Детекцијаинфрацрвеногзрачења

Милко Бабић, РПЗ

Увод

IC и UV зрачење су дијелови спектраелектромагнетног зрачења најближивидљивој свјетлости

Иако дјелују на људско тијело предавањемтоплоте или изазивањем опекотина остајуневидљиви

Глобалне климатске промјене и озонске рупесу довеле до тога да су IC и UV зрачењепостали два најчешеће кориштена физичкапојма у медијима

Подучавање о невидљивим аспектимаприроде који су недоступни људскимчулима је сложеније од подучавања остварима које ученик може видјети,чути, мирисати или додирнути

Учинити видљивим неки невидљивидио физичке стварности јенајједноставнији и најјачи доказ оњеговом постојању

Детекција свјетлости

Данашњи дигитални фотоапарати задетекцију свјетлости користе тзв. CCDчипове или CMOS чипове

Добитници Нобелове награде за физику у 2009.

Чарлс Као Вилард Бојл Џорџ Смит

за изум CCD чипа 1969. г.радећи у Беловим лабораторијама уЊу Џерсију

за изуме у везипреносасвјетлости уоптичкимвлакнима

Да би неки фотон био детектован онмора бити апсорбован. Исто важи заCCD чип, фотографски филм илимрежњачу

То значи да је спектрална осјетљивостдетектора блиско повезана са апсорбционимспектром преко механизма детекцијезрачења.

У стуктури полупроводника силицијума фотонсе детектује приликом његове апсорпције одстране електрона. Том приликом електронпрелази из валентне у проводну зону

Пар електрон-шупљина настао апсорпцијомфотона детектује CCD или CMOS, тј. њиховекомпоненте испод површине чипа.

електронска апсорпција

руб апсорпције

апсорпцијарешетке

Коефицијент апсорпције (µ) силицијума

Граница апсорпције је је на таласнојдужини 1,1µm и одређена је шириномзабрањене зоне 1,1 eV.

За краће таласне дужине – већеенергије фотона, апсорпција наглорасте

Полудебљина апсорбера за таласнудужину 1,1µm је неколико центиметараа за плаву свјетлост неколиконанометара силицијума

У далеком IC подручју од 1,1-7 µmсилицијум добро пропушта зрачење,али у овом подрују зрачење апсорбујевибрације решетке а овај механизам јебескористан за детекцију у структуриCCD чипа.

Стварна спектрална осјетљивост CCDчипа је благо различита од спектралнеосјетљивости силицијума

Осјетљивост CCD чипа

Пад осјетљивости је видљив за краћеталасне дужине (плава свјетлост).Разлог за овај пад је што CCD детектујефотон само у случају да је онапсорбован у p-n слоју. Силицијумдобро апсорбује плаву свјетлост, такода је она у великој мјери апсорбованаприје него што стигне до p-n споја

Из апсорпционог спектра је видљиво даCCD детектује и IC зрачење

ово није пожељно јер је циљ да имамосвјетлосни детектор који има потпуноисту осјетљивост као људско око. Акосе то не постигне дошло би нафотографији до кривљења (кварења)боја.

проблем се рјешава тако што се уфотоапарат уграђује IC филтер којичини да је детектовани спектар сличанкао код људског ока

Иако CCD чип у комбинацији са IC филтеромчини да је спектрална осјетљивост дигиталнихфотоапарата слична људском оку – то нијесасвим тачно.

То се лако може доказати са нпр. даљинскимуправљачем телевизора. Они обично емитујуIC зраке из опсега 850-950 nm, веома близувидљиве свјетлости. Дигитални фотоапарат ћезабиљежити ову свјетлост а људско око не.

IC зраци које емитује даљински управљачснимљен дигиталним фотоапаратом

Обична Web камера такође може дапослужи као детектор IC зрачења

Неке дигиталне камере имају могућностноћног снимања и опремљене су изворимаIC зрачења. Овај начин рада код Sonyкамера је назван Nightshot a код Panasonicкамера MagicVu. Надаље ове начине радаћемо звати IR мод.

Када се укључи IR мод дешавају се 2ствари:

1. IC филтер се уклања са оптичког пута2. Укључују се IC диоде око објектива које

освјетљавају објекат са IC зрацима

Ако онемогућимо IC зраке тако штодиоде прекријемо нпр. црном лепљивомтраком, добићемо осјетљиви детекторIC зрачења до близу 1 µm са веомадобром резолуцијом који се можекористити у демонстационимекспериментима да се IC свјетлостучини видљивом на ефектан начин

Спектар свјетлости халогене сијалице(температура влакна око 3000 0С). Под а) унормалном моду под b) у IR моду.

Тамна усправна линија је повучена оловком даозначи крај видљивог спектра. Види се да у IRмоду има доста зрачења десно од линије(невидљивог зрачења)

Грејна плоча електричног решоа снимљенана реазличитим температурама у IR моду.

Загријана тијела почињу да емитују видљивусвјетлост на температури изнад 500 0С

Термокамере - термографија

Ми видимо предмете зато што онирефлектују свјетлост која потиче однеког спољашњег извора

Термокамере користе чињеницу дасвако тијело на температури Т>0Кемитује топлотно (инфрацрвено)зрачење

Ово зрачење, која тијела емитују, секористи за генерисање слике на сличанначин као што видљива свјетлостгенерише слику у обичној дигиталнојкамери (камкордеру).

Савремене термокамере су скупиуређаји чија се цијена изражава удесетинама хиљада долара

а) снимак гумебицикла наконкочења добијентермокамером

б) снимак подлогенакон кочењабицикла

Врло је видљиво штасе десило сакинетичком енергијомбицикла токомкочења

Обична и IC фотографијачовјека који носи наочарекоје имају један прозород обичног стакла а другиод NaCl

Обично стакло апсорбујеIC зраке и то окнонаочара на ICфотографији јенепровидно. IC зраке којеемитује око иза овог окнаје заустављено.

Видљива и IC фотографијадијела зграде. Термографијазграда је заснована наразликама у топлотнојпроводљивости различитихматеријала. Ово ради доброако је велика разлика утемпературама измеђуунутрашњости зграде испољашње средине и обичносе снима зими. Када јетоплотна изолација лошапостоји ток енергије изунутрашњости зграде премавани што доводи до различитерасподјеле температура наспољној површини зграде

Термографски снимак главе. Расподјелатемпература омогућава да се одреди правацдаљих испитивања

Зелене површине означавају дијелове сатемпературом вишом од 38 0C

Термографски снимак свиње обољеле од свињскоггрипа

BMW је први свјетски произвођач аутомобила који каододатну опрему нуди уређај за ноћно осматрање

Његова IC камера открива објекте на удаљености до300 m прије него што буду освијетљени видљивомсвјетлошћу. Интелигентни алгоритми трагају нарочитоза пјешацима. Ако постоји опасност по пјешака возачдобија и додатно упозорење.

Уређаји за ноћно осматрање имају дужуисторију. Још 1935. год. Њемачкопредузеће AEG је за потребе њемачкевојске уградило око 50 оваквих уређаја утенкове. Ово су били активни уређаји,користили су велике изворе IC зрачењаза освјетљавање циља а за генерисањеслике коришћене су појачавачи сафотокатодама од цезијума и сребра.Ови уређаји се данас називају нултомгенерацијом.

Уређаји тзв. Прве генерације развијени су завријеме рата у Вијетнаму. Ослањају се насвјетлост која постоји увијек у некој мјери а нена изворе IC зрачења. Остваривали супојачање свјетлости до 1000x али су билигломазни и за ваљан рад им је требалонешто мјесечеве свјетлости.

Уређаји друге генерације са усавршенимфотокатодама остварују појачање свјетлостидо 20 000x и омогућавају виђење и у ноћимабез мјесеца

Уређаји треће генерације имају катодеод галијум-арсенида и остварујупојачање од 30 000 – 50 000x и даљеповећавајући резолуцију

Данас су актуелни уређаји из достапобољшане генерације 3 али још нијезванично усвојен генерација 4

Детекција инфрацрвеног зрачења помоћуфототранзистора

Спектрална осјетљивост људског ока и фототранзистора

шема електричног кола задетекцију инфрацрвеногзрачења помоћуфототранзистора

Фототранзистор се можетакође помјерати крозспектар свјетлостиразложене помоћупризме. LED ће емитоватинајачу свјетлост уположају до црвене боје,гдје не пада видљивасвјетлост већ IC

Као извор IC зрачења може се користити сијалица са ужаренимвлакном ако одстранимо видљиву свјетлост помоћу филтера којизауставља видљиву свјетлост а пропушта IC