Primena termovizije u građevinarstvu I deo

Termovizija je vrlo sofisticirana merna tehnika čiji se početak ekstenzivne primene poklapa sa početkom trećeg milenijuma. Razlozi za to nalaze se u činjenici da su u termovizijske kamere kao uređaje koji obezbeđuju vizuelizaciju toplotnog zračenja, morala da budu ugrađena najnovija dostignuća u mnogim naukama kako bi one postale komercijalno dostupne i jednostavne za rukovanje. Vrlo veliki prodori u oblasti senzora, tankih filmova, optoelektronike, mikroelektronike i mikroračunara integrišu se u ove moderne uređaje prilagođavajući ih zahtevima korisnika iz skoro svih oblasti ljudske delatnosti.

Sama reč termovizija (bukvalno, to znači »videti toplotu«) objašnjava suštinu ovog pojma. Naime, radi se o tome da odgovarajući uređaji (kamere) elektromagnetne talase iz infracrvene oblasti prevode u neke izabrane boje vidljivog dela elektromegnetnog spektra čineći ih na taj način vidljivim za ljudsko oko. Različitim temperaturama pri tome odgovaraju različite boje i nijanse boja, pa se čak može izabrati i paleta boja u kojoj se žele prikazati tako nastale temperaturne mape objekta. Rezultat je takav kao da je ljudsko oko postalo osetljivo na širi deo spektra nego što je to njegovom anatomijom određeno. Naime, svetlost koju čovek detektuje, takozvana vidljiva svetlost, čini veoma mali deo (0,4–0,75 μm) elektromagnetnog spektra koji počinje od veoma dugih radio talasa sa talasnom dužinom od nekoliko stotina kilometara, a završava se visokoenergetskim gama zracima. Evolucija je dovela do toga da čovek vidom registruje zračenje samo u tom uskom delu spektra. Neka bića detektuju i svetlost talasnih dužina ispod i iznad onih koje oseća ljudsko oko. Toplotno zračenje je takođe deo elektromagnetnog spektra, ali su talasne dužine veće od 0,75 μm, što je gornja granica osetljivosti ljudskog oka. Pošto je taj deo spektra u nastavku svetlosti crvene boje, to zračenje je dobilo naziv infracrveno zračenje.

Specijalnom opremom može se detektovati infracrveno zračenje i na osnovu njega formirati temperaturna slika posmatranog objekta. Ta metoda naziva se termovizijom ili infracrvenom termografijom. Termovizija je, dakle, metod kojim se može dobiti informacija o temperaturi u svim tačkama nekog objekta. Ta informacija se kasnije može obraditi i prikazati vizuelno. Termogram je slika nastala delovanjem toplotnog zračenja, kao što fotografija nastaje delovanjem svetlosti. U literaturi se, osim naziva termogram, sreću i izrazi termovizijska slika, IC (ili IR od engleske fraze infra red) slika, temperaturna mapa objekta i slično. Vidljiva svetlost nema uticaja na termalne slike.

Savremene infracrvene kamere su uređaji konstruisani tako da infracrveno zračenje sa snimljenih objekata prevedu u odgovarajuće boje vidljivog dela spektra, tako da dobijena slika prikazuje temperaturnu mapu snimanog objekta.

Kao beskontaktna metoda za merenje temperature, infracrvena termografija omogućava otkrivanje potencijalnih kvarova i to bez potrebe prekida procesa, ali isto tako i detekciju prisustva ljudi i životinja, snimanje terena u noćnim i maglovitim uslovima, praćenje toka fluida, praćenje gubitaka toplote i pruža mnogo drugih različitih informacija vezanih za skoro sve oblasti ljudskog života, a koje za posledicu imaju neku anomaliju u temperaturnom polju.
Proizvođači infracrvenih kamera trude se da svoje uređaje učine što moćnijim i preciznijim, a pri tome što jednostavnijim za rukovanje. Pa ipak, da bi korisnik pravilno upotrebio sve ove pogodnosti, mora da poseduje izvesna znanja o prostiranju toplote, o prirodi toplotnog zračenja, o emisivnosti pojedinih materijala i uticaju okoline na rezultat termovizijskog merenja, kao i o funkcionisanju same kamere. Ovaj tekst ima za cilj da ukaže na znanja neophodna za pravilno i potpuno korišćenje mogućnosti termovizijske tehnike, kao i da prikaže neke njene najvažnije aplikacije.
 

FIZIČKI OSNOVI TERMOVIZIJSKIH ISPITIVANJA MERENJE TEMPERATURE KROZ ISTORIJU

Još su drevni Egipćani, u želji da utvrde promenu u temperaturi tela, pomerali šake po površini kože da bi osetili te promene. Prsti su imali ulogu senzora, a mozak je tumačio bitnije promene. Oni su mogli dobro da procene porast temperature u toku nekog vremenskog perioda. Takođe su mogli da utvrde i da li se promenila temperatura čitavog tela ili je samo deo tela promenio temperaturu.

Grčki fizičar Hipokrat je 400. godine pre nove ere napisao: "U kom god delu ljudskog tela temperatura odstupa od uobičajene, u tom delu postoji neko oboljenje". Drevni Grci bi potapali telo u blato. Deo tela na kojem bi se blato brže osušilo smatran je obolelim.
Temperatura se merila šakama sve do sedamnaestog veka, kada je Galilej izumeo termoskop - napravu koja je pokazivala promene temperature, ali nije imala skalu. Tek je Farenhajt (Fahrenheit), koristeći so i ledenu vodu napravio prvu skalu po kojoj do tačke ključanja ima 212 stepeni. Celzijus (Celsius) je 1742. godine napravio decimalnu skalu po kojoj je tačka ključanja vode obeležena kao "nula", a tačka smrzavanja kao 100. Njegovu skalu je preokrenuo švedski botaničar Lineus (Linnaeus). Profesor Karl Vunderlih (Carl Wunderlich) iz Lajpciga je 1868. unapredio termometriju tako što je osmislio toplomer/termometar čiji se princip i danas koristi.
Infracrveno zračenje je 1800. godine otkrio astronom Vilijam Heršel (William Herschel). S obzirom na to da se bavio izradom teleskopa, Heršel je bio dobro upoznat sa sočivima i ogledalima. Znajući da sunčevu svetlost čine sve boje vidljivog spektra, a da je Sunce i izvor toplote, Heršel je želeo da otkrije koje boje su zaslužne za prenos toplote. Napravio je eksperiment koristeći prizmu, papir i termometre sa zatamnjenim staklima da bi izmerio temperature različitih boja. Heršel je posmatrao promene temperature pri pomeranju termometra od ljubičaste do crvene boje kroz dugu nastalu prolaskom sunčevih zraka kroz prizmu. Tako je otkrio da je najviša temperatura zapravo u oblasti koja nije obuhvaćena dugom a nalazi se iza svetlosti crvene boje. Zračenje koje je prouzrokovalo najveće zagrevanje, dakle, nije bilo vidljivo; Heršel ga je nazvao "toplotnim zračenjem". Njegov sin, Džon Heršel (John Herschel), koga je više zanimala fotografija, uspeo je 1840. godine da snimi toplotne zrake u infracrvenoj zoni pomoću papira koji je bio prekriven čađu i impregniran alkoholom. Pri zagrevanju alkohol je isparavao i na papiru su se pojavljivale tačke čiji je raspored odgovarao intenzitetu toplotnog zračenja na površini papira. On je tu sliku nazvao "termogram". Ovo otkriće je tek posle više od jednog veka iskorišćeno za izradu sofisticiranih uređaja za termalno snimanje koji se primenjuju u vojsci, industriji, ekologiji i medicini.
Nadalje je razvoj u ovoj oblasti naglo napredovao. 1970-ih godina proizvedeni su visokoosetljivi feroelektrični materijali koji su omogućili razvoj takozvanog pirovidikona. To je instrument koji omogućuje istraživanje trodimenzionalnih karakteristika toplotnog zračenja. Iz ovog primera se vidi da je razvoj infracrvenih detektora povezan sa termalnim detektorima.
Poslednje dekade dvadesetog veka obeležene su vrlo intenzivnim istraživanjima i u oblasti usavršavanja termovizijske tehnike, čiji su rezultati ugrađeni u sve sofisticiraniju i moćniju opremu. Istraživanja se, naravno, nastavljaju nesmanjenim intenzitetom.
 

MERENJE INFRACRVENOG ZRAČENJA DANAS

Merenje termičkog infracrvenog zračenja predstavlja osnovu za beskontaktno merenje temperature, kao i za infracrvenu termografiju. Pozicija infracrvene oblasti u elektromagnetnom spektru prikazana je na slici 1.

Termičko zračenje je, kao i svetlost, fotonski fenomen koji se javlja u elektromagnetnom spektru. Dok vidljiva svetlost zauzima deo spektra od 0,4 μm do 0,75 μm, infracrveni spektar se prostire od 0,75 μm do oko 1000 μm, iako se u praksi većina merenja sprovodi do dvadesetak mikrometara.
 

Slika 1. Elektromagnetni spektar

Sve površine na temperaturi iznad apsolutne nule emituju energiju u infracrvenom spektru. Veoma vruće površine zrače energiju i u vidljivom domenu. Grejni element u električnoj peći na 800 K isijava svetlost crvene boje. Dok se hladi, isijava manje ali i dalje emituje zračenje. Ova energija zračenja može da se oseti rukom u blizini površine, ali je zračenje nevidljivo pošto je talasna dužina iz crvene prešla u infracrvenu oblast. Infracrvene kamere mere i prikazuju slike ovih infracrvenih zraka.
Na osnovu karakteristika IC zračenja, tela se mogu podeliti u tri grupe: crna tela, siva tela i realna tela (ili spektralna tela). Dok crna tela egzistiraju samo teoretski, većina površina čvrstih tela se ponašaju kao siva tela to jest kao površine čija emisivnost na svim talasnim dužinama ostaje približno konstantna. Slika 2. prikazuje spektralnu raspodelu snage zračenja jednog crnog tela, jednog sivog tela i jednog realnog tela na istoj temperaturi (300 K).
Celokupno zračenje koje jedan merni instrument registruje, sastoji se iz tri komponente: emitovane energije, reflektovane energije i transmitovane energije. Ako je posmatrano telo crno, tada je njegova emisivnost jednaka jedinici (1) i ono neće ni reflektovati ni transmitovati energiju. Ako se radi o sivom telu, ono se, kada se radi o spektralnoj raspodeli emitovane energije, ponaša slično kao crno telo, ali pošto ima emisivnost manju od jedinice, dolazi do refleksije i/ili transmisije energije. U slučaju da se izvor zračenja ponaša kao realno telo, situacija je slična kao i kod sivog tela. Pošto je samo emitovana komponenta povezana sa temperaturom površine, za infracrveno merenje temperature, važno je da se ostale dve komponente eliminišu ili kompenzuju.
 

Slika 2. Spektralna raspodela snage zračenja crnog, sivog i realnog tela na temperaturi od 300 K

OPREMA ZA TERMOVIZIJSKA ISPITIVANJA

Industrijska primena infracrvene termografije je počela sredinom šesdesetih godina, kada je firma Aga (kasnije Agema, danas Flir) proizvela prvu opremu za tu namenu - model Thermovision 651. Naziv ranijih modela „termovizija" je ušao u svakodnevnu upotrebu i danas se koristi da označi termografsko ispitivanje.

Moderna oprema je u odnosu na prvobitne modele znatno unapređena. Hlađeni detektori su zamenjeni nehlađenim (mikrobolometarskim), što je opremu učinilo manjom i prikladnijom za rukovanje. Kvalitet dobijene slike (termograma) je takođe usavršen. Kompenzacije, koje su se u ranijim modelima unosile ručno, sada kamera izračunava automatski pomoću instaliranog softvera.
Osnovni deo opreme je infracrvena kamera koja se sastoji od sledećih elemenata (slika 3):
objektiv (1) fokusira zračenje sa objekta (O),
filter (2) propušta zračenje određene talasne dužine,
detektor (3) očitava zračenje i prevodi ga u elektronski oblik,
monitor (4) elektronski oblik prikazuje kao sliku - termogram.
 

DETEKTORI INFRACRVENOG ZRAČENJA

Najvažniji deo infracrvene kamere je detektor infracrvenog zračenja. Moguće je primeniti različite fizičke principe, a ovde će biti prikazani najosetljiviji detektori u infracrvenom delu spektra.

Slika 3. Delovi infracrvene kamere
 

Tipovi detektora

Skoro svi detektori rade kao pretvarači koji primaju fotone i proizvode električni signal koji može biti pojačan i konvertovan u oblik pogodan za ljudska čula. Postoje tri osnovna načina kako detektori obavljaju tu funkciju:

(a) Detektori fotona reaguju direktno na pojedinačne fotone. Apsorbovani foton oslobađa jedan ili više nosilaca naelektrisanja u detektoru koji mogu (1) modulisati električnu struju u materijalu, (2) preći direktno u izlazni pojačavač ili (3) dovesti do hemijske promene. Detektori fotona koriste se u X-ray, ultraljubičastoj, vidljivoj i infracrvenoj oblasti spektra.
(b) Termalni detektori apsorbuju fotone i prevode njihovu energiju u toplotu. U mnogo slučajeva ta energija menja električne osobine detektorskog materijala, dovodeći do modulacije električne struje koja prolazi kroz njega. Termalni detektori imaju vrlo širok i nespecifičan spektralni odziv, ali su posebno značajni za infracrvene i submilimetarske talasne dužine, a takođe i kao detektori X-zračenja.
(c) Koherentni prijemnici reaguju na jačinu električnog polja signala i mogu da sačuvaju faznu informaciju o ulaznim fotonima. Oni rade na osnovu interferencije električnog polja ulaznog fotona sa električnim poljem iz koherentnog lokalnog oscilatora. Ovi uređaji se prvenstveno koriste u radio i submilimetarskim područjima, a ponekad i u infracrvenoj oblasti.
 

Karakteristike detektora

Kvalitetni detektori čuvaju veliki deo informacija koje sa sobom nose ulazni fotoni. Za to je značajan niz parametara:

(a) Spektralni odziv – ukupan opseg talasne dužine ili frekvencije unutar kojeg fotoni mogu biti detektovani sa odgovarajućom efikasnošću;
(b) Spektralni opseg – područje talasne dužine ili frekvencije unutar kojeg detektor prihvata fotone; neki detektori mogu da rade u jednoj ili više oblasti smeštenih unutar šireg opsega spektralnog odziva;
(c) Linearnost – stepen do kojeg je izlazni signal proporcionalan broju ulaznih fotona;
(d) Dinamički opseg – maksimalna promena u signalu unutar koje izlaz detektora predstavlja fluks fotona bez gubitka značajnih količina informacija;
(e) Kvantno iskorišćenje (efikasnost) – udeo struje ulaznih fotona koji je konvertovan u signal;
(f) Šum – smetnje u izlaznom signalu. Idealno, šum se sastoji samo od statističkih fluktuacija usled konačnog broja fotona koji daju signal;
(g) Osobine vizuelizacije – broj detektora („piksela“) u jednoj matrici određuje u osnovi koliko elemenata slike detektor može da istovremeno zabeleži. Međutim, rezolucija koja može biti ostvarena može biti manja nego ona koja je određena samo brojem piksela zbog toga što signal može biti zaklonjen susednim detektorom;
(h) Vreme odziva – minimalni interval vremena unutar kojeg detektor može da razlikuje promenu u intenzitetu zračenja.
 

Bolometri i drugi termalni detektori

Vrlo važnu klasu detektora predstavljaju termalni detektori. Ovi uređaji ne detektuju fotone direktnom ekscitacijom naelektrisanja. Umesto toga, oni apsorbuju fotone i konvertuju njihovu energiju u toplotu koja se detektuje vrlo osetljivim termometrom. Energija koju fotoni oslobađaju važna je za proces, dok talasna dužina nije bitna. Detektor reaguje identično na signale bilo koje talasne dužine, pod uslovom da je broj fotona podešen tako da održava konstantnu apsorbovanu energiju. Dakle, zavisnost odziva od talasne dužine je ravna i toliko široka koliko materijal koji apsorbuje fotone dopušta. Zbog toga što je apsorber odvojen od procesa detekcije, on može biti potpuno optimizovan, a kvantna iskorišćenja su visoka (90–100%). Bolometri koji su zasnovani na poluprovodničkim ili superprovodničkim senzorima za temperaturu, najrazvijeniji su oblik detektora za slabo svetlo i dobar su izbor za mnoge namene, posebno u submilimetarskoj oblasti spektra. Oni se takođe koriste kao detektori za određivanje energije X-zračenja. Za najviše moguće performanse, takvi detektori moraju biti ohlađeni do ispod 1 K. Bolometri proizvedeni nagrizanjem minijaturnih struktura u silicijumu ili silicijum-nitridu, pružaju nove mogućnosti za postizanje vrlo visokih performansi.

Slika 4. Jednostavan bolometar

Jednostavan oblik bolometra prikazan je na slici 4. On se sastoji od malog silicijumskog ili germanijumskog čipa koji je dopiran tako da ima otpornost pogodnu za povezivanje signala sa niskošumnim pojačavačem kao i veliki temperaturni koeficijent otpornosti. Detektorski čip je vezan između električnih kontakata vrlo tankim provodnicima koji su zalemljeni ili zalepljeni za čip. Ti provodnici ostvaruju termičku vezu sa hladnjakom i, takođe, provode struju koja stvara pad napona koji može biti meren da bi se odredila električna otpornost detektora. Pojačavač visoke ulazne impedanse prati napon na bolometru koji se menja u zavisnosti od promena njegove otpornosti. Pošto je otpornost direktna funkcija temperature čipa, promene u naponu predstavljaju meru promena ulazne snage. Ako je potrebno, detektor može biti prekriven crnom bojom da bi se poboljšala apsorpcija fotona.
Signal iz bolometra generiše se elektronski pa su zbog toga ti detektori podložni ograničenjima koja potiču od osnovnih elektronskih fenomena vezanih za pojavu šuma. Dodatni osnovni šum potiče od fluktuacija kroz termičku vezu bolometra i hladnjaka. Kao posledica toga, visoke performanse mogu se dobiti samo na vrlo niskoj temperaturi, a ova okolnost jako utiče na oblast primene kao i na način očitavanja bolometarskih signala.
Bolometri vrlo visokih performansi moraju da rade na vrlo niskim temperaturama. U tom slučaju provođenje usled termičke ekscitacije je vrlo malo. Čak i ako bi poluprovodnički materijal mogao da bude dovoljno kontrolisan da obezbedi velike otpornosti, takvi detektori bi imali malu prednost nad onima sa nižom otpornošću zato što niske radne temperature smanjuju Džonsonov šum do ili ispod nivoa termalnog šuma čak i bez upotrebe visokih impedansi.
 

Detektorske matrice

Fotoprovodnici i fotodiode kombinuju se sa elektronskim čitačima i tako se grade detektorske matrice ili polja (arrays). Napredak u dizajniranju integrisanih kola i tehnologiji proizvodnje, rezultirao je kontinualnim i brzim poboljšanjem performansi matričnih detektora. U infracrvenoj oblasti ovi uređaji se zasnivaju na (konceptualno) jednostavnoj kombinaciji već opisanih komponenata: matrica integrisanih pojačavača povezana je sa matricom detektora. Ovi uređaji mogu da sadrže od nekoliko hiljada do nekoliko miliona detektorskih elemenata, osetljivih do granice osnovnog fotonskog šuma za većinu primena na talasnim dužinama od 1 do 40 μm. Za vidljivu i blisku infracrvenu oblast rade se monolitne strukture u silicijumu, tako da formiraju polja sa milionima tačaka visokih performansi. Najrazvijeniji od detektora za vidljivu oblast je takozvani CCD (charge coupled device), koji kombinuje matricu unutrašnjih fotoprovodnika, sekvencijalno adresabilnu matricu integrisanih kondenzatora, i FET izlazni pojačavač, a sve to izvedeno na jednom silicijumskom čipu. Kada rade na niskim temperaturama, CCD-i mogu da dostignu osnovne granice detekcije za skoro sve namene u opsegu talasnih dužina od oko 0,1 nm (u X-ray oblasti) do oko 1 µm (u bliskoj infracrvenoj oblasti), osim ako se zahteva brzi odziv u vremenu. Takozvane CMOS matrice za vizuelizaciju su alternativa CCD-ima. One kombinuju matricu silicijumskih detektora sa pojedinačnim čitačkim pojačavačima i detektorsku matricu sa nešto nižim performansama jedne tačke nego kod CCD-a, ali sa povećanom fleksibilnošću pri korišćenju, potencijalno nižom cenom i manjim šumom pri velikim brzinama.

Slika 5. Infracrvena direktna hibridna matrica

Prosta detektorska matrica može biti napravljena povezivanjem diskretnih detektora i pojačavača. Za veći broj tačaka, međutim, ova tehnika je dosta komplikovana. Mnogo lakši metod izrade moguće je ostvariti korišćenjem tehnologije integrisanih kola, da bi se minijaturizovali pojačavači do te mere da svaki od njih nije veći od odgovarajućeg detektora. Pojačavači se proizvode u obliku matrica, pri čemu svaki poseduje kontakt za ulazni signal. Detektori se, takođe, prave u obliku matrice koja je slika u ogledalu prethodne i imaju izvedene izlazne kontakte. Grudvice lema od indijuma postavljaju se na oba seta kontakata i „bonduju“ preciznim preklapanjem i slepljivanjem pod pritiskom. Pri deformaciji grudvica indijuma pod pritiskom razbija se oksid koji postoji kao njihova prirodna prevlaka i na površini se pojavljuje čist metal. Metalni indijum na kontaktima daje neophodnu električnu vezu između detektora i pojačivača obezbeđujući istovremeno i njihovo mehaničko spajanje. U nekim slučajevima u prostor između čitača i detektora utiskuje se epoksid da bi se povećala čvrstina spoja. Ovakvi uređaji se nazivaju udarno bondovane direktne hibridne matrice (slika 5).
Prednost opisane tehnike je ta što se čitači i detektori mogu posebno optimizovati, kako u pogledu materijala, tako i oblikovanja. Ta mogućnost je kritična kada su u pitanju visoke performanse matrica u spektralnom opsegu od 1 – 40 μm, pošto prave silicijumske matrice nisu moguće. Čitači se prave od silicijuma, pri čemu postoji razvijena tehnologija proizvodnje ultraminijaturnih elektronskih kola visokih performansi. Čvrst oksid koji može da se formira na silicijumu (ili nastaje prirodno) je osnovni razlog za njegovu primenu u kompleksnoj elektronici. Štaviše, visoka čistoća i dobre kristalografske osobine omogućavaju finom litografijom minijaturizaciju elektronike i, istovremeno, obezbeđuju niski šum. Ogromna industrija integrisanih kola predstavlja infrastrukturu potrebnu za proizvodnju čitača na bazi silicijumskih matrica. Detektori mogu biti izrađeni od InSb, HgCdTe ili bilo kog drugog materijala koji ima optimalne osobine za te namene. Čak i za dopirane silicijumske detektore, stupnjevi proizvodnje elektronike i infracrvenih detektora mogu biti suviše različiti, tako da je bolje da se oni proizvode posebno a zatim spajaju bondovanjem. Na primer, visoke temperature koje se primenjuju u proizvodnji čitača mogu oštetiti detektore. Takođe, kada se detektori proizvode zajedno sa čitačima, rezultat može biti nezadovoljavajući zato što obe funkcije moraju da dele istu površinu na čipu od poluprovodnog materijala.
Proizvodnja opisane indijumom bondovane infracrvene matrice, praćena je mnogim teškoćama. Osnovna je ta, što je verovatnoća da svaki stupanj u proizvodnji bude uspešan manja od jedinice, ponekada i znatno. Verovatnoća da se dobije zadovoljavajuća matrica na kraju svih stupnjeva je proizvod svih intermedijarnih verovatnoća, tako da je postizanje visokih iskorišćenja u proizvodnji vrlo teško. Mala iskorišćenja znače da se mnoge matrice moraju odbaciti; kao posledica toga cena krajnjeg proizvoda je visoka.

Jedan od najvećih izazova i ograničenja u konstrukciji hibridnih matrica je potreba za vrlo pouzdanom dimenzionom kontrolom pri konstrukciji i čitačkih i detektorskih matrica. Uređaji se konstruišu i čuvaju na sobnoj temperaturi ali se moraju hladiti pri radu; dimenzije se moraju održavati unutar uskih granica tolerancije u širokom temperaturnom opsegu. Ovaj zahtev je teško ostvariti kada su detektori od materijala čije se termičko skupljanje razlikuje od silicijumskog čitača. Sa uobičajeno korišćenim detektorskim materijalima, moguće je ostvariti dimenzije uređaja do oko 1 cm2, zadržavajući odgovarajuću kontrolu dimenzija da se podnese hlađenje. Matrice sa vrlo velikim brojem piksela, podrazumevaju sve manje dimenzije piksela i sve tanje detektorske i čitačke slojeve, a istovremeno se moraju širiti i skupljati da bi se prilagodile širenju i skupljanju drugih konstrukcionih materijala. Takođe, sila pri bondovanju mora biti kontrolisana tako da se indijumske grudvice dovoljno sabiju, ali da se ne oštete tanke pločice materijala koji nosi detektore i čitače ili da izazove klizanje pločica jedne u odnosu na drugu, što bi moglo da dovede do spajanja susednih lemova. Uprkos tim teškoćama, uspešno su konstruisane direktne hibridne infracrvene matrice od 1024 x 1024 do 2048 x 2048 piksela (sa dimenzijama piksela od 18 do 30 µm). Matrica 2048 x 2048 sa pikselima od 18 µm ima stranicu od 3,6 cm. Ako se matrica ohladi za 200 K, dimenziono neslaganje od ugla do ugla između infracrvenog detektorskog sloja i silicijumskog čitača može da prevaziđe dimenziju piksela, tako da bilo čitački ili detektorski sloj mora biti elastičan da bi se sačuvao integritet matrice tokom hlađenja.

Krajnji zadatak čitača je da se smanji broj izlaznih linija matrice od jedne po pikselu do razumnog broja (na primer 1, 2 ili 4 za celu matricu od više hiljada piksela). Signali se pojavljuju sekvencijalno na tim izlaznim linijama, gde se mogu procesirati serijski uz pomoć prateće elektronike. Kaže se da su signali „multipleksirani“ kroz elektronski sklop i ceo čitač se označava kao multiplekser, ili MUX, mada ima i značajan broj drugih funkcija.

Direktne hibridne matrice koriste se za merenja na talasnim dužinama između 1 i 40 μm. Za manje talasne dužine obično se koriste monolitne matrice na bazi unutrašnje apsorpcije u silicijumu. Na talasnim dužinama većim od 40 μm konvencionalne hibridne matrice postaju manje upotrebljive zbog neodgovarajućih karakteristika fotoprovodnika koji se koriste za daleku infracrvenu oblast. Između 1 i 10 μm matrice mogu biti zasnovane na dobro razvijenoj tehnologiji fotodioda od HgCdTe, InSb, PtSi ili drugih materijala, i između 1 i 6 μm one mogu postići kvantna iskorišćenja od 80 do 90 % (ako su zaštićene od refleksije) i šum od 4 do 30 elektrona. Između približno 4 i 40 μm matrice mogu biti bazirane na spoljašnjim silicijumskim fotoprovodnicima ili silicijumskim BIB (blocked impurity band) detektorima, sa kvantnim iskorišćenjima od 30 do 80% i šumom od 10 elektrona ili manjim.
Nastaviće se...