Grundlagen des ungekühlten Mikrobolometers

Lernen Sie die Grundlagen ungekühlter Mikrobolometer kennen, ihre Funktionsweise, ihre wichtigsten Eigenschaften sowie Applikationen der Infrarotbildgebung und Temperaturmessung.

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So funktioniert ein Bolometer

Mikrobolometer sind Wärmesensoren, Applikationen in Applikationen Infrarotbildgebung und Applikationen. Ein Mikrobolometer besteht aus einer Anordnung wärmeempfindlicher elektrischer Widerstände. Die auf die Detektoroberfläche treffende Infrarotstrahlung verändert den Widerstand der einzelnen Bolometerpixel, was wiederum zu einer Spannungsänderung führt.
Die elektrischen Signale werden anschließend von der Kamera verarbeitet und in ein digitales Bild umgewandelt. Dadurch wird die Intensität der Infrarotstrahlung sichtbar gemacht, was die Erkennung von Temperaturunterschieden und thermischen Mustern ermöglicht.

Weitere Informationen zu ungekühlten IR-Detektoren finden Sie auf derWebsite des Fraunhofer IMS.

Rolling-Readout-Eigenschaften eines Mikrobolometers

Fast alle in der Praxis eingesetzten Mikrobolometer nutzen das Rolling-Readout-Verfahren. Das bedeutet, dass die Auslesung der Pixel über das Bolometerarray versetzt erfolgt. Anstatt alle Elemente gleichzeitig auszulesen, werden sie einzeln oder in Gruppen (Zeile für Zeile) ausgelesen, ähnlich wie bei einer Kamera mit shutter.

Dieser gestaffelte Ansatz trägt dazu bei, die Auswirkungen des Ausleserauschens auf das Signal zu verringern, da das Rauschen zeitlich verteilt wird und die Bolometerelemente Zeit haben, sich vor dem nächsten Auslesen zu erholen.

Die Rolling-Readout-Funktion erfordert eine präzise Synchronisation zwischen dem Abtastvorgang und der Datenerfassung, um genaue Messungen zu gewährleisten.

Die thermische Zeitkonstante des Bolometers liegt je nach Kameratyp zwischen 7 und 12 ms.

Typische Parameter eines Mikrobolometers

Hier sind die wichtigsten Merkmale eines Mikrobolometers:

Reaktionsfähigkeit

Die Empfindlichkeit bezeichnet die Fähigkeit des Sensors, Temperaturänderungen in Änderungen des elektrischen Signals umzuwandeln. Sie wird in der Regel in Volt pro Watt (V/W) gemessen und ist ein Maß für die Sensitivität Mikrobolometers. Eine höhere Empfindlichkeit weist auf Sensitivität größere Sensitivität Temperaturschwankungen hin.

Thermische Sensitivität

Sensitivität thermische Sensitivität ein Maß dafür, wie kleine Temperaturänderungen das Mikrobolometer erfassen kann. Sie wird üblicherweise in Einheiten wie mK (Millikelvin) pro Watt angegeben. Eine höhere thermische Sensitivität , dass der Sensor kleinere Temperaturunterschiede erfassen kann.

Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD)

Der NETD ist ein entscheidender Parameter, der die kleinste Temperaturdifferenz quantifiziert, die das Mikrobolometer unter Rauschbedingungen erfassen kann. Er wird üblicherweise in mK gemessen und steht in umgekehrtem Verhältnis zur thermischen Sensitivität des Sensors. Niedrigere NETD-Werte weisen auf eine bessere Leistung bei geringen Temperaturunterschieden hin.

Spektralbereich

Mikrobolometer sind in der Regel für den Betrieb in bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereichen ausgelegt, wie beispielsweise im langwelligen Infrarotbereich (LWIR), im mittelwelligen Infrarotbereich (MWIR) oder im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). Der Spektralbereich bestimmt, welche Arten von Wärmequellen oder Objekten der Sensor erfassen kann.

Bildfrequenz

Die Bildrate eines Mikrobolometers gibt an, wie schnell es Wärmebilder erfassen und verarbeiten kann. Sie wird in der Regel in Bildern pro Sekunde (FPS) gemessen und variiert von Sensor zu Sensor. Höhere Bildraten sind für Applikationen wünschenswert, Applikationen Echtzeit-Bildgebung oder -Video erfordern.

Thermische Zeitkonstante

Die thermische Zeitkonstante eines Mikrobolometers ist die Zeit, die der Sensor benötigt, um als Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der einfallenden Strahlung etwa 63,2 % seiner Endtemperatur zu erreichen. Sie ist ein wichtiger Parameter für das Verständnis der Reaktionszeit des Sensors. Die thermische Zeitkonstante der IRSX-I-Kamera beträgt bis zu 12 ms.

Pixelgröße

Mikrobolometer sind Sensoren in Form von Arrays mit mehreren einzelnen Pixeln. Die Größe jedes einzelnen Pixels bestimmt die räumliche Auflösung des Sensors. Kleinere Pixelgrößen können eine höhere räumliche Auflösung bieten, gehen jedoch möglicherweise zu Lasten Sensitivität.

Korrektur der Inhomogenität (NUC)

Bei Mikrobolometern können von Pixel zu Pixel unterschiedliche Sensitivität auftreten, was zu Bildartefakten führt. Algorithmen zur Korrektur von Ungleichmäßigkeiten werden eingesetzt, um diese Schwankungen auszugleichen und ein gleichmäßiges Bild zu erzeugen.

IR – Knowledge Base