Kızılötesi kamera nedir? Ne işe yarar?

Kızılötesi (yani termal) kamerayla ve vücut sıcaklığı takibi (Shutterstock)

Kalabalık ortamların kızılötesi kameralar ile izlenerek hastalık riski taşıyan insanların tespit edildiği pek çoğumuzun dikkatini çekmiştir [1]. Peki, nedir bu kızılötesi kameralar ve hastalık şüphesi olan insanların tespitinde nasıl kullanılır?

Şekil 1: 64 (16×16) Piksel Kamera Benzetimi ve Sembolik Yarıiletken Foto Algılayıcı Pikseli

Şekil 1’de gösterilen basitleştirilmiş kamera görüntüsü benzetimi 64 pikselden oluşuyor. Her bir piksel, foton (ışık taneciği) algılayıcı ve algılanan foton şiddetini elektriksel sinyale dönüştüren elektronik okuma devresinden oluşuyor. Elektriksel sinyalin şiddeti ise ilgili pikselin ölçülen parlaklığını belirliyor.

Kızılötesi kameralar cep telefonlarımızdaki kameralara çok benzer. İkisi arasındaki tek fark algıladıkları fotonların enerjileridir.  Cep telefonu kameraları görünür ışığı algılarken, kızılötesi kameralar cisimlerin sıcaklıklarından kaynaklanan kızılötesi fotonları algılarlar. (Bkz Sayısal kameraların dünyası, Fotoğraf: Nereden nereye)

Foton nedir?

Foton ve kızılötesi foton derken ne kastediyoruz? Öncelikle ışığın ikili doğasını anımsayalım. Birçoğumuzun fizik derslerinden de hatırlayacağı gibi ışık hem dalga hem parçacık gibi davranır.

Eğer dalga perspektifinden bakarsak, ışık bir elektromanyetik dalgadır ve saniyede yaklaşık 300.000 km hızda hareket eder. Elektromanyetik dalgalar dalga boylarına göre sınıflandırılır ve  Şekil 2’de yer alan elektromanyetik spektrumu (ışık tayfı) oluştururlar.  Gözümüzün görebildiği dalga boyu aralığının (400nm-750 nm) elektromanyetik spektrumun çok küçük bir kısmı olduğunu fark etmiş olabilirsiniz [2]. Dalga boyları görünür ışıktan daha uzun olan, 750 nanometreden mikrodalgalara kadar olan kesim ise kızılötesi bölge olarak adlandırılır.

Şekil 2: Elektromanyetik Spektrum [2]
Eğer ışığın parçacık karakteristiğinden bakarsak ışık foton adı verilen parçacıklardan oluşur. Her ışık parçacığı yani foton bir enerjiye sahiptir ve bu enerji dalga boyu ile ters orantılıdır. Işığın parçacık doğasının bir başka önemli göstergesi olan kara cisim ışımasına göre sıcaklığı olan her cisim fotonlar saçar. Sıcaklık arttıkça cisimlerin saçtığı fotonların toplam enerjisi artarken dalga boyu kısalır. Sıcaklığına göre cisimlerin saçtığı radyasyonun şiddetini ve dalga boyunu açıklayan Planck yasasına göre de Şekil 3’te yer alan eğriler elde edilir [3].

Şekil 3: Kara Cisim Işıması Grafikleri – Solda Güneş’in sıcaklığında bir cismin ve 36,5 °C sıcaklıkta bir cismin yaydığı ışımanın dalgaboyuna göre değişimini görülüyor (Her iki eksen de logaritmik ölçeklenmiş). Yüksek sıcaklıklarda yayılan fotonların  dalga boyları daha küçük.  Sağda ise aynı karşılaştırma 36,5 ile 39 °C sıcaklıkta iki cisim için yapılmış.

Yaklaşık 5500 °C sıcaklığa sahip olan Güneş en çok görünür bölgede foton saçarken oda sıcaklığındaki nesnelerin saçtığı radyasyonun dalga boyu ise kızılötesi bölgede yer alır. Dolayısıyla, cep telefonu kameraları güneş ışığının bulunduğu bölgedeki fotonları algılayabilen aygıtlardan oluşurken insanın vücut sıcaklığını algılayabilen sistemlerin kızılötesi dalga boyunda algılama yapması gerekir. Şekil 3’te de görüldüğü gibi 36,5 °C sıcaklığa sahip bir cisim (insan) en çok fotonu 10 µm dalga boyunda saçar. Bu da uzun dalga boylu kızılötesi algılayıcı (Long Wave Infrared – LWIR) adı verilen ve 8 μm – 12 μm aralığına duyarlı olan algılayıcıların insanları ve ufak vücut sıcaklık değişimlerini çok kolay görmesini sağlar. Bu sıcaklığa sahip cisimlerin sıcaklığı değiştirildiğinde ise en çok oransal foton sayısı değişimi orta dalga boylu kızılötesi algılayıcıların (Medium Wave Infrared -MWIR) duyarlı olduğu 3 μm – 5 μm aralığında olur.

Yarıiletken malzemeler ve fotonların algılanması

Fotonların algılanması yani elektriksel sinyale dönüştürülmesi ise yarıiletken malzemeler sayesinde gerçekleşir. Yarıiletkenler, ne iletkenler gibi elektrik akımını çok iyi iletirler ne de yalıtkanlar gibi tamamen engellerler. Bunun sebebi ise sahip oldukları kristal yapılarıdır.

Birçok atom bir araya gelip mükemmel bir periyodik ve ideal bir kristal oluşturduğunda birbirleriyle etkileşirler ve elektronların bulunabildiği enerji seviyeleri kısıtlanır. Bir başka ifadeyle, elektronların bulunamayacağı yasak enerji bölgeleri oluşur.

Şekil 4a’da sembolik olarak gösterilen enerji seviyelerinin düşük enerjili olanına valans (değerlik) bandı, yüksek enerjili olanına ise iletim bandı denir. İkisinin arasında kalan yasak enerji bölgesi ise bant aralığı olarak adlandırılır. Elektronlar bantlar arasında bir enerji yardımı ile geçiş yapabilirler. Değerlik bandından iletim bandına geçen elektronların değerlik bandındaki yoklukları da pozitif taşıyıcı (oyuk, deşik) olarak adlandırılır. Bir yarıiletkenin içinde elektrik akımı, iletim bandındaki elektronlar ve değerlik bandındaki deşikler aracılığı ile taşınır.

Fotonları doğrudan algılayan algılayıcılarda, bir foton yarıiletkenin değerlik bandında yer alan bir elektron ile etkileşerek sahip olduğu enerjiyi bu elektrona verir. Bu da elektronun Şekil 4b’deki gibi uyarılıp iletim bandına çıkmasına ve arkasında da bir deşik bırakmasına sebep olur. Dolayısıyla aydınlatılan bir yarıiletkenin sahip olduğu elektron ve deşik sayısı önemli ölçüde artar ve bağlı bulunduğu devreden geçen akım miktarı değiştiğinden ilgili pikseldeki ölçülen parlaklık artar [4].

Dolaylı olarak algılayan termoelektrik yarıiletkenlerde ise fotonlar yarıiletkenin ısınmasına sebep olurlar. Isınan yarıiletkenin direnci ise küçük bir miktar değişir ve yine ilgili pikseldeki akım miktarında değişim olur [5].

Sonuç olarak, doğrudan ya da dolaylı olarak fotonları algılayabilen kızılötesi algılayıcılar Şekil 1’deki gibi odak düzlem dizilimleri haline getirilip uygun merceklerle birleştirilerek kızılötesi dijital kamera olarak paketlenirler. Piksellerden geçen akım miktarları da piksellerin ölçülen parlaklıklarını belirler.

Bant aralığı insan vücudunun kendi sıcaklığından dolayı saçtığı fotonlara göre seçilen bir yarıiletken malzeme ile de çok hassas bir şekilde kızılötesi algılama yapılabilir. Günümüzde 0,02 °C hassaslıkta algılama rahatlıkla yapılabilmektedir [6]. Covid-19’un en yaygın belirtilerinden birisi yüksek ateş olduğundan kızılötesi kameralar hastalık şüphesi taşıyan insanları tespit edebilirler. Bu kameralar odak düzlem dizilimi haline getirilmeden tek piksel olarak kullanıldıklarında ise fotoğraf çekemezler ancak temassız termometre olarak kullanılabilirler.

Şekil 4: Yarıiletken Enerji Bantları ve Foton Uyarımı [4]
Özetle, kızılötesi kameralar insanın kendi yaydığı radyasyonu algıladığı için geceleri zifiri karanlıkta bile gündüz gibi çalışabilirler. Bu da askeri amaçlı gece görüş sistemlerinin temeli olmalarını sağlar.

Ancak, kızılötesi kameraların uygulama alanı termal görüntüleme ve gece görüşü ile sınırlı değildir. Bu kameralar çoğunlukla sis ve dumandan etkilenmedikleri için çok uzak mesafeleri de gösterebilirler. LWIR ve MWIR’dan farklı olarak 750nm – 2.5μm aralığına duyarlı kısa dalga boylu algılayıcılar (Short Wave Infrared – SWIR) sıcak cisimlerin ürettiği radyasyonu algılamanın yanı sıra nesnelerden yansıyan ışınları da algılarlar. Bu sebeple de insan gözünün alışkın olduğu görüntüler üretirler (Şekil 5).

Şekil 5. Görünür ışık, SWIR, MWIR ve LWIR karşılaştırması. SWIR algılayıcılar gözümüzün daha alışkın olduğu görüntüler oluşturuyor. Kaynak: http://argosfp7project.blogspot.com/2015/11/short-wave-infrared-swir-imaging.html

Bu açıdan sivil uygulamalara daha uygun oldukları söylenebilir. Örneğin, tarım ürünlerinin kalitelerinin saptanması, kimyasalların ayırt edilmesi, bazı göz rahatsızlıklarına tanı konması ve astronomi gibi çok farklı alanlarda da kullanılabilirler [7]. Ayrıca, SWIR dalga boyu sistemleri bugün evlerimizde hızlı internet hizmetine ulaşmamızı sağlayan fiber optik bağlantıların olmazsa olmaz parçalarıdır.

Serdar Kocaman (BAGEP 2019), Alper Şahin
ODTÜ Elektrik ve Elektronik Mühendisliği

Kaynaklar

[1] M. Boztepe, AŞTİ’de Kovid-19’a karşı termal kamera önlemi, Ankara: Anadolu Ajansı, 2020.
[2] A. Beiser, Concepts of Modern Physics, 6 ed., New York: McGraw Hill, 2003, pp. 52-68.[3] K. Krane, Modern Physics, 3 ed., New York: John Wiley and Sons, 2012, pp. 80-87.
[4] B. Streetman and S. Banerjee, Solid State Electronic Devices, 7 ed., New York: Pearson, 2016, pp. 83-94, 120-129.
[5] A. Daniels, Field Guide to Infrared Systems, Bellingham: SPIE Press, 2006, pp. 42,66-68.
[6] A. Rogalski, “History of Infrared Detectors,” Opto-Electronics Review, vol. 20, no. 3, pp. 279-308, 2012.
[7] M. Hansen and D. Malchow, “Overview of SWIR detectors, cameras and applications,” in Proc. SPIE 3939, Thermosense XXX, Orlando, Florida, 2008.