極低溫致冷式銻化銦（InSb）熱像儀感測器

認識致冷式與非致冷式感測器

致冷式紅外線感測器 需要在極低溫下運作，這些材料能對單一光子的能量產生反應，因此具有極高的靈敏度與快速反應速度，非常適合高階影像應用。致冷式熱像儀能涵蓋近紅外線、中波紅外線與長波紅外線等多種波段。不過，這類感測器的缺點是價格較高、結構複雜：必須密封在真空杜瓦瓶中，致冷裝置也需要定期維護，且耗電量大。

非致冷式紅外線感測器 則能在室溫下運作，不需要特殊致冷系統，設計更簡單、價格親民，也比較耐用。這類感測器主要運作於長波紅外線（LWIR）範圍，常見於監控攝影機、工業監測及一般熱像應用。雖然靈敏度和解析度不如致冷式，但由於實用又經濟，廣泛應用於商業和消費性領域。

紅外線波長區間

從電磁波譜來看，紅外線區域涵蓋約780奈米到1毫米的波長，介於可見光與微波之間。一般會將紅外線細分為三個主要區段：近紅外線（0.78–3 微米）、中波紅外線（3–8 微米）以及長波紅外線（8–15 微米）。每一個紅外線波段都有其獨特的應用領域，使紅外線技術在各行各業都扮演不可或缺的角色。

近紅外線（NIR，0.78–3 µm）

近紅外線常見於工業檢測，用來發現肉眼看不到的材料缺陷或差異，也廣泛應用於環境監測、農業以及科學研究。由於NIR能穿透油漆層，因此在藝術品修復領域也有其應用價值。

中波紅外線（MWIR，3–8 µm）

真正的熱影像波段從3微米的中波紅外線開始。這個波段因為具備優異的熱對比與靈敏度，是輻射測量與高階熱像應用的標準範圍。MWIR特別適合國防研究、電子設計與測試等領域。

長波紅外線（LWIR，8–15 µm）

長波紅外線從約8微米開始，這個區段是非致冷式與致冷式紅外線熱像儀都能運作的範圍。LWIR在穿透大氣中的霧、煙、塵等條件下表現更佳，因此經常被用於嚴苛的工業環境與長距離安全監控。

這三個紅外線波段各有其專屬用途，讓紅外線技術在產業、科研、監控等多元領域發揮關鍵作用。

感測器速度

熱像儀的速度主要取決於感測器所使用的材料。對於短波紅外線（SWIR）熱像儀，以及成像波長最高達1.7微米的應用，最常見的感測器材料是砷化銦鎵（InGaAs）。

針對中波紅外線（MWIR）波段的應用，常見的致冷式感測器材料有碲鎘汞（MCT）、銻化銦（InSb），或是針對中波段調校的第二型應變超晶格（Type II SLS）感測器，這些材料同時兼具高速幀率與高靈敏度。

至於長波紅外線（LWIR）應用，則有矽基或金屬基的微測輻射計（microbolometer），這類感測器不需要致冷；另外也有高性能的致冷式MCT或SLS感測器，能提供快速整合速度與寬廣的溫度量測範圍。

微測輻射計（Microbolometer）

這類感測器對7.5–14微米波長最敏感，特別適合偵測約30°C或室溫物體。雖然靈敏度高，但速度會受影響，因為速度和靈敏度與熱阻成反比。另一個挑戰是「捲動快門」讀取，容易讓動態物體或瞬時溫變的影像產生失真。一般建議，事件發生時間要大於60毫秒，感測器才能穩定成像。

極低溫致冷式感測器(Cryocooled detectors)

極低溫致冷式熱像儀結合了可調整曝光時間的光子感測器、讀出積體電路（ROIC）、冷濾鏡（限制波段）、以及致冷系統（降低雜訊）。每個像素有獨立的積分電容，能精確控制曝光與影像品質，幀率也更快，適合需要無模糊動態捕捉（如槍管高溫傳導）及精確溫度量測的應用。

感測器靈敏度

熱靈敏度，也稱為NETD，是一種訊噪比的指標，用來表示產生與熱像儀本身時間性雜訊相等訊號時所需的最小溫度差。NETD常常會和熱像儀的「精確度」等規格混淆。其實，理解NETD最簡單的方式，就是把它視為熱像儀的時間性雜訊下限，並以等效溫度值來表示。NETD越低，代表熱像儀能分辨的最小溫差越小，靈敏度也越高。

熱像儀製造商計算NETD的方法，是將時間性雜訊的標準差除以每度的響應值（responsivity），並以毫開爾文（mK）為單位來表示。在查看相機規格時，請記住NETD值越低，代表相機的靈敏度越高。因此，微測輻射計（bolometer）通常的NETD在30 mK到50 mK之間，而致冷式相機的NETD則可達20 mK。

無論是致冷式還是非致冷式感測器，都會經歷時間性雜訊與空間性雜訊。時間性雜訊是指每個像素隨時間隨機產生的雜訊，在系統均勻性良好或至少經過良好非均勻性校正時，這種雜訊最為明顯。空間性雜訊則不會隨時間改變，可能表現為冷遮罩造成的暗角，或是因讀出積體電路（ROIC）差異產生的垂直條紋。對相機進行良好的非均勻性校正（NUC），可以消除這些空間性或固定圖案雜訊。

NETD在應用上的意義體現在影像細節上。致冷式感測器能夠呈現更細緻的影像細節，因為每個像素讀取的溫度變化比影像中的雜訊還要小。相較之下，微測輻射計相機因雜訊較大，無法達到同樣的效果。因此，當應用需要解析低能量事件或瞬時熱事件時，基於微測輻射計的感測器無法像光子型感測器在相同像素解析度下提供同樣清晰、銳利的影像。

當拍攝相同溫度的目標時，致冷式與非致冷式熱像儀之間僅有些微差異。但隨著目標逐漸冷卻、能量發射減少時，致冷式熱像儀較低NETD的優勢就會變得明顯。

感測器空間解析度

空間解析度（spatial resolution），通常也稱為瞬時視野（IFOV, Instantaneous Field of View）或點大小（spot size），是指在成像系統中，單一感測器像素所能捕捉的區域範圍。

這個概念適用於所有類型的感測器——無論是非致冷式、致冷式，甚至是一般的數位相機，原理都一樣：每個像素在空間中都對應到一個特定的區域。

要理解空間解析度，建議先認識視野（FOV, Field of View）的概念。你可以把FOV想像成手電筒照在牆上的光斑：當你往後退，與牆的距離增加，光斑（也就是視野）覆蓋的面積就會變大。

IFOV則是描述在特定距離下，單一像素所覆蓋的區域。你可以用以下公式來計算IFOV：

空間解析度 = 61 × 波長 × 數值孔徑（Numerical Aperture）

在基礎影像呈現之外，科學與工程應用更需要高空間解析度來進行精確的量測。

以印刷電路板（PCB）熱像為例，若要取得極小目標區域的溫度數據，高空間解析度就非常重要。如果單一像素覆蓋了PCB上的多個元件，那麼該像素所顯示的熱數據將會是這些元件的平均值，導致無法獲得正確的個別元件溫度讀值。