الفرق بين الكاشفات الحرارية بالأشعة تحت الحمراء وأكسيد الفاناديوم (VOX) والبولي سيليكون

يتكون جهاز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: الكاشف ومعالج الإشارة والنظام البصري. والمكون الأساسي لهذا هو الكاشف بالأشعة تحت الحمراء.

أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء

التقنيات الرئيسية لكاشفات الأشعة تحت الحمراء هي أكسيد الفاناديوم الأمريكي (VOX) والسيليكون الفرنسي متعدد الطبقات. من صورة الاثنين، فإن VOX أفضل من السيليكون متعدد الطبقات، والصورة دقيقة ومتعددة الطبقات. ستكون هناك خطوط عمودية طفيفة على شاشة السيليكون متعدد الطبقات. أما بالنسبة لتأثير الاستخدام، فيمكن استخدام نفس مستوى السيليكون متعدد الطبقات الذي من المتوقع أن يراه أكسيد الفاناديوم. ومع ذلك، من حيث السعر، من الممكن عمومًا الحصول على أداء 90% للسيليكون متعدد الطبقات مع حركة أكسيد الفاناديوم بسعر 60%. هذه هي ميزة السيليكون متعدد الطبقات.

الكاشف الذي تستخدمه شركة FLIR هو كاشف أكسيد الفاناديوم بالأشعة تحت الحمراء الذي تم تطويره ذاتيًا. في الصين، نظرًا لقيود إدخال التكنولوجيا، فإن تكلفة كاشفات أكسيد الفاناديوم مرتفعة نسبيًا وانفتاح التكنولوجيا منخفض. طورت الشركات المحلية أجهزة الكشف بشكل مستقل، لكنها ليست جيدة مثل المعدات المستوردة من حيث التأثير والجودة. تحدد تكلفة الكاشف تطور صناعة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء.

عدسة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

عدسات الكاميرا بالأشعة تحت الحمراء عادة ما تكون مصنوعة من زجاج الجرمانيوم. معامل الانكسار لهذا الزجاج مرتفع للغاية. إنه شفاف فقط للضوء تحت الأحمر، ولكنه معتم للضوء المرئي والضوء فوق البنفسجي، لذلك يمكنه فصل النباتات والحيوانات في بيئة مظلمة للغاية. عدسة الكاميرا العادية مصنوعة من الزجاج البصري، ووظيفتها الرئيسية هي انكسار الضوء، والذي يمكن أن يقال عنه أيضًا أنه مكبر للأشياء. يتم تصنيع الزجاج البصري العام بشكل مصطنع. تتم مقارنة عدسات كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء بعناصر معدنية متناثرة من الجرمانيوم شائعة الاستخدام في عدسات الكاميرا العادية. على الرغم من أن الاحتياطيات في الطبيعة ليست منخفضة، إلا أن استخراج الجرمانيوم عالي التركيز صعب للغاية. لذلك، فإن تكلفة إنتاج عدسات الجرمانيوم أعلى، ويتم بيعها في السوق. غالبًا ما يكون السعر أعلى من سعر عدسات الكاميرا العادية.

المعلمات الهامة للتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

باعتبارها من معدات التطبيقات الراقية النموذجية، ومع التحسين المستمر لعملية التصنيع، تم تحسين أداء جميع جوانب كاميرا الأشعة تحت الحمراء بشكل كبير اليوم. فيما يلي مقدمة منهجية للمعلمات الرئيسية لكاميرا الأشعة تحت الحمراء.

نوع الكاشف: التكنولوجيا الرئيسية للحركة هي أكسيد الفاناديوم الأمريكي (VOX) والسيليكون الفرنسي متعدد الطبقات. من صورة الاثنين، فإن VOX أفضل بالتأكيد من السيليكون متعدد الطبقات، والصورة دقيقة ومتعددة الطبقات. ستكون هناك خطوط عمودية طفيفة على شاشة السيليكون متعدد الطبقات. أما بالنسبة لتأثير الاستخدام، فيمكن استخدام نفس مستوى السيليكون متعدد الطبقات الذي من المتوقع أن يراه أكسيد الفاناديوم. ومع ذلك، من حيث السعر، من الممكن عمومًا الحصول على أداء 90% للسيليكون متعدد الطبقات مع حركة أكسيد الفاناديوم بسعر 60%. هذه هي ميزة السيليكون متعدد الطبقات. درجة البكسل: كلما كانت درجة البكسل أصغر، زاد عدد البكسل، وزاد مجال الرؤية عند استخدام العدسة بنفس البعد البؤري. بشكل عام، 17UM هو الأصغر، والتأثير هو الأفضل، يليه 25UM، و35UM. بشكل عام، 25UM كافٍ. كلما كانت درجة البكسل أصغر، كلما زادت الحساسية الحرارية.

الحساسية الحرارية

يمكن تعريفها ببساطة بأنها الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يمكن للجهاز أو المراقب عندها التمييز بدقة بين الإشعاع المستهدف والخلفية. وكلما كانت قيمة الحساسية الحرارية أصغر، كلما زادت الحساسية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت الحساسية الحرارية، زادت سطوع الصورة.

مجال الرؤية

هو اختصار لحقل رؤية النظام البصري، والذي يمثل النطاق المكاني الذي يمكن تصويره في الحجاب الحاجز الميداني لمستوى صورة النظام البصري. عندما يقع الجسم في أي نقطة (ضمن مسافة معينة) في المخروط مع المحور البصري كمحور وزاوية القمة كمجال رؤية، يمكن العثور عليه بواسطة النظام البصري، أي أن الصورة يتم تصويرها في الحجاب الحاجز الميداني لمستوى صورة النظام البصري. أقصى زاوية فتح لمساحة الجسم التي يمكن للجسم تصويرها في كاميرا التصوير الحراري تسمى مجال الرؤية، وهو عمومًا مجال رؤية مصفوفة ao×βo. على غرار مفهوم البكسلات الفعالة لكاميرا CCD. كلما كان مجال الرؤية أكبر، زادت وضوح الصورة.

الاستجابة الطيفية

يشير هذا إلى نطاق استجابة كاميرا التصوير الحراري لطيف الأشعة تحت الحمراء. عادة ما يكون هناك نطاقان للاستجابة لطيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة وطيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة. طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة (8.0-14.0 ميكرومتر) أفضل، لأن الطول الموجي لطيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (3.0-8.0 ميكرومتر) قصير نسبيًا، وليس من السهل اختراق بعض المواد، مما يجعل من المستحيل التصوير بشكل طبيعي في النهاية.

نطاق درجة الحرارة الميدانية

يشير نطاق درجة حرارة المجال إلى أعلى درجة حرارة يمكن لكاميرا التصوير الحراري استشعارها. بمجرد أن يتجاوز الجسم هذه الدرجة من الحرارة، لن تتمكن الكاميرا من إعطاء صور الحافة. وهذا يشبه ظاهرة التشبع الضوئي الزائد لكاميرات CCD العادية. كلما ارتفع نطاق درجة الحرارة، زاد اتساع النطاق الديناميكي للصورة لكاميرا التصوير الحراري.

من أجل تسهيل التعرف على المعلمات المذكورة أعلاه للقراء، دعونا نأخذ معلمات سلسلة معينة من كاميرات التصوير الحراري FLIR كمثال:

نوع الكاشف: أكسيد الفاناديوم غير المبرد؛ درجة البكسل: 17 أو 25 ميكرومتر؛ الحساسية الحرارية: <50 ميكرومتر كلفن؛

مجال الرؤية (تنسيق المصفوفة): 320×240؛

استجابة الطيف (استجابة الطيف): 7.5-13.5 ميكرومتر، تحريض الأشعة تحت الحمراء البعيدة (LWIR)؛ نطاق درجة حرارة المشهد: ما يصل إلى 150 درجة مئوية، ما يصل إلى 560 درجة مئوية (اختياري)؛

معلمات هامة أخرى

1. معدل الإطارات يشير معدل الإطارات إلى عدد الصور التي يمكن التقاطها ومعالجتها وعرضها بواسطة جهاز التصوير الحراري في غضون ثانية واحدة. كلما كانت استجابة المستشعر أسرع وكلما زادت سرعة معالجة الدائرة الداخلية، زاد معدل الإطارات الذي يمكن تحقيقه. جهاز التصوير الحراري ذو معدل الإطارات العالي مناسب لالتقاط توزيع مجال درجة الحرارة للأشياء عالية السرعة. وهو أكثر ملاءمة للبحث العلمي والبحث العسكري.
2. مجموعة البكسل ودرجة البكسل إن أجهزة الكشف عن التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء الحالية عبارة عن أجهزة كشف ذات مستوى بؤري غير مبردة. أثناء عملية الإنتاج، تتم معالجة مجموعة من وحدات الاستشعار على مواد أكسيد الفاناديوم أو البولي سيليكون. توجد مجموعة من وحدات الاستشعار بين كل وحدة. مسافة معينة.
3. دقة قياس درجة الحرارة تشير الدقة إلى النسبة المئوية لنسبة الخطأ الأقصى في قياس درجة الحرارة بواسطة جهاز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء إلى نطاق الجهاز عندما يتم تصحيح جهاز التصوير الحراري للبيئة ودرجة الحرارة والرطوبة والمسافة والانبعاثية.
4. وضع العرض تشير هذه النقطة، وفقًا للمحترفين، عادةً إلى ما إذا كان العرض على شاشة التصوير الحراري باللونين الأبيض والأسود أو بالألوان الزائفة.
5. نطاق قياس درجة الحرارة بالنسبة لكاميرات التصوير الحراري، أثناء التشغيل العادي، سيكون هناك دائمًا نطاق قياس درجة حرارة معين، والذي يشير إلى نطاق الحد الأدنى والحد الأقصى لقيم درجة الحرارة لدرجة الحرارة المقاسة. 6. دقة درجة الحرارة تشير دقة درجة الحرارة على وجه التحديد إلى مؤشر المعلمة المهم لجهاز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء. تشير دقة درجة الحرارة إلى حساسية الكاشف لتغير درجة حرارة الجسم المقاس. كلما كانت دقة درجة الحرارة أصغر، كان ذلك أفضل. يتم إجراء القياس وقياس دقة درجة الحرارة في ظل ظروف محددة.

اليوم سأشرح لكم بشكل رئيسي التكنولوجيا الرئيسية للحركة وهي الفرق بين أكسيد الفاناديوم الأمريكي (VOX) والسيليكون المتعدد الفرنسي.

إن جهاز التصوير الحراري غير المبرد باستخدام كاشف المستوى البؤري لأكسيد الفاناديوم هو نوع جديد نسبيًا من أجهزة التصوير الحراري في الصين. وبالمقارنة مع البولي سيليكون، فإن كاشف المستوى البؤري لأكسيد الفاناديوم يتمتع بجودة صورة وحساسية أفضل، ويمكنه تلبية متطلبات مختلفة بشكل أفضل. في الماضي، كانت كاميرات التصوير الحراري المنتجة محليًا تستخدم بشكل أساسي أجهزة قياس الحرارة المصنوعة من البولي سيليكون.

مميزات كاشف الأشعة تحت الحمراء للبولي سيليكون
يعتبر البولي سيليكون أحد أشكال السيليكون الأولي. عندما يتجمد السيليكون الأولي المنصهر تحت ظروف التبريد الفائق، يتم ترتيب ذرات السيليكون في العديد من نوى البلورات على شكل شبكة من الماس. إذا نمت هذه النوى البلورية إلى حبيبات بلورية ذات اتجاهات مختلفة في مستوى البلورة، فإن هذه الحبيبات البلورية تتحد لتتبلور إلى بولي سيليكون. يُعرف البولي سيليكون بأنه "حجر الزاوية" لصناعة الإلكترونيات الدقيقة وصناعة الطاقة الكهروضوئية. إنه منتج عالي التقنية يمتد عبر العديد من التخصصات والمجالات مثل الصناعة الكيميائية والمعادن والآلات والإلكترونيات وما إلى ذلك. إنه أساس مهم لصناعة أشباه الموصلات والدوائر المتكاملة واسعة النطاق والخلايا الشمسية. تعتبر المواد الخام منتجات وسيطة مهمة للغاية في سلسلة صناعة منتجات السيليكون. أصبح مستوى تطويرها وتطبيقها مؤشرًا مهمًا للقوة الوطنية الشاملة للبلد وقوة الدفاع الوطني ومستوى التحديث. من المفهوم أن هناك حاليًا عددًا قليلًا جدًا من الشركات المصنعة المحلية لمنتجات البولي سيليكون، والتي لا تستطيع تلبية التطور السريع لصناعة الإلكترونيات الدقيقة المحلية وصناعة الخلايا الشمسية. مع تطور صناعة الدوائر المتكاملة وإنتاج رقائق السيليكون والخلايا الشمسية في بلدي، أصبح البولي سيليكون مطلوبًا بشكل كبير في الأسواق المحلية والدولية، ويستمر سعر البولي سيليكون في الارتفاع.

مميزات كاشف أكسيد الفاناديوم بالأشعة تحت الحمراء

(1) اعتماد كاشف المستوى البؤري المتطور غير المبرد لقياس الإشعاع الحراري (أكسيد الفاناديوم)؛

(2) حجم الكاشف هو 324×256، مما يمكنه تلبية متطلبات نظام PAL TV بشكل أفضل؛

(3) مساحة عنصر حساس للضوء واحد من الكاشف صغيرة (38 ميكرومتر)، مما يمكن أن يقلل من حجم ووزن نظام التصوير الحراري؛

(4) حساسية الكاشف أعلى. عند f/1.6، يمكن أن يصل NETD إلى 85mK. عند f/1.0، يعادل NETD الخاص به 35mK، وهو قريب من كاشف مبرد عام. لذلك، يتمتع جهاز التصوير الحراري بمسافة اكتشاف وتعرف أعلى؛

(5) يتم استخدام دائرة تعويض عدم التجانس الجيدة بالداخل، لذلك ليست هناك حاجة لاستخدام مبرد حراري كهربائي (TEC) لتثبيت درجة حرارة عمل المستوى البؤري. في نطاق درجة حرارة العمل (-40 ~ +75 درجة مئوية)، تتمتع الصورة الحرارية للجهاز بتوحيد صورة جيد ونطاق ديناميكي؛

(6) نظرًا لعدم استخدام TEC، فإن جهاز التصوير الحراري يتميز بخاصيتين رئيسيتين هما بدء التشغيل السريع وانخفاض استهلاك الطاقة. مع وقت تشغيل يبلغ 2 ثانية، يمكن تشغيل جهاز التصوير الحراري واستخدامه في أي وقت دون انتظار. يمكن تقليل استهلاك الطاقة في قلب كاميرا التصوير الحراري إلى 1.5 وات، مما يطيل وقت عمل البطارية؛ (7) مع وظيفة التكبير الرقمي 2x؛

(8) تعمل قدرة معالجة الصور الجديدة على تحسين وضوح الصورة ويمكنها إخراج صور ملونة زائفة

باختصار، الميزة الرئيسية لكاشفات أكسيد الفاناديوم هي أنها تتمتع بكفاءة تحويل ضوئية كهربائية أعلى للضوء تحت الأحمر. وبالمقارنة مع كاشفات البولي سيليكون، فإنها تتمتع بنسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى وحماية قوية من الضوء. يتمتع كاشف أكسيد الفاناديوم بثبات جيد لدرجة الحرارة وعمر طويل وانحراف درجة حرارة صغير.

تتمتع حركة أكسيد الفاناديوم بجودة صورة وحساسية أفضل من حركة البولي سيليكون بحيث تتمتع الكاميرا الحرارية بمسافة اكتشاف وتعرف أعلى. استهلاك منخفض للطاقة، وبدء تشغيل سريع، وجاهزة للاستخدام بعد التمهيد. تعريف الصورة هو 3 أضعاف حركة البولي سيليكون. يمكن أن تصل حساسية الكشف عن درجة الحرارة لأكسيد الفاناديوم إلى 0.03 درجة مئوية، بينما لا يمكن لحركة البولي سيليكون أن تصل إلا إلى 0.1 درجة مئوية. في الوقت نفسه، تكون حركة أكسيد الفاناديوم أطول وأكثر متانة من حركة البولي سيليكون. الكاميرا الحرارية غير المبردة التي تستخدم كاشف المستوى البؤري لأكسيد الفاناديوم هي نوع جديد نسبيًا من الكاميرات الحرارية في الصين. بالمقارنة مع البولي سيليكون، تتمتع مادة أكسيد الفاناديوم بجودة صورة وحساسية أفضل، ويمكنها تلبية متطلبات مختلفة بشكل أفضل. في الماضي، كانت كاميرات التصوير الحراري المنتجة محليًا تستخدم البولي سيليكون بشكل أساسي.

ومع ذلك، يستخدم العديد من المصنعين مؤشرات لتضليل المستهلكين. نظرًا لأن أجهزة الكشف عن أكسيد الفاناديوم تكون عمومًا 336 × 256 بكسل، في حين أن أجهزة الكشف عن البولي سيليكون تكون عمومًا اسميًا 384 × 288 بكسل، لذا من حيث مؤشرات المنتج، تتمتع أجهزة الكشف عن البولي سيليكون بمؤشرات أعلى من أجهزة الكشف عن أكسيد الفاناديوم. ولكن في الواقع، استنادًا إلى تأثير المقارنة أعلاه، فإن جهاز الكشف عن أكسيد الفاناديوم بنفس العدسة أفضل بكثير من جهاز الكشف عن البولي سيليكون.
　　

على سبيل المثال، يتم وضع التصوير الحراري ثنائي النطاق المخصص لقياس درجة الحرارة والتحذير من أجل حماية حرائق الغابات بشكل عام في الغابات وغيرها من البيئات الميدانية، لذلك لديه متطلبات أعلى على جودة وتأثير الحركة. إذا تم استخدام حركة بولي سيليكون منخفضة التكلفة، فقد لا تكون مناسبة للبرية ستتغير البيئة القاسية، ولا يمكن العثور على مصدر الحريق في الوقت المناسب عندما لا يكون الفرق في درجات الحرارة كبيرًا، مما سيؤدي إلى خسائر فادحة في منطقة الغابات. لذلك، يتم استخدام حركة أكسيد الفاناديوم أخيرًا لحل هذه المشاكل.
　

بالإضافة إلى هذه المزايا مقارنة بالسيليكون المتعدد، فإن حركة أكسيد الفاناديوم نفسها لها أيضًا بعض المزايا الفريدة: يتم استخدام دائرة تعويض عدم التجانس الجيدة بالداخل، لذلك ليست هناك حاجة لاستخدام مبرد حراري كهربائي (TEC) لتثبيت درجة حرارة عمل المستوى البؤري. في نطاق درجة حرارة العمل (-40 ~ +75 درجة مئوية)، يتمتع جهاز التصوير الحراري بتوحيد صورة جيد ونطاق ديناميكي؛ نظرًا لعدم استخدام TEC، يتمتع جهاز التصوير الحراري بخاصيتين هما بدء التشغيل السريع وانخفاض استهلاك الطاقة. مع وقت تشغيل يبلغ 2 ثانية، يمكن تشغيل جهاز التصوير الحراري واستخدامه في أي وقت دون انتظار. يمكن تقليل استهلاك الطاقة في قلب كاميرا التصوير الحراري إلى 1.5 وات ولديه وظيفة تكبير رقمي 2x.

مع نضج تكنولوجيا التصوير الحراري، أصبحت متطلبات الناس أعلى وأعلى، وهناك متطلبات صارمة تقريبًا لاختلاف درجة الحرارة، ومتانة الحركة، ووضوح الصورة. تم استخدام حركة البولي سيليكون التقليدية في معدات الأمن. إنها ليست مهيمنة، ويمكن لأكسيد الفاناديوم تعويض أوجه القصور في حركة البولي سيليكون وله مزاياه الفريدة. لقد احتل بالفعل مكانة محورية في سوق الأمن.