1. 열적외선 이미징
열적외선 촬영은 특수 카메라(IR 카메라)를 사용해야 합니다. 이 카메라의 이미징 센서는 전자기 스펙트럼의 적외선 영역의 파장에 민감합니다.
열적외선 이미징은 적외선 스펙트럼이 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 "비가시적" 이미징이라고도 합니다.
2. 적외선 스펙트럼
위의 그림은 왼쪽에서 오른쪽으로 가시 스펙트럼 (400nm에서 700nm)을 보여줍니다. 이것은 눈으로 인간으로서 인식할 수 있는 스펙트럼입니다. 파장이 길어짐에 따라 근적외선(NIR)과 단파적외선(SWIR) 영역으로 0.9μm에서 1.7μm로 진입합니다. 위 스펙트럼의 세분화는 열적외선 이미징에 사용되는 적외선 카메라 센서의 스펙트럼 감도를 기반으로 합니다.
이러한 이유로 일반 물리학 문헌에서 적외선 스펙트럼의 다른 분할을 찾을 수 있습니다. SWIR 스펙트럼 대역에 인접한 것은 중파 적외선(MWIR) 대역입니다.
확장된 MWIR 대역은 1μm에서 5μm에 이릅니다. MWIR 영역 다음에는 5μm에서 8μm까지 커버되지 않는 간격이 있습니다. 이 격차는 해당 지역에서 매우 강한 대기 감쇠 때문입니다.
H2O 및 CO2 분자는 해당 영역에서 적외선을 크게 감쇠시키는 경향이 있습니다. 따라서 해당 대역은 열적외선 이미징에 유용하지 않습니다. 그런 다음 더 오른쪽에는 장파 적외선 영역(LWIR)이 있습니다. 8μm에서 13μm, 때로는 14μm에 이릅니다.
요약하자면, 적외선 카메라 또는 열화상 카메라가 SWIR, MWIR 및 LWIR 대역용 특수 감지기와 함께 사용할 수 있습니다. 이 카메라들 각각에는 유용하게 사용할 수 있는 고유한 특수 열화상 시스템이 있습니다.
판매 및 사용되는 모든 열화상 카메라의 대부분은 LWIR 대역에서 작동합니다. 이러한 LWIR 검출기는 마이크로 볼로미터 검출기 또는 짧은 μbolo라고도 합니다. 이 검출기는 실제로 광자를 측정하지 않습니다. 대신, 그들은 적외선을 검출기 요소의 전기 저항 변화로 변환합니다.
2. Micro-Bolometer 디텍터가 있는 카메라
열화상 카메라의 마이크로 볼로미터 감지기에 있는 단일 픽셀을 보여줍니다. 픽셀 크기는 25μm x 25μm입니다. 픽셀은 아래 기판에 대한 열 블리드 픽셀 요소를 줄이기 위해 얇은 연결 리드를 가지고 있습니다. 이러한 수천 개의 픽셀이 함께 작동하여 이러한 유형의 열화상 카메라에서 열화상을 형성합니다.
이 검출기 유형의 한 가지 단점은 고정 통합 시간입니다. 가시광선 카메라의 노출 또는 셔터 시간이라고도 하는 통합 시간은 픽셀이 유용한 변환을 생성하는 데 걸리는 시간입니다. 픽셀은 적외선(열)을 픽셀의 저항 변화로 변환합니다. 그런 다음 연결된 판독 전자 장치는 저항의 변화를 전압으로 변환하고 다시 방사선 측정으로 보정된 카메라의 온도 판독값으로 변환합니다.
감시 또는 야간 투시경에 사용되는 일부 열화상 카메라는 절대 온도를 측정하지 못할 수 있습니다. 이러한 유형의 카메라는 방사 보정이 부족하고 전자를 지원합니다.
이러한 유형의 디텍터가 장착된 카메라의 예로는 FLIR AX8, FLIR A35, FLIR A65, FLIR A310, FLIR A315, FLIR A615 및 다양한 휴대용 카메라가 있습니다. 이 카메라의 감지기는 실제로 MEMS 장치로 만들어지며 픽셀로 소형 열전대 소자를 포함합니다. 픽셀을 워밍업하는 데 한정된 시간이 걸립니다. 일반적으로 감지기 유형에 따라 8ms에서 12ms 사이입니다.
이 검출기에 사용되는 재료는 바나듐 산화물(VOX) 또는 비정질 실리콘(a-Si)입니다.
이러한 카메라(또는 일반적으로 적외선 열화상 카메라)의 픽셀 해상도는 여전히 상대적으로 낮습니다. 해상도 범위는 이 기사 작성 당시 80 x 60 픽셀에서 1.2Mp까지입니다. 보정이 없는 카메라는 상대적인 핫/콜드 이미지 정보만 표시할 수 있습니다.
3. 광자 기반 검출기가 있는 카메라
고급 적외선 카메라에는 광자를 전기 신호로 변환할 수 있는 반도체 감지기가 함께 제공됩니다. 감지기는 모든 열 대역에 사용할 수 있습니다. (SWIR, MWIR 및 LWIR).
이 감지기는 이국적인 재료로 만들어졌으며 제조 비용이 매우 비쌉니다. 따라서 이러한 유형의 카메라는 마이크로 볼로미터 카메라보다 비쌉니다. 이러한 감지기는 매우 민감하므로 냉각이 필요합니다.
1) 단파 적외선 카메라 – SWIR (Shortwave Infrared Cameras)
단파 적외선 카메라에는 인듐 갈륨 비소(InGaAs)로 만든 광자 변환 감지기가 있습니다. 이 카메라의 냉각 방법은 비냉각, 열전 냉각(단일, 이중, 삼중 단계)에서 고급 과학용 카메라용 극저온 냉각에 이르기까지 다양합니다. 이 검출기는 0.9μm - 1.7μm 영역에서 민감합니다.
일반적인 응용 분야는 농업용 스펙트럼 이미징, 플라스틱 검사, 향상된 야간 투시경에서 초고온 용광로 모니터링 또는 레이저 용접 검사에 이르기까지 다양합니다. 이러한 카메라는 여전히 상당한 양의 반사광을 볼 수 있으며 더 높은 표면 온도에서만 진정한 열 효과를 보기 시작합니다. FLIR A6260sc 카메라를 예로 들 수 있습니다.
2) 중파 적외선 카메라 – MWIR (Midwave Infrared Cameras)
중파 적외선 카메라는 안티몬화 인듐(InSb)으로 만든 디텍터를 사용하며 독점적으로 극저온 냉각됩니다. 따라서 최신 카메라에는 카메라 본체에 스털링 쿨러가 내장되어 있으며 더 이상 외부 냉각 가스가 필요하지 않습니다.
이 카메라는 빠르고 빠르게 열 측정을 수행하는 데 적합합니다. 검출기가 광자 기반이기 때문에 usec 또는 msec의 통합 시간을 달성할 수 있습니다.
이 감지기는 0.018mK 범위의 온도 변화를 감지할 수 있습니다. MWIR 카메라는 적용 범위가 매우 넓습니다. 몇 가지 예를 나열하자면 광학 가스 이미징, 정밀, 고속 온도 측정, 군사 응용 분야, 자동 열 이미징, 플라스틱 필름 검사, 현미경 등 FLIR A8300sc 시리즈의 카메라로 예로 들 수 있습니다.
3) 장파 적외선 카메라 – LWIR (Longwave Infrared Cameras)
장파 적외선 카메라에는 HgCdTe 또는 수은 카드뮴 텔루라이드 감지기가 장착되어 있었습니다. 이러한 열 센서 카메라 감지기는 매우 비싸며 매우 비선형적이어서 이러한 카메라를 보정하고 작업하기가 어렵습니다.
새로운 검출기 기술이 시장에 등장했습니다. SLS 또는 Super Lattice Structure 검출기. HgCdTe 검출기만큼 민감하지는 않지만 훨씬 저렴하고 훨씬 선형적입니다.
이러한 유형의 카메라는 장파 적외선 영역이 애플리케이션에 관심이 있지만 더 빠른 통합 시간과 더 높은 감도가 필요한 경우에 적합합니다. 카메라의 예로는 FLIR A6750SLS가 있습니다.
4. 열적외선 이미징 응용
위 그림은 마이크로볼로미터 카메라 타입으로 촬영한 열화상입니다. 오른쪽에 있는 막대는 열화상 이미지의 온도 범위를 나타냅니다. 주황색은 뜨거운 구성 요소(이 경우 저항)를 나타냅니다. 회로 기판의 나머지 부분은 파란색이며 훨씬 더 낮은 온도와 관련이 있습니다.
인쇄 회로 기판 검사는 열화상 촬영에 매우 일반적으로 사용됩니다. 이를 통해 온도를 시각화할 수 있습니다. 즉, 비접촉식 온도 측정 방법을 허용합니다.
인쇄 회로 기판 검사에 열화상 카메라를 사용하면 문제 해결에 도움이 될 수 있을 뿐만 아니라 기판 설계에서 열 관리를 위한 열 설계에도 도움이 될 수 있습니다. 열화상 카메라 외에도 사용자는 이러한 노력을 지원하기 위해 유능한 열화상 소프트웨어가 필요합니다.
열적외선 이미징 카메라는 외부 조명에 의존하지 않습니다. 열을 "볼" 수 있으며 비접촉식 온도 측정이 필요한 모든 곳에서 매우 유용할 수 있습니다.
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