimarea aces tei marimi in procente
indica marimea fantei In cazul în care temperatura este precizata in procente din temperatura reala.
Daca masuratorile de temperatura trebuie sa prezinte acuratete, valoarea SRF trebuie sa fie mai
mare de 90%. O valoare de 50% nu es te acceptabila. Unele sisteme de termografiere pot fi similare la
SRF =50%, dar diferite la 90%. Atunci cand se compara doua sisteme de termografiere este necesar sa
se cunoasca temperatura la care SRF este precizata. Daca, intr -un anumit context, este imp ortanta
calitatea imaginii și nu acuratetea masuratorilor, aprecierea rezolutiei termice se face prin determinarea
MRTD, o marime mult mai utila in acest caz. Determinarea diferentei de temperatura minim sesizabile
se face prin vizualizarea unor mici slotu ri de grosime egala a caror temperatura este variata in mod
gradual in raport cu temperatura fondului. Diferenta de temperatura la care sloturile nu mai sunt
diferentiate este valoarea MRTD. Daca în locul sloturilor se folosesc doua obiecte de dimensiuni m ari,
masuratorile vor evidentia marimea MDTD – diferenta de temperatura minim detectabila.
81
4.1.3. Rezolutia spatială
Unghiul solid care limite aza capacitatea de separare a detaliilor obiectului examinat, denumit și
unghiul solid de analiza al sistemului, definește rezolutia spatială. Unghiul solid de analiza al sistemului
rezulta din compunerea mai multor caracteristici ale componentelor, depend ente de tipul
echipamentelor care alcatuiesc sistemul:
– functia de transfer a sistemului optic;
– functia de transfer a detectorului;
– caracteristicile sistemului electronic de prelucrare;
– caracteristicile sistemului de vizualizare și ale ochiului obse rvatorului;
– mecanismul de scanare a imaginii, in cazul sistemelor cu scanare optomecanica;
– factorul de umplere al unui detector matriceal.
O alta definitie a rezolutiei spatiale este: aptitudinea sistemului de a conduce la obtinerea de
imagini separate pentru detalii mici, diferite, ale obiectului examinat.
Rezolutia spatiala poate fi definita și prin marimea intitulata "camp instantaneu de vedere"
(Instantaneous Field of View – IFOV). Aceasta notiune poate fi exprimata sub forma unghiului solid,
determ inat prin raportarea proiectiei suprafetei unui pixel pe cea mai mica tinta detectabila la distanta
pana la tinta, sau sub forma unui unghi plan exprimat in mod uzual in grade sau in miliradiani (fig. 4.x).
In general, cu cat valorile IFOV sunt mai mid, cu atat un echipament este mai bun pentru un
același camp de vedere (Field of View – FOV). Este evident faptul ca elementul distanța este foarte
important atunci cand se pune problema examinarii unui obiect mic de la distanta relativ mare.
Rezolutia este o n otiune diferita de acurate!ea masuratorilor.
Figura 4.x. – Definirea campului de vedere instantaneu – IFOV:
F – distanta focala efectiva a s istemului optic; IFOV – campul de vedere instantaneu; D – distanta
dintre camera IR si obiectul examinat ; A – dimensiunea caracteristica a unui element al detectorului; AP
– proiectia campului de vedere instantaneu.
Capacitatea IFOV mai mare a unui echipament IR permite identificarea mai buna a punctefor
calde sau reci, dar asta nu inseamna ca masuratorile de temperatura sunt mai exacte.
Campul de vedere (FOV) este marim ea care rezulta prin raportarea dimensiunilor spotului de
masurare a tintei la distanta camera -obiect. FOV se exprima tot in grade sau in miliradiani.
Raportul de mărime a spotului (Spot Size Ratio – SSR) este marimea care exprima distanta
maxima a camerei în raport cu tinta pentru o suprafata de examinare data, care înca mai permite
efectuarea unei masuratori precise.
Un SSR de 200:1 arata ca, la o distanfa de 200 m, echipamentul va masura cu acuratețe
temperatura unui obiect cu suprafafa de 1 m2.
SSR este inversul marimii FOV și este o marime utiIa pentru masuratorile la distanta, deși nu
este întotdeauna precizata în specificatiile tehnice.
82
Referitor la rezolutia spatiala, o caracteristica asociata este puterea de marire sau zoom -ul care
poate fi optic s au electronic.
Puterea de mărire (zoom) optica și electronica sunt doar facilitati ale camerelor IR, care însa
nu afecteaza performantele acesteia. Puterea de marire optica reduce câmpul de vedere, FOV, cu o
reducere aparenta a distantei pana la obiect și, prin urmare, cu o creștere a rezolutiei.
Zoom -ul electronic marește imaginea electronica existenta, dar o data cu aceasta și toate elementele de
zgomot asociate.
Rezultatul maririi electronice este acela ca un pixel se vede mai mare, dar nu se obtine o cr eștere
a rezolutiei. Zoom -ul electronic este util in cazul în care se impune o focalizare mai buna. In cazul In
care In vizorul camerei IR imaginea are o «granulatie» mare, deranjanta pentru ochi, se folosește acest
zoom electronic asociat cu o noua reglar e a sistemului optic, în vederea unei focalizari optime.
4.1.4. Rezolutia temporală
Rezoluția temporala sau frecventa de repetare a cadrelor inseamna numarul de imagini preluate
in unitatea de timp și este dependenta de durata in care sistemul de termografiere produce un cadru,
ceea ce insemna integrarea mai multor campuri vizuale necesare pentru obtinerea unui cadru.
Daca frecventa cadrelor este egala cu frecventa campului vizual, atunci nu este necesara nici o
integrare. La compararea a doua sisteme de termogr afiere frecventa cadrelor este foarte importanta.
Astfel, un sistem cu o frecventa mica va produce imagini In dungi, chiar daca deplasarea camerei se face
cu viteza mica.
Rezolutia tempora la a sistemelor de termografiere este o marime caracteristica simila ra celei
folosite pentru domeniul vizibil, In sistemele TV.
4.1.5. Alte marimi caracteristice
In afara marimilor caracteristice mai sus enumerate, In literatura de specialitate sunt precizate și
multe alte marimi, cu o raspandire ceva mai restransa, cum ar fi:
• Funcția de transfer modular (Modulation Transfer Function – MTF), care descrie
corespondenta dintre modularea semnalului de ieșire și modularea semnalului de intrare, cand semnalul
de intrare are o forma sinusoidala;
• Funcția de transfer al contrastulu i (Contrast Transfer Function – CTF) care este
corespondenta dintre modularea semnalului de ieșire și cea a semnalului de intrare pentru cazul in care
semnalul de intrare este modulat sub forma unor impulsuri dreptunghiulare;
• Contrastul minim sesizabil (Contrast Minimum Resolvable – MRC)
• Funcția de răspuns al fantei (Slit Response Function – SRF) este raportul dintre diferenta
semnalului de ieșire provenit de la o fanta foarte îngusta și fondul pe care aceasta este amplasata
(Sfantă îngustă −Sfond)și diferenta semnalului de ieșire obtinut de la o fanta foarte larga și fondul pe
care aceasta este amplasata (Sfantă largă −Sfond);
Marimile MTF, CTF și SRF sunt strans legate intre ele și furnizeaza informatii privind ab ilitatea
sistemului de a genera imagini de buna calitate, cand semnalul de intrare este mare și zgomotul
neglijabil. Cand una dintre aceste trei marimi este cunoscuta, teoretic, celelalte doua potfi calculate.
• Funcția de transfer al semnalului (Signal Tr ansfer Function – SiTF) , care se mai numește și
functia de raspuns a sistemului, reprezinta dependenta semnalului de ieșire (iluminarea ecranului unei
camere IR sau semnalul electronic al acesteia) de temperatura tintei;
83
Marimea SiTF furnizeaza injormații privind amplificarea, linearitatea sau proporționalitatea
sistemului, domeniul dinamic și saturația acestuia.
• Domeniul de focalizare (Focus Range – FR);
• Paternul zgomotului stabil (Fixed Pattern Noise – FPN), care este o marime ce caracterizeaza
variatiile de frecventa spatiaIa înalta la ieșirea detectorului, generate de o tină uniforma cu suprafata
mare;
• Neuniformitatea , care este o marime ce caracterizeaza variatiile de frecventa joasa ale
semnalului de ieșire determinate de o tinta uniforma cu sup rafata mare;
Marimile FPN și "neuniformitatea" se refera la orice "pattern" (model) al zgomotului spațial,
care nu se schimba semnificativ de la un cadru la altul. Pentru un detector matriceal perfect, semnalul la
ieșirea detectorului este același.
• Supra fala inactivă a detectorului matriceal sau zona moarta; Existența unor zone inactive
in matricea detectoare (suprafața care inconjoara un element sensibil) poate fi mascata de catre
utilizatori prin manevre soft, care constau fn calculul valorilor medii al e semnalului generat de
elementele active și extrapolarea acestor valori la zonele inactive. Totuși, marimea suprafe tei inactive
este o caracteristica care influențeaza calitatea imaginii.
• Capacitatea camerei de a putea lucra cu mai multe obiective și flltre . Numeroase tipuri
de camere lucreaza cu o gama de obiective și/sau filtre care permite efectuarea de examinari de la nivel
microscopic la nivel telescopic și de la temperaturi negative la temperaturi inalte de peste 1000°C. Este
esential ca un obiectiv sau un filtru sa fie recunoscut de camera la care este montat. Recunoașterea poate fi
automata sau prin introducere a informatiei de catre operator.
O camera cu un obiectiv de 16°, de exemplu, asigura un camp instantaneu de vedere, IFOV de
1,2 mrad. Cu un obiectiv de 4°, marirea optica este de patru ori mai mare decelt cea obținuta cu
obiectivul de 16°, ceea ce va conduce la obfinerea unei marimi a campului instantaneu de vedere de 0,3
mrad.
Filtrele sunt accesorii uzuale ale camerelor IR. Numai unele echipamente cu destinatie speciaIa
contin un filtru fix, pentru o filtrare permane nta. Filtrele, transparente pentru un anumit interval de
lungimi de unda, au ca scop selectarea radiatiei infraroșii utile într -o anumita aplicatie și împiedicarea
radiatiei nedorite de -a ajunge la detector. De regula filtrele reduc sensibilitatea și pot a fecta semnificativ
acuratetea unei masuratori.
• Radiația echivalentă zgomotului – reprezinta energia minima care, daca este furnizata
sistemului, conduce la produeerea unui semnal cel putin egal eu cel produs de zgomotul pro priu
sistemului.
Un obiect, cu dimensiuni unghiulare mai mari decat cele corespunzatoare rezoluției spațiale a
sistemului, care emite o radiație infraroșie, astfel incat iradierea produsa la nivelul diafragmei de intrare
in dispozitivul optic sa fie superi oara din punct de vedere energetic zgomotului intern, are toate șansele
de a genera la ieșirea din sistem o imagine corect concordanta cu obiectul, daca diferenfa de
temperatura aparenta fntre obiect și mediul înconjurator este superioara rezoluției termic e.
4.2. Verificarea sistemelor de termo viziune
4.2.1. Testarea
Testarea unui sistem nu este numai o obligatie a produditorului ci și a utilizatorului atît, la
achizitionarea unui echipament, cât și periodic, pentru verificarea stabilitatii caracteristicilor în timp sau
pentru corectia unor marimi caracteristice precizate în functie de cerintele de experimentare.
84
Din cauza numarului mare de componente și de marimi caracteristice ale fiecăreia, practic, s -a
constatat ca doua camere cu aceeași specificatie tehnica pot avea unele caracteristici diferite sau o
aceeași camera dupa ce a fost folosita un anumit interval de timp își poate modifica unele caracteristici.
Din cauza aceasta, utilizatorii care doresc sa -și cunoasca mai bine echipamentul trebuie sa efectueze o
serie de teste de verificare. Incerearea sistemelor de termografiere este reglementata de diverse norme
specifice domeniului de aplicabilitate. Una dintre incercarile cel mai raspandite este cea referitoare la
determinarea diferentei de temperatura minim sesiz abile, MRTD.
Pentru realizarea testului se folose ște un aparat denumit corp negru diferențial cu ajutorul caruia se
pot stabili doua plane izoterme paralele eu temperaturi diferite și cu emisivitati efective egale cu 1.
Aparatul stabilește o temperatura de corp ne gru pentru setul de bare și alta temperatura de corp negru
pentru setul de spatii albe dintre bare (bare conjugate). Pe un monitor se vizualizeaza harta termica a
etalonului cu bare. Diferenta de temperatura dintre bare și conjugatele lo r, initial nula, este marita
progresiv pana eand observatorul ajunge sa distinga cele patru bare negre.
85
Figura 4.x. – Sistem de testare a camerelor de termoviziune – sursa: INFRAMET.
a) colimator optic; b) corp negru; c) controller co rp negru.
Diferenta de temperatura critica astfel determinata este MRTD. Pentru ca masurarea sa fie
corecta, se impune ca temperatura fiecărei bare sa nu difere d e temperatura oricarei alteia mai mult
decat cu diferenta de temperatura critica, MRTD. Aceeași cerinta se impune și barelor conjugate. De
asemenea, pentru ca testul sa fie reproductibil, este necesar ca temperatura fundalului și frecventa
spatiala sa fie specificate pentru fiecare determinare a MRTD. Aceasta marime are o semnificatie
practica deosebita, întrucât estimeaza capabilitatea sistemelor din punct de vedere al rezolutiei termice și
permite compararea acestora.
Cu cat valorile MRTD sunt mai mici cu atat sistemul are rezoluția mai buna. Standardul NATO,
STANAG 4348, intitulat – «Masurarea diferenței minime de temperatura sesizabila (MRTD) a camerelor
IR», considera caracteristica MRTD ca fiind cea mai importanta marime în evaluarea sistemelor
termogr afice cu destinatie militara. Cunoașterea acestei marimi permite determinarea capacitatii de
detectie, de recunoaștere și de identificare a tintelor militare.
MRTD este, ca și MDTD, o caracte ristica subiectiva, întrucat depinde de capacitatea de
observare a operatorului care, la randul ei, este dependenta de particularitatile fiziologice și psihice ale
operatorului și de experienta acestuia în domeniu. In figura 5. x sunt prezentate cateva tipu ri de tinte
folosite In mod frecvent pentru incercarea sistemelor.
Figura 4.x. – Tipuri de tinte folosite pentru testarea sistemelor de termoviziune – sursa: INFRAMET.
1,8, – tinte cu patru bare pentru determinarea MRTD;
2,3,6 – tinte pentru verifica era MDTD;
4,5, – tinte pentru verificarea SRF;
9, 13 – tinta pentru verificarea MRC;
7,10,11,12 – tinte pentru verificarea caracteristicilor geometrice si a rezolutiei spatiale;
14 – tinte pentru simularea capabilitatilor de detectie/recunoastere.
In figura 5. x – 9 este prezentata o tinta folosita pentru verificarea contrastului minim sesizabil
(Minimum Resolvable Contrast – MRC). Tinta este alcatuita dintr -o serie de șase elemente sub forma de
bare, cu marime descrescatoare, și cifre, cu marime crescatoare. Incercarea consta în determinarea
contrastului dintre barele negre și spatiile albe dintre acestea la dimensiuni cat mai mici sau in
evidentierea cifrelor negre cat mai mici pe fond ul alb.
4.2.2. Etalonarea
Etalonare a sistemelor de termografiere cu ajutorul corpului negru consta in trasarea curbelor de
corespondenta intre marimea semnalului de ieșire din camera IR și temperatura sau radianta corpului
86
negru. Cel mai frecvent, pentru etalonare se folosește corespondenta intre semnalul de ieșire, s, sub
forma analogica sau digitala și temperatura corpului negru, T.
Principiul este simplu: se așeaza camera IR in fata deschiderii unui corp negru și se stabilește
dependenta s = f(t). Marimea de ieșire variaza in functie de c onditiile de utilizare a echipamentului, in
principal in functie de:
– deschiderea diafragmei de intrare ;
– unghiul de observare, determinat de obiectivul montat ;
– alte accesorii, cum ar fi filtrele, care deformeaza curbele raspunsului spectral.
Curba de etalonare poate evolua in timp, ca urmare a imbatranirii elementelor care alcatuiesc
sistemul de termografiere, in special a componentelor electronice. De aceea, se recomanda etalonarea
periodica, cel putin de doua ori pe an. Acest lucru depinde insa de pr ecizia impusa determinarilor
efectuate cu echipamentul supus etalonarii.
Intrucat corpul negru perfect nu exista in realitate, el fiind o notiune pur teoretica, pentru
etalonare se utilizeaza dispozitive cu un comportament termic ce îl aproximează pe cel a l unui corp
negru. In figura 5. x este prezentat drept exemplu un dispozitiv care se folosește in acest scop.
Dispozitivul este alcatuit dintr -o incinta cu o lungime mult mai mare decat suprafata orificiului (1 inch
diametru ) deschis spre exterior. Incinta este prevazuta cu o cavitate ce are suprafata interioara captușita
cu un material cu o mare capacitate de absorbtie a radiatiei infraroșii (emisivitatea fiin d > 0.98 in
spectrul 2 – 12 µm) și este incalzita in mod uniform de o rezistenta electrica (in gama de temperatura
50-1000 °C). Spre exterior, disiparea caldurii este impiedicata de o izolatie termica. Temperatura in
interiorul incintei este masurata cu o sonda amplasata la baza cavitatii.
Figura 4.x. – Simulator de corp n egru – sursa: SANTA BARBARA INFRARED .
Procedeul experimental folosit pentru trasare a curbelor de etalonare consta in înregistrarea
semnalului s in functie de temperatura corpului negru.
𝑠=𝛾𝑅𝜆 (𝜆,𝑇)+𝑈0
unde, Rλ este radianta corpului negru; γ este un factor care tine cont de raspunsul detectorului și Uo
reprezinta un eventual decalaj initial.
Domeniul de variatie a temperaturii trebuie sa fie limitat, întrucat de marimea acestui domeniu
depinde marimea erorilor de ma surare. Astfel, pentru un domeniu de temperaturi de 500°C erorile de
masurare sunt de 1%, in timp ce pentru un interval de 1000°C erorile sunt de 10%. In cazul în care
determinarile se vor face intr -un interval mare de temperaturi, pentru etalonare, se va imparti domeniul
respectiv in mai multe subdomenii in vederea evitarii aparitiei unor erori prea man.
Verificarea stabilitații in timp, este o cerinta importanta a etalonarii intrudit un același semnal
termic poate sa produca un semnal electric la ieșirea din detector diferit exclusiv din cauza sistemului. O
alta caracteristica verificata la etalonare este timpul de raspuns al detectorului, definit ca fiind timpul
necesar pentru ca semnalul electric de ie șire sa ajunga la peste 60% din valoarea lui finală atunci cand
este supus la o variatie brusca a iradierii.
87
4.3. Analiza și compararea performanțelor sistemelor de termoviziune
Costul unei camere de termoviziune este dat de sistemul optic si de ansamblul senzor – sistem
de racire. Sistemul optic trebuie sa asigure o transmisie foarte buna a radiatiei, el fiind realizat in general
dintr-un sistem complex de lentile din germaniu sau siliciu. Cum germaniul si siliciul sunt materiale
foarte scumpe, soluti ile furnizat e de unii producatori care doresc promovarea produselor la costuri cat
mai mici au si implicit un nivel de calitate scazut . Din pacate in specifi catia tehnica a unei camere in de
termoviziune nu sunt mentionate decat caracteristicile senzorului, doua camere total diferite din punct
de vedere al solutiei teh nice adoptate pentru sistemul optic apar ca fiind identice pe hartie, diferenta
intre ele fiind foarte mare in realitate.
Procesul de detectie a unei tinte este demarat de catre observator printr -un proces de cautare al
aparitiei unui posibil eveniment pe un monitor adecvat; aceasta activitate consta in trei etape
intercorelate: detectie, recunostere si identificare. Complexitatea acestor etape poate fi evidentiata si din
prezentarea factorilor de baza care le influenteaza si care pot fi impartiti in urmatoarele mari categorii
de date:
Datele de intrare
o dimensiunea tintei;
o temperatura tintei;
o diferenta de temperatura mi nim detectabila a tintei;
o viteza tintei ;
o dimensiunea fundalului;
o temperatura fu ndalului;
Datele de sistem
o caracteristicile sistemului optic;
o caracteristicile elementului de conversie;
o caracteristicile sistemului electronic;
o caracteristicile sistemului de afisare (ale monitorului): diagonala monitorului, distanta
pana la monitor, v iteza tintei pe monitor, frecventa de cadre;
Datele de iesire
o domeniul spectral de interes pentru supravegherea campului tactic;
o distanta de observare;
o diferenta de temperatura minim detectabila;
o diferenta de temperatura minim rezolvabila
o rezolutia geometr ica optima;
o dimensiunea optima a monitorului
o probabilitatea de observare (detectie, recunoastere sau identificare)
EXEMPLE DE CALCUL
A) DETERMINAREA DOMENIULUI SPECTRAL OPTIM – se bazeaza pe criteriul celui mai
bun raport semnal -zgomot (SNR) ; fie un apar at de conversie de detectie bazat pe o matrice cu element
de conversiei, care vizeaza un fundal cu temperatura Tf = 270C;
in domeniul 3…5 μm:
o Emitanta radianta a fundalului este Wf= 5,56 x 10-4 [W];
o Variatia cu temperatura a emitantei radiante
88
TW
2 x 10-5 [W/cm1/2K];
o Contrastul radiatiei CR= 1,72%/0C;
R RfWTWT
SNR
036,0
in domeniul 8…14 μm :
o Emitanta radianta a fundalului e ste Wf= 1,72 x 10-2 [W];
o Variatia cu temperatura a emitantei radiante
TW
2,62 x 10-4 [W/cm1/2K];
o Contrastul radiatiei CR= 0,74%/0C;
B) DETERMINAREA DISTANȚEI MAXIME DE DETECȚIE
Exemplul 1: detecția unei tinte tip om singular
Date de intrare in sistem:
o dimensiunea tintei: figura omului (avand o arie A este de aprox. 2 cm2 )
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 27 ° C
o temperatura fundal: 0° C; 10° C; 30° C;
Date de sistem:
o transmisia atmosferica: 90%
o transmisia sistemului optic: 80%
o pupila de intrare in modulul optic = 120 mm
o distanta focala a modului optic = 100 mm
o suprafata ele mentului de conversie = 1 mm2
o detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce
inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;
o domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm
Date d e iesire din sistem:
o calitatea observarii : detectie
o criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N
= 2 (de ex. pentru recunoaștere, a cest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de
certitudine stat istica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )
o distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2 ; pentru cele trei
cazuri se vor obține urmatoarele valori :
L1 max = 900 m pentru temperatura fundalului de 0 ° C;
L2 max = 740 m pentru temperatura fundalului de 10 ° C;
L3 max = 480 m pentru temperatura fundalului de 30 ° C;
Exemplul 2 : detecția unei tinte tip grup compact de 4 oameni
Date de intrare in sistem:
R RfWTWT
SNR
015,0
89
o dimensiunea tintei: figura grupului de oameni ( fiecare om avand o arie A este de aprox.2
cm2 ) 4 x 2 cm2 = 8 cm2
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 27 ° C
o temperatura fundal: 0 ° C; 10 ° C; 30 ° C;
Date de sistem:
o transmisia atmosferica: 90%
o transmisia sistemului optic: 80%
o pupila de intrare in modulul optic = 120 mm
o distanta focala a modului optic = 100 mm
o suprafata elementului de conversie = 1 mm2
o detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce
inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;
o domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm
Date de iesire din sistem:
o calitatea observarii : detectie
o criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N
= 2 (de ex. pentru recunoașter e, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de
certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )
o distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2; pentru cele trei
cazuri se vor obține urmatoarele valori
L1 max = 1800 m pentru temperatura fundalului de 0 ° C;
L2 max = 1480 m pentru temperatura fundalului de 10 ° C;
L3 max = 960 m pentru temperatura fundalului de 30 ° C;
NOTA: Radiatia emisa creste cu temperatura. Daca ti ntele observate au temperaturi inalte , atunci
distantele de detectie cresc substantial.
Exemplul 3: detecția unei ținte punctiforme plane .
Date de intrare in sistem:
o dimensiunea tintei: 1 m2 = 10 000 cm2
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 80 °C
o temperatura fundal: 0 ° C; 10 ° C; 20 ° C; 30 ° C;
Date de sistem:
o transmisia atmosferica: 90%
o transmisia sistemului optic: 80%
o pupila de intrare in modulul optic = 120 mm
o distanta focala a modului optic = 100 mm
o suprafata elementului de conversie = 1 mm2
o detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce
inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;
o domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm
Date de iesire din sistem:
o calitatea observarii : detectie
o criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N
= 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de
certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )
90
o distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2 ; pentru cele trei
cazuri se vor obține urmatoarele valori
L1 max = 14 km pentru temperatura fundalului de 0 ° C;
L2 max = 13,2 km pentru t emperatura fundalului de 10 ° C;
L3 max = 12,7 km pentru temperatura fundalului de 20 ° C;
L4 max = 11,7 km pentru temperatura fundalului de 30 ° C
Exemplul 4: d etecția unei ținte punctiforme volumice (reactor de avion)
Date de intrare in sistem:
o dimensiunea tintei: diametrul de 60 cm
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 600 °C
o temperatura fundal: 0 ° C;
Date de sistem:
o transmisia atmosferica: 90%
o transmisia sistemului optic: 80%
o pupila de intrare in modulul optic = 120 mm
o distanta focala a mo dului optic = 100 mm
o suprafata elementului de conversie = 1 mm2
o detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce
inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;
o domeniul spe ctral de lucru de 3…5.5 µm
Date de iesire din sistem:
o calitatea observarii : detectie
o criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N
= 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , simila r coeficientului de
certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )
o distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2;
L max = 100 km
Exemplul 5: Ținta plană
Date de intrare in sistem:
o dimensiunea tintei: de forma patrata,cu dimensiunea laturii de 2 m
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 227 °C
Date de sistem:
o transmisia atmosferica : 80%
o pupila de intrare in modulul optic = 60 mm
o distanta focala a modului optic = 100 mm
o suprafata elementului de conversie = 1 mm2
o detectivitatea specifica D*= 1010 [cmHz 1/2/ W]
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz (ceea ce
inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;
o domeniu l spectral de lucru de 3…5.5 µm
Date de iesire din sistem:
o calitatea observarii : detectie
o criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N
= 1 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de
certitudine s tatistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )
91
o distanta de detectie maxima: Lmax =
Lmax =
1000 1010 10 941025 1067,5
68 4 8 8
= 40170m ≈ 40 km
Obs.: Imaginea țintei , pentru aceasta distanta , are ca dimensiuni
max2000Lfmmob
≈0,005 mm
(fara a se tine seama de aberații); aceasta imagine este mult mai mica decât suprafața sensibila a
elementui de detecție si decât câmpul vizual instantaneu .
C) DETERMINAREA DIFERENȚEI DE TEMPERATURĂ MINIM DETECTABILA
Exemplul 1
Date de intrare in sistem:
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura tintei : 27 0 C
Date de sistem :
o camp vizual total A = 400 mrad; B= 300 mrad
o pupila de intrare in modulul optic = 20 mm
o dimensiunea elementului de conversie = patratic, cu latura a = b = 50 μm
o camp vizual instantaneu α =β = 1 mrad
o numar de elemente de detectie N = 150
o detectivitatea specifica D*= 2×1010 [cm Hz1/2 / W ]
o frecventa de cadre fc =30 Hz;
o randament ηe = 0,64
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz
o domeniul spectral de lucru de 8…12 µm
Date de iesire din sistem :
o timpul de baleiaj necesar τ= N ηe τob / ABfc= 2,67×10-5sec.
o latimea de banda electrica ΔfR = π / 4 τ = 29,4 KHz
o diferența de temperatura minim detectabila NETD ; NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,0 5cm
x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,48x1mrad x 1mrad x(2 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm
Hz1/2/W=0,36 0 C
Exemplul 2
Date de intrare in sistem :
o emisivitatea tintei: 1
o temperatura fundalului : 7 0 C; 17 0 C; 27 0 C; 37 0 C
Domeniu spectral
]Kcm/W[TW 2
pentru temperatura fundalului de
7 0 C 17 0 C 27 0 C 37 0 C
3…5µm
5101,1
51054,1
5101,2
51081,2
8…14µm
41058,1
41077,1
41097,1
41071,2
Date de sistem :
o domeniu spectral: 3…5µm; 8…14µm
92
o camp vizual total A = 400 mrad; B= 300 mrad
o pupila de intrare in modulul optic = 100 mm
o dimensiunea elementului de conversie = patratic, cu latura a = b = 50 μm
o camp vizual instantaneu α =β = 1 mrad
o numar de elemente de detectie N = 150
o detectivitatea specifica D*= 2×1010 [cm Hz1/2 / W]
o frecventa de cadre fc =30 Hz;
o randament electric ηe = 0,64
o largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz
Date de iesire din sistem : NETD pentru ambele domenii spectrale, precum si raportul relativ
al NETD
o Pentru domeniul spectral: 3…5µm
NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/2,81×10-5 x1mrad x
1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,1 0 C;
o Pentr u domeniul spectral: 8…14µm
NETD (pentru T= 7 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,58×10-4 x1mrad x
1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,013 0 C;
NETD (pentru T= 17 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,77×10-4 x1mrad x
1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,012 0 C;
NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,97×10-4 x1mrad x
1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,011 0 C;
NETD (pentru T= 37 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/2,17×10-4 x1mrad x
1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,010 0 C;
Se constata ca raportul
65,3)m14…8( NETD)m5…3( NETD , ceea ce arata ca domeniul 3…5 µm este mai adecvat
decat 8…14 µm pentru un NETD mai bun
D) DETERMINAR EA DIFERENȚEI DE TEMPERATURĂ MINIM REZOLVABILĂ
Pentru recunoașterea unei ținte cu probabilitatea de 90% , k 4,5 se cunosc :
Date de intrare:
o diferența de temperatura minim detectabila = 0,36 0C;
Date de sistem:
o latimea de banda electrica : ΔfR = 29,4KH z;
o timpul de baleiaj necesar : = 2,67×10-5sec;
o α = β = 1mrad;
o frecventa de cadre : fc = 30 Hz;
Date de iesire:
o diferenta de temperatura minim rezolvabila MRTD[0C] = 0,49 fT / fR
si are alura din fig.2.21
93
1. SIMULARE DISTANTE DE DETECTIE LA CAMERA T ERMALA SCD
Fig. 1 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal;
camera SCD cu f = 180 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 7,5 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 3 Km
94
Fig. 2 Distanta d e detectie pentru tinta 0,5 x 1,8m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal;
camera SCD cu f = 180 mm
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 3,3 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,5 Km
Fig. 3 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5 m , si difer enta de temperatura 20C fata de fundal;
camera SCD cu f = 60 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 2,7 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,3 Km
Fig. 4 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m si diferenta de temperatura 20C fata de fund al;
camera SCD cu f = 60 mm;
95
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 0,36 Km; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,37Km
2. SIMULARE DISTANTE DE DETECTIE LA CAMERA TERMALA PHOTON
Fig. 5 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5m , si diferenta de temper atura 20C fata de fundal;
camera Photon cu f = 100 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 4,2 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 2 Km
Fig. 6 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal;
camera P hoton cu f = 100 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 1,2 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,8 Km
96
Fig. 7 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5 m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal;
camera Photon cu f = 60 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 1,3 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,2 Km
Fig. 8 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal;
camera Photon cu f = 60 mm;
Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 0,26 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,27 Km
Concluzie
Camera termala SCD Camera termala Photon
fob = 180 mm
fob = 60 mm fob = 100 mm fob = 60 mm
Ținta tanc
2,3 x2,3 m Ținta om
0,5x 1,8m Ținta tanc
2,3 x2,3 Ținta om
0,5x 1,8m Ținta tanc
2,3 x2,3 Ținta om
0,5x 1,8m Ținta tanc
2,3 x2,3 Ținta om
0,5x 1,8m
97
m m m
2,7 Km
σ= 1[1/km] 1,5
1,2
0,36
1,84
0,8
1,2
0,26
6,9 Km
σ=
0.2[1/km]
3,3
2,5
0,37
3,86
1,2
1,1
0,27
98
5. APLICA ȚIE PRACTICĂ
– dezvoltarea unor algori tmi (folosind MATLAB / Simulink) pentru prelucrarea imaginii unui detector
de termoviziune; se vor implementa și demonstra funcțiile de corecție a neuniformității, detecția și
înlocuirea pixelilor defecți, controlul imaginii, etc.
99
CONCLUZII
se reg ăsesc cele mai importante concluzii din lucrare, opinia personal ă privind rezultatele ob ținute în
lucrare, precum și (opțional) poten țiale direc ții viitoare de cercetare legate de tema abordat ă. Concluziile
proiectului nu se numeroteaz ă ca și capitol;
100
BIBLIO GRAFIE
lista tuturor surselor de informa ție utilizate de către absolvent pentru redactarea proiectului și care au fost
citate în text .
Bibliografia – constituie în șiruirea referin țelor bibliografice citate în text . Dac ă s-a ales varianta numerot ării
[1][2]…, referin țele se vor lista în ordine cresc ătoare, iar dac ă s-a ales o variant ă literar ă, în ordine
alfabetic ă a numelui sau prescurt ării folosite. Se vor respecta urm ătoarele reguli de redactare:
1. Carte:
Exemplu:
[1] Neanderthal, H., Tranzistoare M OS cu grila de piatr ă, Editura Papyrus, Stonehenge, 20000 î. Hr.
2. Articol dintr -o revist ă sau din volumele unei conferin țe:
Exemplu:
[2] Ivanovici, I. I. , “Electronic Nothingness”, în Journal of Emo Electronics , nr.5/2012, pp.12 -30.
3. Standarde, docu mente ale unor organiza ții:
Exemplu:
[3] RFC90210, A standard for waterless communications between whales , International Standards Organization,
Section XVIII, 2030
4. Documente disponibile exclusiv online :
Exemplu:
[4] Transistors considered harmful for the future of vacuum tubes ,http://www.leedeforest.org/Transistor ,
accesat la data: 23.8.1944
Referințele bibliografice în text – se citeaz ă materiale tip ărite (c ărți și capitole în c ărți, articole și lucrări
conferin țe tipărite), surse electronice (articole și lucr ări conferin țe disponibile on line, site -uri
consultate) și standarde/propuneri de standarde; referin țele în text se fac sub una din urm ătoarele
forme, care vor corespunde întocmai între tex t și bibliografie. Se p oate folosi una din variantele:
numerotare cresc ătoare, în ordinea cit ării în text: [1], [2], …
numele autorului/primului autor, sau numele standardului/documentului, urmat de anul
apari ției: [Bernoulli, 1750], [National Instrume nts Application note 150, 1999]
o prescurtare unic ă format ă din litere și cifre, de exemplu: pentru c ărți/articole, ini țialele
autorului (primului autor) urmate de anul apari ției: [AB86], [MW06], …; pentru standarde, numele
sau prescurtarea standardului: [ RFC4531], …; pentru documente de firmă, foi de catalog, sau alte
documente la care nu se precizeaz ă explicit autorul, o prescurtare la alegere: [TEK01], [NAT01],
[WWW1], …
101
ANEXA 1 –
102
ANEXA 2 –
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: prezentată ca cerin ță parțială pentru ob ținerea titlului d e Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul… [627391] (ID: 627391)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.