Technische Möglichkeiten zur Messung von Infrarotstrahlung

Zu den thermischen IR-Detektoren gehören unter anderem Mikrobolometersysteme und pyroelektrische Sensoren. In Mikrobolometern ändert sich der elektrische Widerstand der absorbierenden Fläche durch die mit der Absorption einhergehende Temperaturänderung. In Meist sind die absorbierenden Flächen mit Vanadiumoxid beschichtet, da dieses Material eine hohe Änderung seines elektrischen Widerstandes bei Änderung seiner Temperatur aufweist. Letztlich wird hier die Änderung der elektrischen Spannung über das absorbierende Material gemessen. (Vincent 1990; Dereniak and Boreman 1996; Budzier and Gerlach 2010). In pyroelektrischen Detektoren absorbiert ein pyroelektrischer Kristall die IR-Strahlung und reagiert auf die damit einhergehende Temperaturerhöhung mit Ladungstrennung. Die äußere Aufladung des Kristalls wird gemessen (Budzier and Gerlach 2010).

Zu den Quantendetektoren zählen die fotoleitenden Detektoren und Fotovoltaikdetektoren. Es handelt sich hierbei um Halbleitersysteme, die sich den inneren fotoelektrischen Effekt zunutze machen (Vincent 1990; Dereniak and Boreman 1996). Absorbierte Photonen produzieren ungebundene Elektronenlochpaare, wodurch sich die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials erhöht. Die Leitfähigkeit stellt in fotoleitenden Detektoren die Messgröße dar. Fotovoltaikdetektoren weisen zusätzlich einen p-n-Übergang auf. Durch die Bildung von Elektronenlochpaaren ergibt sich an der Absorberfläche eine Ladungstrennung, welche als Strom oder als Spannung gemessen wird (Vincent 1990; Dereniak and Boreman 1996). Fotoleitende Detektoren und Fotovoltaikdetektoren können als Arrays hergestellt werden. Normalerweise sind die Detektorfelder jedoch evakuiert und müssen kryogenisch auf -70°C oder tiefer gekühlt werden, um das thermische Rauschen gering zu halten (Vincent 1990). Es wird zwar eine wesentlich höhere Temperaturauflösung als bei ungekühlten Detektoren erzielt, jedoch sind gekühlte Systeme weit kostenintensiver. Zudem ist die Inbetriebnahme aufgrund der Kühlung umständlich und das Gerät insgesamt groß.

Sowohl Mikrobolometer als auch pyroelektrische Detektoren können ebenfalls als Detektorarrays aufgebracht und daher zur Wärmebildgebung eingesetzt werden (Dereniak and Boreman 1996; Budzier and Gerlach 2010). Pyroelektrische Sensoren werden häufig auch in Einzelelement- oder Zeilensensoren verbaut. Beide Systeme arbeiten bei Umgebungstemperatur, die teils durch Peltierelemente konstant gehalten wird. Zudem ist hier eine periodische Abdunkelung des Sensors notwendig (Chopper), um Referenzwerte der einzelnen Detektorelemente zu erhalten. Diese Detektortypen benötigen keine aufwändige Kühlung wie Quantendetektorarrays, erreichen aber auch eine deutlich geringere Temperaturauflösung (NETD, Noise Equivalent Temperature Difference) (Rogalski 2002; Budzier and Gerlach 2010). Zurzeit werden mit Mikrobolometerarrays NETD-Werte von 35-60 mK erreicht.

Eine grundlegende Anforderung an neuartige, marktfähige IR-Sensoren ist demnach das Arbeiten des Systems ohne umständliche Kühlvorrichtungen. Idealerweise sollte das System auch ohne periodische Abdunkelung der Detektorelemente auskommen. Um auf dem Gebiet der Array-fähigen IR-Detektoren konkurrieren zu können, ist eine geringe Größe der Detektorelemente wichtig. Es könnten hierdurch kleinere Sensoren, bzw. größere Pixelzahlen bei gleicher Größe erreicht werden. Kleinere Sensoren haben u.a. den Vorteil, dass teures Linsenmaterial (z.B. Germanium) eingespart wird. Auch sollten eine höhere Temperaturauflösung (NETD) oder geringere Herstellungskosten als bei den herkömmlichen, ungekühlten Systemen erreicht werden (idealerweise Beides). Anforderungen für den Einsatz in Einzelelement- oder Zeilensensoren sind ebenfalls eine hohe Temperaturauflösung und/oder geringe Herstellungskosten.