Time Constant of Bolometers : 볼로미터 시정수
볼로미터의 열적 시정수는 입사하는 적외선 복사의 변화에 대해 볼로미터가 얼마나 빨리 반응하는지를 측정합니다. 이는 관측 장면의 온도 변화에 대해 볼로미터가 감지하고 반응하는 속도를 나타냅니다. 구체적으로 열적 시정수는 입사 복사가 단계적으로 변화할 때 볼로미터가 최종 온도의 약 63%(1 – 1/e)에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 이 시정수는 노출 시간과 관련이 있습니다.
열적 시정수가 짧을수록 볼로미터는 온도 변화에 더 빠르게 반응하므로 빠른 열 측정이 필요한 응용에 더 적합합니다. 반대로 열적 시정수가 길면 반응이 느려지며, 이는 응답 속도보다 신호 안정성과 잡음 저감이 더 중요한 응용에서 유리할 수 있습니다. 실질적으로 열적 시정수는 볼로미터의 재료 및 설계에 의해 영향을 받습니다. 예를 들어, 비냉각 적외선 카메라에 사용되는 마이크로볼로미터는 감도와 응답 시간 사이의 균형을 이루기 위해 열용량과 열전달도를 최적화하는 재료와 구조로 설계됩니다.
볼로미터 재료로서의 비정질 실리콘(a:Si)은 보통 약 7 ms의 시정수를 가지며, 바나듐 산화물(VOx)은 약 15 ms의 시정수를 갖습니다. 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따르면 신호는 최대 주파수의 두 배보다 큰 속도로 샘플링되어야 합니다. 실제로는 에일리어싱(혼선) 효과를 피하기 위해 오버샘플링을 수행해야 합니다.
허용 가능한 최대 장면 주파수는 적외선 카메라의 프레임 속도의 절반입니다. 예를 들어 적외선 카메라가 32 Hz로 동작하면 장면 주파수는 16 Hz보다 낮아야 합니다. 이 경우 볼로미터 재료의 시정수는 62 ms의 조명 시간보다 훨씬 짧습니다.
The thermal time constant of bolometers measures how quickly the bolometer responds to changes in incident infrared radiation. It indicates the speed at which the bolometer detects and responds to temperature changes in the observed scene. Specifically, the thermal time constant is the time it takes for the bolometer to reach approximately 63% (1 – 1/e) of its final temperature when exposed to a step change in incident radiation. This time constant is related to the exposure time.
A shorter thermal time constant means the bolometer responds faster to temperature changes, making it more suitable for applications requiring rapid thermal measurements. On the other hand, a longer thermal time constant implies a slower response, which might be beneficial in applications where signal stability and noise reduction are more critical than response speed. In practical terms, the thermal time constant is influenced by the materials and design of the bolometer. For instance, microbolometers used in uncooled infrared cameras are designed with materials and structures that optimize heat capacity and thermal conductance to achieve a balance between sensitivity and response time.
Amorphous silicon (a:Si) as a bolometer material usually has a time constant of around 7ms, while vanadium oxide (VOx) has a time constant of around 15ms. According to the Nyquist-Shannon sampling theorem, a signal must be sampled at a rate greater than twice its maximum frequency. In practice, oversampling should be done to avoid aliasing effects.
The maximum permissible scene frequency is
half of the infrared camera’s frame rate. For instance, if the infrared camera
runs at 32 Hz, the scene frequency should be slower than 16 Hz. In this case,
the time constant of the bolometer material is much shorter than the
illumination time of 62ms.