În excelent ca aparate care funcționează în spectrul luminii vizuale sunt, ele omit o mare parte din informațiile care pot fi obținute de la alte lungimi de undă. Există, de asemenea, problema minoră că expunerea este frecvent afectată, cum ar fi atunci când plouă, sau este ceață. Atunci când se întâmplă acest lucru, aplicații, cum ar fi mașinile care se conduc si camioane care depind de acest lucru, au o problemă majoră. cu senzori care utilizează de sensibile la alte lungimi de undă, putem preveni toate acestea, multe dintre aceste probleme.
Undă scurtă radiație infraroșie (SWIR) este de aproximativ parte a spectrului electromagnetic între 1,4 pm – 3 pm sau 100 THz – 214 THz. Aceste locații l între lumină vizibilă precum cuptoare cu microunde, precum și mai lungi de unda IR la 20 THz – 37 THz. LWIR este ceea ce folosesc camere termice, cu LWIR asemenea emisă de obiecte calde, cum ar fi corpul uman.
SWIR este în mare măsură neafectată de apă în atmosferă, în timp ce, de asemenea, trecând cu materiale care sunt opace la lumina vizibilă. Acest lucru SWIR care să permită să fie utilizat pentru analiza precum și inspecția, indiferent de PCB-uri precum și fructe la opere de artă pentru detalii de captură care sunt altfel invizibile sau extrem de dificil de a vedea.
Din păcate, la fel ca senzori de cameră termică, senzori SWIR sunt destul de scumpe. Sau ei au fost, până de curând, mai degrabă, cu apariția unor senzori pe bază cuantice-dot-care scad semnificativ costurile acestor senzori.
Capturarea unde scurte
Senzorii care ne permite să prindă radiațiile infraroșii, în general, constau dintr-o matrice dreptunghiular de pixeli, numit matrice plan focal (FPA), de asemenea, înțeles ca o matrice holbează. Acest lucru este similar cu APDP utilizate cu alte lungimi de undă, cum ar fi CMOS (APS), precum și senzori CCD utilizate cu lumină vizibilă. Aceste APDP sunt de obicei realizate din siliciu, ca senzori pe baza de siliciu sunt sensibile în spectrul vizibil cât și o parte a spectrului în infraroșu apropiat.
Pentru lungimi de unda dincolo de materiale in infrarosu, mai exotice, precum și procesele sunt în general necesare. Materialul pentru un senzor SWIR are nevoie nu numai pentru a fi sensibile la acea lungime de undă, cu toate acestea, de asemenea, să aibă o mobilitate adecvată de electroni pentru a se asigura că taxa poate fi transferată rapid precum și eficient suficient pentru a fi de a utiliza într-un senzor. Acest lucru este în cazul în care, în acest moment, galiu indiu arseniura (GaInAs) este cel mai popular. (De asemenea, interschimbabil denumit InGaAs în literatura științifică.)
GaInAs a fost raportată prima să fi fost efectiv cultivate pe un substrat InP de Duchemin et al. (1981) în 1980 utilizând depunerea chimică de vapori organo-metalici, care în prezent este în continuare tehnica principala de producere a structurilor GaInAs de senzori. După faza de depunere de vapori, aceste GaInAs ștanțe sunt meticulos lipite la o interfață bazată pe siliciu, ceea ce face un proces destul de lent, intensiv forța de muncă precum și, prin urmare, costisitoare.
HgCdTe bazat pe module HAWAII senzor cu rezoluție 2k x 2k pixeli, așa cum este instalat în zona James Webb Telescope (JWST).
Ceea ce nu este de stat că este imposibil să se ciocni tag-ul de cost chiar și mai departe. Când au fost dezvoltate senzorii NIR pentru zona James Webb Telescope, sa descoperit că senzorii GaInAs au fost la fel de bine zgomotos precum și cu curent ridicat întuneric. Acest lucru a condus la utiliza de HgCdTe (mercur telurură de cadmiu) în schimb, cu fiecare senzor crescut precum și asamblate, de asemenea, la un senzor GaInAs, doar cu o etichetă de cost astronomic de aproximativ un sfert de milion de dolari fiecare.
Aceasta explică o slăbiciune a senzorilor GaInAs pe bază: în scopul de a reduce zgomotul din semnalul de radiație termică, acestea sunt în general răcite folosind un sistem de răcire criogenice sau o soluție similară. Acest lucru sporește în mod semnificativ cheltuielile precum și complexitatea acestor senzori de operare.
Primar take-away de aceasta este că demonstrează că există mai multe materiale se poate alege precum și ton de la o anumită parte a spectrului electromagnetic. Care dintre lucrări depinde de cerințele prin prezenta unei persoane, în plus față de buget. Ca incredibil ca senzori SWIR ar fi să se utilizeze cu ex linii de producție industrială pentru AC precum și mașini autonome sau de conducere asistate și camioane pentru a obține în jurul valorii de limitări vizuale în mai puțin meteorologice corespunzătoare, senzori pe bază de GaInAs la nenumărate dolari bucata sunt mult cat si costisitoare de a utiliza în astfel de aplicații.
Dreptul de compromisurile
S-ar părea relativ evident că pentru senzori generice, SWIR ieftine noi nu cerința de a se potrivi cu sensibilitatea exactă precum și cererile de viteză ale unui senzor GaInAs bazat, atâta timp cât compromisurile în ceea ce privește viteza de captură precum și sensibilitatea se potrivesc cu câștigurile bugetare. Acesta este motivul pentru care sulfuroase de plumb (PbS) pe bază de puncte cuantice coloidale (CQDs) au primit o atenție considerabilă, deoarece acestea promit fotosensibilitate acceptabile în curtoazia spectrul SWIR de capacitatea QDs de a fi reglate mai degrabă exact spectrul țintă.
O problemă majoră cu PbS CQDs este stabilizarea lor de lungă durată (pasivare), cu Kwon etAl. (2020) de raportare în Nano convergență privind adaosul de sulfură de cadmiu (CdS) pentru a stabiliza PbS QDs pentru a utiliza ca senzori SWIR. Cele CQDs rezultate operate efectiv, de peste 182 de ore. Avantajul major al CQDs ca acestea peste senzori GaInAs pe bază este că acestea sunt mult mai ușor, precum și mai rapid de a sintetiza, de asemenea, în timp ce simplifică integrarea într-un senzor de practică.
In loc de o etapă de depunere de vapori, a QDs sunt create într-un mod similar ca QDs utilizate în tehnologiile de ecran specifice, cu QDs sintetizați utilizând soluții precum dispozitivele descoperite în orice tip de laborator de chimie bine echipate – așa cum, de asemenea, explicat în detaliu de Kwon și colab. – după care soluția rezultată poate fi utilizată ca un finisaj cu peliculă subțire pe substratul țintă.
Rezumatul senzorului dot cuantic coloidal sensibil SWIR HLB-stabilizat. (Vafaie și colab., 2020)
De asemenea, recent, Vafaie și colab. (2020 PDF) de la Universitatea din Toronto a explicat PbS CQDs folosind nivel înalt de brom pasivare, producând SWIR QDs care nu au doar o eficacitate în afara cuantică (EQE) de 80% la 1,550 nm (comparabil cu GaInAs), cu toate acestea, de asemenea, un 10 ns timpul de răspuns. Ei au raportat 12 de ore de stabil, funcționare constantă sub aerul înconjurător.
Minte Producția Gap
Înainte de o inovație incredibil nou poate evadare de laborator, precum și să descopere metoda sa în fabrici, un proces de producție care se pretează bine la producție de masă trebuie să fie dezvoltate. După cum sa menționat, în cazul în care acest lucru este o inovație ca GaInAs nu a făcut singur cu producție la scară mică, senzori SWIR cu toate acestea bazate pe CQD PbS par a face mult mai bine.
În acest moment SWIR Vision Systems, Emberion, ST Microelectronics, în plus față de Imec au furnizat produse care utilizează acești senzori, sau senzori prototip SWIR bazate pe PbS CQDs. În ianuarie 2022 a fost dezvăluit faptul că Hitachi Astemo ca un furnizor pentru industria auto va evalua senzori Raven SWIR TriEye israelian. Fiind zile de început, este eliminați pentru cel puțin un timp acești senzori SWIR vor sta la îndemâna colecționar tipic precum și producător de scară mică.
Potrivit lui Imec, se așteaptă ca senzorii lor SWIR va „o zi“ să fie produsă pentru ca bit ca € 10 la € 100. în comparație cu soluțiile bazate pe GaInAs existente acest lucru ar fi o valoare incredibilă, precum și a pus la îndemâna pasionaților chiar și atunci când a lansat pe piața generală. Acest lucru poate duce unul la întrebarea doar ceea ce este faptul că senzorii SWIR accesibile ar fi util pentru.
INSPECT, Analizeaza, Navigare
SWIR este extrem de util pentru a contribui detalii că partea vizuală a spectrului nu poate oferi, cum ar fi materialul mineral în formațiuni geologice, care sunt datele necesare pentru locuri de muncă Earth Observatory al NASA a achiziționat utilizând sateliții săi. Cu toate acestea, exact același lucru se poate face prin ex geologi, fie pe sol sau prin intermediul avion sau drone pentru a ajuta sondajele.
Comparând diferențele dintre 3 benzi de unde scurte infrarosu evidențiază geologia minerale din jurul Chinei Piqiang Defect. (Imagine NASA de Robert Simmon cu datele ASTER.)
Sub iluminare SWIR este de asemenea simplu pentru a vedea de ex vânătăi în fructe, schițe ascunse sub vopsea pe o pânză, precum și cantitatea de lichid sau pulbere rămasă în recipiente care sunt altfel opace. În mod similar, este posibil să se vadă cu o mare parte a PCB-urilor, precum și de siliciu, ceea ce face util pentru inspecții (automate) pentru a adăuga la fluxurile de lucru existente de inspecție.
Deoarece SWIR nu este văzută de ochiul uman precum și încă arătat mai mult ca lumina vizibila, acesta poate fi utilizat pentru navigare. Spre deosebire de camerele de lumină vizibilă, sau chiar camere IR de rutina pe drone, camerele SWIR nu sunt afectate de ceață chiar și cele mai grele precum și ploaie. Acesta este, de asemenea, o proprietate rezidențială extrem de util pentru securitate, precum și camere sălbatice de viață.
Cu exact cât de multe decenii imagistica SWIR a fost în esență, la îndemâna persoanei tipice, poate dura o lungă perioadă de timp pentru avantajele oferite sfârșit prin a fi complet evidentă. Chiar și așa, atunci când ne gândim la rutina de a utiliza ca camere termice poate descoperi astăzi de pasionaților precum și experți deopotrivă, nu este greu de camerele de Envision SWIR descoperi chiar mai multe utilizări, ca o alternativă la ambele viziune de noapte ( „IR“) camerelor de filmat ca ca un instrument de analiză vitală, indiferent dacă este sortarea fructelor sau analiza probelor minerale.
Să sperăm că înainte de mult timp vom vedea senzori SWIR CQD pe bază de sfârșit prin a fi, în general, disponibile. având în generația actuală a se vedea utiliza în industria auto și alte piețe similare, probabil, va ajuta în mod semnificativ cu scăderea costurilor de producere. până atunci este încă un joc de așteptare, chiar și cum ar trebui să vedem aceste noi senzori care apar în mai multe precum și mai multe gadget-uri din jurul nostru.
[Rubrica image: Ca mere de călătorie în jos banda transportoare, acestea sunt scanate utilizând InGaAs precum și camere CMOS. Camera InGaAs va arăta defecte care încep de tip sub piele pe care ochiul uman nu poate vedea; camera CMOS va arăta defecte vizibile. (Credit: Hamamatsu)]