Optical readout for infrared thermo-mechanical detector array

Abstract

Termal görüntüleme; izleme, hedef belirleme, biyomedikal görüntüleme, devre/makine izleme, yalıtım inceleme ve krtarma gibi birçok ısı izleme uygulamalarında faydalı bir araç olagelmiştir.Termal görüntülemenin iki yaklaşımı arasında, -soğutmalı (foton algılama) ve soğutmasız termal görüntüleme (ısıl algılama)- soğutmasız termal görüntüleme düşük fiyat, üretim kolaylığı ve performansın arzu edildiği uygulamalarda kullanılır. Teorik analizler; soğutmasız termal dedektörler performansının optik okuma ile MEMS yapılarının birleştirilmesi yolu ile arttırılabileceğini gösterir. Bu çalışmada bütünleşik kırınım ızgaralı soğutmasız kızılötesi termo-mekanik dedektör dizini (160x120 piksel) için optik okuma tasarım, analiz ve testleri bildirilir.Dedektör çalışması kızılötesi ışıması nedeniyle oluşan ısının mekanik bükülmeye dönüştürülmesine dayanır. Bu bükülme her dedektörün altında bulunan kırınım ızgarasından geri dönen okuma ışının birinci kırınım mertebesi algılanarak belirlenebilir. Tek fotodiyotlu taramalı okuma, bakan fotodiyot ve bakan CCD kamera, bu algılama için araştırılan üç farklı yaklaşımdır. Optik okuma sistemi analizleri pratik olarak optik yansessiz algılamanın uygun uzaysal filtreleme ile elde edilebileceğini gösterir. Ayrıca, dedektörden dedektöre aynı olmama düzeltimi için bir yöntem gösterilmiştir. İki koherent kaynağın bu yöntemde kullanılması okuma hassasiyetinin daha geniş bir ısıl algılama dinamik alanında iyileştirilmesini sağlamaktadır.Deneysel sonuçlar optik okumada 8 bit CCD kamera kullanımı ile 0.92°K gürültü eşlenikli ısı farkının (NETD) elde edildiğini işaret etmiştir. Hesaplamalar <20mK NETDnin erişilebilir olduğunu göstermiştir. Teorik performans 14 bit CCD kamera veya fotodiyot dizininin kızılötesi dedektör dizini okumasında kullanımı ile erişilebilir.

Thermal Imaging has been a useful tool in many heat monitoring applications such as surveillance, target detection, biomedical imaging, monitoring circuits /machinery, insulation inspection and rescue. Among two main approaches to thermal imaging, namely cooled (photon detection) and uncooled thermal imaging (thermal detection); uncooled thermal imaging finds applications where low cost and fabrication simplicity is desired as well as performance. Theoretical analysis shows that performance of uncooled thermal detectors can potentially be increased by incorporating optical readout into MEMS structures. In this work; design, analysis, and testing of the optical readout for an uncooled infrared thermo-mechanical detector array (160x120 pixels) with integrated optical readout is reported.Detector operation is based on the conversion of heat caused by incident IR radiation to mechanical bending. This bending is detected by monitoring the first diffracted order of the readout beam returning from the diffraction gratings that are embedded underneath each detector. A scanned readout beam with single photodiode, staring photodiode, and staring CCD are the three different approaches that are explored for this monitoring purpose. Analysis on the optical readout system indicated that practically optical crosstalk free detection can be achieved by optimum spatial filtering. A detector to detector non uniformity correction method is also demonstrated. Utilization of this method by two coherent sources offers enhanced readout sensitivity in a broader thermal detection dynamic range.Experimental results indicated 0.92°K Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) utilizing an 8 bit CCD camera is achieved. Calculations revealed <20mK NETD is achievable. Theoretical performance can be realized by the integration of 14 bit CCD camera or a photodiode array at the IR detector array readout.