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CCD与微测辐射热计热成像的区别,中国机械网,okmao.com
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CCD与微测辐射热计热成像的区别
2021年12月08日    阅读量:3240    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

大多数工程师都熟悉用作图像传感器的电荷耦合器件 (CCD)。CCD 传感器中的像素由按列和行排列以形成阵列的 P 掺杂金属氧化物半导体电容器组成。照射到每个像素的光被转换为电荷,该电荷根据该像素的光强度而变化中国机械网okmao.com。CCD 将电荷从一行像素转移到下一个桶列式,直到它到达芯片的边缘,即使另一行穿过阵列,它也会在那里转换为数字脉冲。


CCD 规格响应

CCD与微测辐射热计热成像的区别 中国机械网,okmao.com

爱特蒙特光学描绘的典型 CCD 成像器的光谱响应。

近年来,CMOS 图像传感器已经改进到可以与 CCD 设备竞争的程度。CMOS 传感器比 CCD 传感器更快,允许更高的视频帧速率。CMOS 成像器还提供更高的动态范围并需要更少的功率来运行。但是 CCD 对红外光比 CMOS 传感器更敏感。这是天文摄影的一个优势。(事实上,有YouTube 视频解释了如何通过移除位于相机中 CCD 传感器前面的红外滤光片,将廉价的 CCD 相机变成红外相机。)

CCD与微测辐射热计热成像的区别 中国机械网,okmao.com

光谱尽管如此,在热成像方面,CMOS 传感器并不是 CCD 传感器的主要竞争对手。相反,另一种首选的图像传感器技术是微测辐射热计。这里图像传感阵列中的每个像素都是一个微测辐射热计——基本上是一个温度敏感电阻器。传感器基板中的电子元件将电阻变化转换为电压。与许多红外成像仪不同,这些传感器不需要主动冷却,大大简化了成像过程。


为了解释 CCD 和微测辐射热计的优势,有必要稍微回顾一下身体散发热量的方式。维恩定律在数学上表示为 λ max = C/T 解释了物体的温度与其发射的峰值波长之间的关系。这里 C 是一个常数,2,897 μm,T 是物体的温度,单位为开氏度。因此物体温度越高,峰值波长越短。例如,一个没有发烧的正常人大约是 310.15°K,发射的峰值波长为 3.94 μm。太阳的平均温度为 5,778°K,峰值波长约为 0.5 μm。(请注意,恒星发出的光会受到显着的多普勒效应的影响,这会影响它们在地球上的感知波长。)


现在考虑 CCD 和 CMOS 传感器对大约 0.350 到 1.05 μm 的波长敏感,尽管范围通常从 0.4 到 1.0 μm。大多数 CCD 相机提供红外截止滤光片,用于专门在可见光谱中的成像。(因此是 YouTube 视频。)相比之下,微测辐射热计擅长检测波长在 7.5-14 μm 之间的红外辐射,该范围跨越了生物的发射。


福禄克 Ti55FT

Fluke Ti55FT 热像仪使用微测辐射热计进行图像传感。


CCD与微测辐射热计热成像的区别 中国机械网,okmao.com我们还应该提到传感器本身的温度如何影响它捕获的图像。曾几何时,所有热成像传感器都需要冷却。否则传感器芯片本身的热噪声会降低其有效范围。天文摄影等超敏感应用可能仍会使用传感器冷却,因为内部传感器噪声可能表现为斑点(假星)。短波红外 (SWIR) 摄像头采用冷却也很常见。大多数 SWIR 相机传感器使用 InGaAs 光电二极管。InGaAs 光电二极管的带隙能量通常小于硅基像素的带隙能量,因此在类似温度下暗电流更高。


暗电流。当然,即使没有光线照射到传感器,电流也会流动。它是由 InGaAs 材料中电子的热激发引起的。暗电流随传感器温度升高。根据经验,它大约每 9°C 就翻一番。


传感器温度也极大地影响 SWIR 相机的光谱灵敏度。当传感器温度从 25°C 下降到 -15°C 时,光谱灵敏度向较低波长移动约 25 nm。对于在灵敏度曲线最末端运行的应用程序来说,这种偏移可能很重要。此外,暗电流会影响图像质量(黑电平和噪声)。因此,在此范围内运行的热像仪通常会将热电冷却器(即 Peltier 模块)夹在成像 IC 中。


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