InSb/HgCdTe-Zweifarben-Infrarotdetektoren

In einem InSb/HgCdTe-Zweifarben-Detektor sind zwei IR-Sensorelemente in einer Baugruppe integriert, um die einfallende Infrarotstrahlung nach Wellenlängen aufzuteilen. Typischerweise lenkt ein dichroitischer Spiegel oder Strahlteiler kürzerwellige IR-Strahlung zur InSb-Photodiode und längerwellige IR-Strahlung zum HgCdTe-Detektor. Auf diese Weise erzeugt das Bauelement gleichzeitig zwei separate elektrische Ausgangssignale – jeweils entsprechend einem anderen Bereich des IR-Spektrums.

Der Indiumantimonid-(InSb)-Kanal ist für Wellenlängen von etwa 1 µm bis rund 5,5 µm empfindlich und deckt damit den kurz- bis mittelwelligen IR-Bereich ab. Der Quecksilber-Cadmium-Tellurid-(HgCdTe)-Kanal spricht auf Wellenlängen von etwa 5,5 µm bis rund 12,5 µm an und erfasst damit den längerwelligen IR-Bereich. Zusammen decken diese beiden Kanäle das mittelwellige und langwellige Infrarot ab. (Hinweis: 5,5 µm ist in der Standardkonfiguration die ungefähre 20-%-Grenzwellenlänge für die InSb- und MCT-Kanäle.)

Ja. Durch Anpassung der Legierungszusammensetzung des HgCdTe-Materials lässt sich die langwellige Grenzwellenlänge über 12,5 µm hinaus verschieben. In der Praxis wurden kunden­spezifische Zweifarben-Detektoren realisiert, die im langwelligen Kanal bis etwa 20–25 µm detektieren können (wobei es am fernen Ende des Spektrums zu gewissen Leistungseinbußen kommen kann).

Ein Zweiband-Detektor (Zweifarben-Detektor) stellt sicher, dass beide IR-Bänder über exakt denselben optischen Pfad gemessen werden – etwas, das mit zwei separaten Detektoren nur schwer zu erreichen ist. Da die beiden Sensorelemente in einem einzigen Gehäuse integriert sind und dasselbe Sichtfeld teilen, treten keine Ausrichtungsfehler auf, und die Daten beider Bänder sind zeitlich von Natur aus synchronisiert. Das vereinfacht das optische Design (eine zweite Apertur oder zusätzliche Optik ist nicht erforderlich) und ermöglicht Verfahren wie die Signalverhältnismessung oder Hintergrundsubtraktion in Echtzeit, ohne zwei unterschiedliche Geräte kalibrieren zu müssen.

Diese Detektoren sind für kryogene Kühlung ausgelegt. Sie werden typischerweise bei Flüssigstickstofftemperatur (~77 K) betrieben, um thermisches Rauschen zu minimieren. Jede Einheit ist für die LN2-Kühlung in einem Vakuum-Dewar (Kryostat) versiegelt und wahlweise mit seitlichem oder nach unten gerichtetem Fenster erhältlich. Standard-Dewars bieten Haltezeiten von etwa 8 oder 12 Stunden bis zum Nachfüllen, zudem sind verlängerte Dewar-Ausführungen verfügbar, die Haltezeiten von bis zu 24 Stunden ermöglichen.

Das InSb-Element ist eine photovoltaische Infrarot-Photodiode, also ein Element, das Strom erzeugt, wenn IR-Licht auftrifft. Das HgCdTe-Element in diesem Detektor ist dagegen ein photoleitender Sensor. Der MCT-Photoleiter benötigt eine Vorspannung, und sein elektrischer Widerstand ändert sich bei einfallender IR-Strahlung, wodurch eine messbare Spannungsänderung entsteht. Im Gegensatz dazu arbeitet die InSb-Photodiode typischerweise nahe einer Nullvorspannung und erzeugt einen Photostrom, der proportional zum einfallenden IR-Fluss ist.

Bei 77 K erreicht der InSb-Kanal im Allgemeinen eine höhere spezifische Detektivität (D) als der HgCdTe-Kanal. So liegt das maximale D des InSb-Detektors beispielsweise in der Größenordnung von 10^11 cm√Hz/W, während der HgCdTe-Kanal typischerweise Werte in der Größenordnung von 10^10–10^11 cm√Hz/W erreicht (abhängig von Grenzwellenlänge und Detektorgröße). Beide Kanäle sind sehr empfindlich, doch das kurzwellige InSb weist bei der Detektivität meist einen leichten Vorteil gegenüber dem langwelligen MCT auf – insbesondere bei Detektorvarianten mit größerer aktiver Fläche.

Ja, jeder Detektorkanal benötigt in der Regel eine geeignete rauscharme Verstärkung, um das Signal auszulesen. Das Ausgangssignal der InSb-Photodiode wird üblicherweise einem Transimpedanz-Vorverstärker zugeführt, der den Photostrom in eine Spannung umwandelt, um eine optimale Empfindlichkeit zu erzielen. Der photoleitende HgCdTe-Kanal benötigt eine Vorspannungsschaltung und einen rauscharmen Verstärker, um die Änderung von Spannung oder Strom zu messen, wenn sich sein elektrischer Widerstand unter IR-Bestrahlung verändert. Spezialisierte, auf den jeweiligen Kanal abgestimmte Vorverstärker sind wichtig, um ein rauscharmes Verhalten sicherzustellen und die Empfindlichkeit des Detektors voll auszuschöpfen.

Welche Detektorgröße die richtige ist, hängt von Ihrem optischen Aufbau und den Anforderungen an das Signal ab. Bauelemente mit kleinerer aktiver Fläche (z. B. 0,25 mm oder 0,5 mm) haben eine geringere Kapazität und bieten dadurch schnellere Ansprechzeiten sowie geringeres Rauschen. Allerdings erfassen sie insgesamt weniger Infrarotstrahlung – das kann nachteilig sein, wenn Ihr Zielobjekt groß ist oder nicht präzise fokussiert wird. Detektoren mit größerer Fläche (1,0 mm oder 2,0 mm) erfassen mehr des einfallenden IR-Strahls, was bei ausgedehnten Szenen oder diffusen Quellen von Vorteil ist, und liefern ein stärkeres Gesamtsignal. Aufgrund der höheren Kapazität weisen sie jedoch meist eine etwas geringere Detektivität und eine langsamere Ansprechzeit auf. Kurz gesagt: Ist Ihr IR-Spot klein und benötigen Sie die schnellste Messung mit dem geringsten Rauschen, ist ein kleinerer Detektor vorteilhaft. Möchten Sie dagegen möglichst viel Signal aus einem großen Bereich oder von einem Zielobjekt erfassen, ist ein größerer Detektor die bessere Wahl.

Diese Zweifarb-IR-Detektoren werden überall dort eingesetzt, wo eine gleichzeitige Infraroterfassung in zwei Bändern Vorteile bietet. So können Wärmebildsysteme sie beispielsweise nutzen, um Mittelwellen-IR- und Langwellen-IR-Bilder derselben Szene aufzunehmen und damit die Temperaturmessung oder Zielerkennung zu verbessern. Radiometrie-Instrumente setzen sie ein, um die IR-Intensität gleichzeitig in mehreren Bändern zu messen, und FTIR-Spektrometer nutzen sie für eine breite Infrarotabdeckung mit einem einzigen Detektor. Sie kommen auch in Infrarotmikroskopen sowie in bestimmten militärischen oder sicherheitsrelevanten Sensoren zum Einsatz, insbesondere wenn es wichtig ist, das Signal eines Objekts von der Hintergrundwärme zu unterscheiden (Hintergrunddiskriminierung). Allgemein gilt: Jede Anwendung, die gleichzeitig Mittelwellen- und Langwellen-IR-Daten aus demselben Sichtfeld benötigt, kann von einem Zweifarbdetektor profitieren.