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Bildgebender Sensor für fernen Infrarotbereich funktioniert bei Raumtemperatur

Infrarotkameras sehen mehr als das Auge. Bei Kameras für den fernen infraroten Wellenlängenbereich muss der Sensor jedoch ständig gekühlt werden, was aufwändig und kostspielig ist. Forschern aus dem Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg ist es gelungen, einen bildgebenden Sensor für den fernen Infrarotbereich zu fertigen. Und dieser neuartige Detektor funktioniert nun auch bei Raumtemperatur.

Man nehme das Beispiel Wildwechsel bei Nacht. Mit einer Vollbremsung verhindert der Autofahrer im letzten Moment einen Zusammenprall mit dem Tier. Infrarotkameras könnten in einer solchen Situation für mehr Sicherheit sorgen, heißt es beim Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme. Denn Objekte, die ungefähr Körpertemperatur haben, leuchten im fernen infraroten Wellenlängenbereich von 10 Mikrometern von sich aus. Detektoren in der Kamera nehmen diese Wärmestrahlung auf und orten so die Wärmequelle. Dadurch könnte der Fahrer Menschen oder Tiere erkennen, lange bevor das Abblendlicht sie erfasst. Andere Verkehrsteilnehmer würden durch die unsichtbare Infrarotstrahlung nicht beeinträchtigt. Das Problem besteht jedoch darin, dass Infrarotkameras für den Wellenlängenbereich oberhalb von fünf Mikrometern stark gekühlt werden müssen. Der Sensor muss ständig auf etwa minus 193 Grad Celsius herunter gekühlt werden. Aber den Forschern ist es nun gelungen, einen bildgebenden Sensor für den fernen Infrarotbereich zu fertigen, der bei Raumtemperatur funktioniert.

Herzstück des IRFPA-Sensors (Infrared Focal Plane Array) ist ein Mikrobolometer - ein temperaturabhängiger Detektor, der langwelliges Infrarotlicht absorbiert. Um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen, sind mehrere Mikrobolometer auf einem Array zusammengefasst. Nimmt nun der Mikrobolometer Licht von einer Wärmequelle auf, führt das zu einem Temperaturanstieg in seinem Inneren und ändert seinen elektrischen Widerstand, heißt es aus dem Institut. Ein Auslesechip wandele diesen Widerstandswert dann direkt in ein digitales Signal um. Auch das war bisher nicht ohne einen weiteren Zwischenschritt möglich: Normalerweise wird der elektrische Impuls zuerst in ein analoges Signal übersetzt und anschließend mithilfe eines Analog/Digital-Konverters digitalisiert. "Wir setzen bei unserem Imager einen ganz spezifischen Konverter, einen Sigma-Delta-Wandler, ein. So ist es uns gelungen, direkt ein digitales Signal zu erzeugen", erklärt IMS-Wissenschaftler Dr. Dirk Weiler.

Erste Labortests mit dem neuen Sensorelement waren erfolgreich: Die Forscher konnten bereits einige Infrarotbilder aufnehmen.
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