*מאמר זה לקוח מאתר FLIR
ישנם סוגים רבים של מצלמות אינפרא־אדום (או תרמיות), כמו שישנן יישומים מדעיים שונים. אז איזו מצלמה מתאימה ביותר ליישום שלך במחקר ופיתוח?
מצלמות אינפרא־אדום הן לעיתים החלק החסר שמאפשר להבין באמת מה קורה בסביבת מחקר ופיתוח. מכיוון שהן מזהות ומציגות חום, מצלמות אלו מספקות תובנות על הכל, החל מפגמים בעיצוב לוחות חשמליים ועד לשריפה של חלקיקי פחם בודדים בתוך להבה גדולה.
בתוך משפחות המצלמות המיועדות למדע, לחוקרים יש מגוון אפשרויות — ממצלמות תרמיות זולות, ללא קירור, ועד מצלמות ביצועים גבוהים עם גלאי מקורר. בחירת הדגם המתאים תלויה במידה רבה ביישום הרצוי, ולכן יש לקחת בחשבון את המשתנים הבאים.
הגדרת גלאי מקורר ולא מקורר
גלאי אינפרא־אדום מקורר משתמש בחומרים שמופעלים בטמפרטורות קריוגניות. חומרים אלו מגיבים לפוטונים בודדים של אור, מה שהופך אותם לרגישים ומהירים מאוד — בחירה טובה ליישומי הדמיה בעלי ביצועים גבוהים. מגוון החומרים מאפשר למצלמות מקוררות לפעול בתחומי אינפרא־אדום קרוב, בינוני ורחוק. החסרונות העיקריים הם העלות והמורכבות: הגלאים חייבים להיות בתוך דואר ואקום, בעוד שהמערכות הקריוגניות דורשות תחזוקה תקופתית וצריכת חשמל משמעותית.
גלאי אינפרא־אדום לא מקורר, לעומת זאת, פועל בטמפרטורת סביבה ואינו דורש מערכות קירור מיוחדות, מה שהופך אותו לפשוט יותר, זול יותר ועמיד יותר. גלאים אלו פועלים בעיקר בתחום האינפרא־אדום הרחוק (LWIR) ונמצאים בשימוש נפוץ במצלמות אבטחה, ניטור תעשייתי והדמיה תרמית כללית. אף על פי שיש להם רגישות ורזולוציה נמוכות יותר מגלאים מקוררים, הפשטות והעלות הנמוכה הופכים אותם לפופולריים מאוד ביישומים מסחריים וצרכניים.
תחומי אורך גל באינפרא־אדום
בתחום ספקטרום האור, תחום האינפרא־אדום נמתח מאורך גל של כ־780 ננומטר עד 1 מילימטר, ומגשר בין אור נראה למיקרוגל. לרוב הוא מחולק לשלושה תחומים: אינפרא־אדום קרוב (NIR) – 0.78–3 µm, אינפרא־אדום בינוני (MWIR) – 3–8 µm, ואינפרא־אדום רחוק (LWIR) – 8–15 µm. כל תחום אורך גל משרת מטרה ייחודית, מה שהופך את טכנולוגיית האינפרא־אדום לחיונית בתעשיות וביישומים רבים.
- אינפרא־אדום קרוב (NIR): משמש לבדיקות תעשייתיות לגילוי פגמים או הבדלים בחומרים שאינם נראים לעין, אך גם לניטור סביבתי, חקלאות ומחקר מדעי. יכולתו לחדור שכבות צבע מאפשרת שימוש בשחזור יצירות אומנות.
- אינפרא־אדום בינוני (MWIR): מתאים ליישומי רדיומטריה והדמיה תרמית מדויקת בשל קונטרסט תרמי גבוה ורגישות מצוינת, אידיאלי למחקר הגנה ולעיצוב אלקטרוניקה.
- אינפרא־אדום רחוק (LWIR): מתאים גם לגלאים מקוררים וגם ללא מקוררים. LWIR עובר טוב בערפל, עשן ואבק, ולכן מתאים לסביבות תעשייתיות קשות וליישומי אבטחה לטווח ארוך.
מהירות הגלאי
מהירות המצלמה תלויה במידה רבה בחומרי הגלאי. במצלמות SWIR ובכאלו שמצלמות עד 1.7 µm, החומר הנפוץ ביותר הוא אינדיום גאליום ארסן (InGaAs). עבור MWIR, חומרים מקוררים כגון תרכובת כספית–קדמית–תרמית (MCT), אינדיום אנטימון (InSb) או SLS (Strained Layer Superlattice) מספקים קצב פריימים מהיר ורגישות גבוהה.
ל-LWIR קיימים מיקרובולומטרים מבוססי סיליקון או מתכות שאינם דורשים קירור, או גלאים מקוררים MCT או SLS בעלי מהירויות אינטגרציה מהירות וטווח טמפרטורות רחב.
מיקרובולומטרים: רגישים בין 7.5 µm ל-14 µm, מותאמים לרגישות מקסימלית סביב 10 µm לטמפרטורת סביבה (~30°C). מהירות ורגישות הן הפוכות; גלאים רגישים מאוד נוטים להיות איטיים יותר. קריאת “רולינג שטר” עלולה ליצור עיוותים עבור עצמים מהירים. להדמיה מדויקת, אירועים צריכים להיות איטיים מ-60 מילי־שניות.
גלאים מקוררים: כוללים גלאי רגיש לפוטונים, ROIC לאיסוף אותות, מסנן קר שמגביל רגישות, ומערכת קירור. כל פיקסל כולל קיבול אינטגרציה לשליטה באנרגיה המצטברת. הם מאפשרים מהירויות פריימים גבוהות, איכות תמונה מדויקת ויכולת windowing, אידיאלי ללכידת תנועה ללא טשטוש ושמירה על קריאות טמפרטורה מדויקת.
רגישות הגלאי
רגישות תרמית (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference) מודדת את ההפרש בטמפרטורה הנדרש ליצירת אות השווה לרעש הזמני של המצלמה. NETD מייצג את רמת הרעש בזמן יחסי. ככל שהערך נמוך יותר – הרגישות גבוהה יותר.
- מיקרובולומטרים ללא קירור: NETD ~30–50 mK
- מצלמות מקוררות: NETD ~20 mK
שני סוגי הגלאים חווים רעש זמני ומרחבי. רעש זמני מתרחש באופן אקראי לאורך זמן; רעש מרחבי מופיע בתבנית קבועה. ביצוע Non-Uniformity Correction (NUC) מפחית רעש מרחבי. גלאים מקוררים מספקים תמונות חדה יותר עבור אירועים תרמיים חלשים או חולפים בהשוואה לבולומטרים.
רזולוציה מרחבית של הגלאי
רזולוציה מרחבית (IFOV / Instantaneous Field of View) מגדירה את השטח שכל פיקסל בגלאי או מצלמה תופס. עיקרון זה חל על מצלמות מקוררות, לא מקוררות או דיגיטליות. כל פיקסל מכסה אזור מסוים המתרחב החוצה במרחב. כדי להבין את הרזולוציה המרחבית יש לדעת את שדה הראייה (FOV) של המצלמה.
