La différence entre les détecteurs thermiques infrarouges, l'oxyde de vanadium (VOX) et le polysilicium

L'imageur thermique infrarouge est principalement composé de trois parties : le détecteur, le processeur de signal et le système optique. Le composant principal est le détecteur infrarouge.

Détecteurs infrarouges

Les principales technologies de détecteurs infrarouges sont l'oxyde de vanadium américain (VOX) et le polysilicium français. D'après l'image des deux, VOX est meilleur que le polysilicium, l'image est délicate et superposée. Il y aura de légères rayures verticales sur l'écran en polysilicium. En ce qui concerne l'effet de l'utilisation, le même niveau de polysilicium que celui attendu pour l'oxyde de vanadium peut être utilisé. Cependant, en termes de prix, il est généralement possible d'obtenir les performances 90% en polysilicium avec un mouvement en oxyde de vanadium au prix de 60%. C'est l'avantage du polysilicium.

Le détecteur utilisé par FLIR est un détecteur infrarouge à oxyde de vanadium développé par FLIR. En Chine, en raison des restrictions imposées à l'introduction de la technologie, le coût des détecteurs d'oxyde de vanadium est relativement élevé et l'ouverture de la technologie est faible. Les entreprises nationales ont développé des détecteurs de manière indépendante, mais ils ne sont pas aussi performants que les équipements importés en termes d'effet et de qualité. Le coût du détecteur détermine le développement de l’industrie de l’imagerie thermique infrarouge.

L'objectif d'imagerie thermique infrarouge

L'objectif de la caméra infrarouge est généralement en verre germanium. L'indice de réfraction de ce verre est très élevé. Il est uniquement transparent à la lumière infrarouge, mais opaque à la lumière visible et à la lumière ultraviolette, ce qui lui permet de séparer les plantes et les animaux dans un environnement très sombre. L'objectif d'un appareil photo ordinaire est constitué de verre optique et sa fonction principale est de réfracter la lumière, ce qui peut également être considéré comme un objet grossissant. Le verre optique général est synthétisé artificiellement. Les objectifs des caméras thermiques infrarouges sont comparés aux éléments métalliques dispersés en germanium utilisés dans les objectifs des caméras ordinaires. Bien que les réserves naturelles ne soient pas faibles, l’extraction de germanium à haute concentration est très difficile. Par conséquent, le coût de production des lentilles en germanium est plus élevé et elles sont vendues sur le marché. Le prix est souvent plus élevé que celui des objectifs d’appareil photo ordinaires.

Paramètres importants de l'imagerie thermique infrarouge

En tant qu'équipement d'application haut de gamme typique, grâce à l'amélioration continue du processus de fabrication, les performances de tous les aspects de la caméra infrarouge ont été considérablement améliorées aujourd'hui. Voici une introduction systématique aux principaux paramètres de la caméra infrarouge.

Type de détecteur : La technologie principale du mouvement est l'oxyde de vanadium américain (VOX) et le polysilicium français. D'après l'image des deux, VOX est nettement meilleur que le polysilicium, l'image est délicate et superposée. Il y aura de légères rayures verticales sur l'écran en polysilicium. En ce qui concerne l'effet de l'utilisation, le même niveau de polysilicium que celui attendu pour l'oxyde de vanadium peut être utilisé. Cependant, en termes de prix, il est généralement possible d'obtenir les performances 90% en polysilicium avec un mouvement en oxyde de vanadium au prix de 60%. C'est l'avantage du polysilicium. Pas de pixel : plus le pas de pixel est petit, plus il y aura de pixels et plus le champ de vision sera grand lorsque l'objectif de même distance focale est utilisé. Dans l'ensemble, 17UM est le plus petit, l'effet est le meilleur, suivi de 25UM et 35UM. Généralement, 25UM suffisent. Plus le pas de pixel est petit, plus la sensibilité thermique est élevée.

Sensibilité thermique

Elle peut être simplement définie comme la température minimale à laquelle l'instrument ou l'observateur peut distinguer avec précision le rayonnement cible du fond. Plus la valeur de sensibilité thermique est petite, plus la sensibilité thermique est élevée. De plus, plus la sensibilité thermique est élevée, plus l’image est lumineuse.

Champ de vision

C'est l'abréviation de champ de vision du système optique, qui représente la plage spatiale qui peut être imagée dans le diaphragme de champ du plan image du système optique. Lorsque l'objet est situé à n'importe quel point (à une certaine distance) dans le cône avec l'axe optique comme axe et l'angle au sommet comme champ de vision, il peut être trouvé par le système optique, c'est-à-dire que l'image est imagée. dans le diaphragme de champ du plan image du système optique. L'angle d'ouverture maximal de l'espace objet que le corps peut imager dans la caméra thermique est appelé champ de vision, qui est généralement le champ de vision de la matrice ao×βo. Semblable au concept de pixels effectifs d'une caméra CCD. Plus le champ de vision est grand, plus la clarté de l'image est élevée.

Réponse spectrale

Il s'agit de la plage de réponse de la caméra thermique au spectre infrarouge. Il existe généralement deux plages de réponse : le spectre infrarouge moyen et le spectre infrarouge lointain. Le spectre infrarouge lointain (8,0-14,0 μm) est meilleur, car la longueur d'onde du spectre infrarouge moyen (3,0-8,0 μm) est relativement courte et il n'est pas facile de pénétrer dans certains matériaux, ce qui rend impossible une image normale dans la fin.

Plage de température sur le terrain

La plage de température sur le terrain fait référence à la température la plus élevée que la caméra thermique peut détecter. Une fois que l’objet dépasse cette température, la caméra ne pourra plus donner d’images de contour. Ceci est similaire au phénomène de sursaturation lumineuse des caméras CCD ordinaires. Plus la plage de température est élevée, plus la plage dynamique d'image de la caméra thermique est large.

Afin de permettre aux lecteurs d'identifier plus facilement les paramètres ci-dessus, prenons comme exemple les paramètres d'une certaine série de caméras thermiques FLIR :

Type de détecteur : oxyde de vanadium non refroidi ; pas de pixel : 17 ou 25 μm ; sensibilité thermique : <50mk ;

Champ de vision (format tableau) : 320×240 ;

Réponse spectrale (réponse spectrale) : 7,5-13,5 μm, induction infrarouge lointain (LWIR) ; plage de température de scène : jusqu'à 150°C, jusqu'à 560°C (en option) ;

Autres paramètres importants

1. Fréquence d'images La fréquence d'images fait référence au nombre d'images qui peuvent être capturées, traitées et affichées par la caméra thermique en 1 seconde. Plus la réponse du capteur est rapide et plus la vitesse de traitement du circuit interne est élevée, plus la fréquence d'images pouvant être atteinte est élevée. L'imageur thermique à fréquence d'images élevée convient à la capture de la répartition du champ de température d'objets à grande vitesse. Il est plus adapté à la recherche scientifique et à la recherche militaire.
2. Réseau de pixels et pas de pixel Les détecteurs d'imageur thermique infrarouge actuels sont des détecteurs à plan focal non refroidis. Au cours du processus de production, un ensemble d'unités de capteurs sont traitées sur des matériaux en oxyde de vanadium ou en polysilicium. Il existe un ensemble d'unités de capteurs entre chaque unité. Un certain espacement.
3. Précision de la mesure de la température La précision fait référence au pourcentage du rapport entre l'erreur maximale de la mesure de la température de la caméra thermique infrarouge et la plage de l'instrument lorsque la caméra thermique est corrigée en fonction de l'environnement, de la température, de l'humidité, de la distance et de l'émissivité.
4. Mode d'affichage Ce point, selon les professionnels, fait généralement référence au fait que l'affichage sur l'écran de la caméra thermique soit en noir et blanc ou en pseudo-couleur.
5. Plage de mesure de la température Pour les caméras thermiques, en fonctionnement normal, il y aura toujours une certaine plage de mesure de la température, qui fait référence à la plage des valeurs de température minimale et maximale pour la température de mesure. 6. Résolution de température La résolution de température fait spécifiquement référence à l'indice de paramètre important de la caméra thermique infrarouge. La résolution de température fait référence à la sensibilité du détecteur au changement de température de l'objet mesuré. Plus la résolution de température est petite, mieux c'est. La mesure et la mesure de la résolution de température se font dans des conditions spécifiques.

Aujourd'hui je vous explique principalement la technologie principale du mouvement est la différence entre l'oxyde de vanadium américain (VOX) et le polysilicium français.

L'imageur thermique non refroidi utilisant le détecteur de plan focal à l'oxyde de vanadium est un type relativement nouveau d'imageur thermique en Chine. Comparé au polysilicium, le détecteur de plan focal à l'oxyde de vanadium présente une meilleure qualité d'image et une meilleure sensibilité et peut mieux répondre à différentes exigences. Dans le passé, les caméras thermiques produites dans le pays utilisaient principalement des bolomètres en polysilicium.

Caractéristiques du détecteur infrarouge en polysilicium
Le polysilicium est une forme de silicium élémentaire. Lorsque le silicium élémentaire fondu se solidifie dans des conditions de surfusion, les atomes de silicium sont disposés en de nombreux noyaux cristallins sous la forme d'un réseau de diamant. Si ces noyaux cristallins se transforment en grains cristallins ayant des orientations de plan cristallin différentes, ces grains cristallins se combinent pour cristalliser en polysilicium. Le polysilicium est connu comme la « pierre angulaire » de l’industrie microélectronique et de l’industrie photovoltaïque. Il s'agit d'un produit de haute technologie qui couvre plusieurs disciplines et domaines tels que l'industrie chimique, la métallurgie, les machines, l'électronique, etc. Il constitue une base importante pour l'industrie des semi-conducteurs, des circuits intégrés à grande échelle et des cellules solaires. Les matières premières sont des produits intermédiaires extrêmement importants dans la chaîne industrielle des produits en silicium. Son niveau de développement et d'application est devenu un indicateur important de la force nationale globale, de la force de défense nationale et du niveau de modernisation d'un pays. Il est entendu qu'il existe actuellement très peu de fabricants nationaux de produits en polysilicium, qui sont loin d'être en mesure de répondre au développement rapide de l'industrie nationale de la microélectronique et de l'industrie des cellules solaires. Avec le développement de l'industrie chinoise des circuits intégrés, de la production de plaquettes de silicium et des cellules solaires, le polysilicium est très demandé sur les marchés nationaux et internationaux, et le prix du polysilicium continue d'augmenter.

Caractéristiques du détecteur infrarouge d'oxyde de vanadium

(1) Adopter un détecteur avancé de plan focal à bolomètre non refroidi (oxyde de vanadium) ;

(2) La taille du détecteur est de 324 × 256, ce qui peut mieux répondre aux exigences du système PAL TV ;

(3) La surface d'un seul élément photosensible du détecteur est petite (pas de 38 μm), ce qui peut réduire le volume et le poids du système d'imagerie thermique ;

(4) La sensibilité du détecteur est plus élevée. À f/1,6, le NETD peut atteindre 85mK. À f/1,0, son NETD équivaut à 35 mK, ce qui est proche d'un détecteur réfrigéré général. Par conséquent, la caméra thermique a une distance de détection et de reconnaissance plus élevée ;

(5) Un bon circuit de compensation de non-uniformité est utilisé à l'intérieur, il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un refroidisseur thermoélectrique (TEC) pour stabiliser la température de fonctionnement du plan focal. Dans la plage de température de fonctionnement de (-40 ~ + 75 ℃), l'image thermique de l'instrument a une bonne uniformité d'image et une bonne plage dynamique ;

(6) Étant donné que le TEC n'est pas utilisé, la caméra thermique présente les deux caractéristiques principales d'un démarrage rapide et d'une faible consommation d'énergie. Avec un temps de conduite de 2 s, la caméra thermique peut être allumée et utilisée à tout moment sans attendre. La consommation électrique du cœur de la caméra thermique peut être réduite à 1,5 W, ce qui prolonge la durée de fonctionnement de la batterie ; (7) Avec fonction de zoom numérique 2x ;

(8) La nouvelle capacité de traitement d'image améliore la clarté de l'image et peut produire des images pseudo-couleurs

En bref, le principal avantage des détecteurs à l’oxyde de vanadium est qu’ils ont une efficacité de conversion photoélectrique plus élevée pour la lumière infrarouge. Par rapport aux détecteurs en polysilicium, ils ont un rapport signal/bruit plus élevé et une forte protection contre la lumière. Le détecteur d'oxyde de vanadium présente une bonne stabilité en température, une longue durée de vie et une faible dérive de température.

Le mouvement en oxyde de vanadium a une meilleure qualité d'image et une meilleure sensibilité que le mouvement en polysilicium, de sorte que l'imageur thermique a une distance de détection et de reconnaissance plus élevée. Faible consommation d'énergie, démarrage rapide et prêt à l'emploi après le démarrage. La définition de l'image est 3 fois supérieure à celle d'un mouvement en polysilicium. La sensibilité de détection de température de l'oxyde de vanadium peut atteindre 0,03 ℃, tandis que le mouvement du polysilicium ne peut atteindre que 0,1 ℃. Dans le même temps, le mouvement en oxyde de vanadium est plus long et plus durable que le mouvement en polysilicium. L'imageur thermique non refroidi utilisant le détecteur de plan focal à l'oxyde de vanadium est un type relativement nouveau d'imageur thermique en Chine. Comparé au polysilicium, le matériau en oxyde de vanadium présente une meilleure qualité d'image et une meilleure sensibilité et peut mieux répondre à différentes exigences. Dans le passé, les caméras thermiques produites dans le pays utilisaient principalement du polysilicium.

Cependant, de nombreux fabricants utilisent des indicateurs pour tromper les consommateurs. Étant donné que les détecteurs d'oxyde de vanadium mesurent généralement 336 x 256 pixels, tandis que les détecteurs en polysilicium mesurent généralement 384 x 288 pixels, donc en termes d'indicateurs de produit, les détecteurs en polysilicium ont des indicateurs plus élevés que les détecteurs d'oxyde de vanadium. Mais en fait, à en juger par l'effet de comparaison ci-dessus, le détecteur d'oxyde de vanadium avec la même lentille est bien meilleur que le détecteur de polysilicium.
　　

Par exemple, l'imagerie thermique bi-bande dédiée à la mesure de la température et à l'alerte pour la protection contre les incendies de forêt est généralement placée dans la forêt et dans d'autres environnements de terrain, elle a donc des exigences plus élevées en matière de qualité et d'effet du mouvement. Si un mouvement en polysilicium à faible coût est utilisé, il pourrait ne pas convenir à la nature. L'environnement sévère changera et la source d'incendie ne pourra pas être trouvée à temps lorsque la différence de température n'est pas importante, ce qui entraînera de lourdes pertes dans la zone forestière. . Par conséquent, le mouvement à l’oxyde de vanadium est finalement utilisé pour résoudre ces problèmes.
　

En plus de ceux comparés au polysilicium, le mouvement en oxyde de vanadium lui-même présente également des avantages uniques : un bon circuit de compensation de non-uniformité est utilisé à l'intérieur, il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un refroidisseur thermoélectrique (TEC) pour stabiliser la température de fonctionnement du plan focal. Dans la plage de température de fonctionnement de (-40 ~ + 75 ℃), l'imageur thermique a une bonne uniformité d'image et une bonne plage dynamique ; Comme le TEC n'est pas utilisé, la caméra thermique présente les deux caractéristiques d'un démarrage rapide et d'une faible consommation d'énergie. Avec un temps de conduite de 2 s, la caméra thermique peut être allumée et utilisée à tout moment sans attendre. La consommation électrique du cœur de la caméra thermique peut être réduite à 1,5 W et dispose d'une fonction de zoom numérique 2x.

Avec la maturité de la technologie d'imagerie thermique, les exigences des gens sont de plus en plus élevées, et il existe des exigences presque strictes en matière de différence de température, de durabilité du mouvement et de clarté de l'image. Le mouvement traditionnel en polysilicium a été utilisé dans les équipements de sécurité. Il n'est pas dominant et l'oxyde de vanadium peut compenser les défauts du mouvement du polysilicium et présente ses propres avantages uniques. Elle occupe déjà une position charnière sur le marché de la sécurité.