מאירה באור אחר את האמת בגלים קצרים אינפרא קרינה

כפי מעולה כמו מצלמות הפועלות בספקטרום האור ויזואלית הם, הם משמיטים הרבה של המידע שניתן שלוקט באורכי גל אחרים. יש גם את בעית הקטין כי חשיפה מושפעת בדרך כלל, כגון כאשר יורד גשם, או מעורפל. כאשר זה קורה, יישומים כגון נהיגה עצמית מכוניות ומשאיות אשר תלוי זה, יש בעיה רצינית. עם לנצל של חיישנים רגישים לאורכי גל אחרים, אנחנו בכל זאת יכולה למנוע הרבה בעיות אלה.

בגלים קצרים קרינה אינפרא אדום (SWIR) הוא כ החלק של הספקטרום האלקטרומגנטי בין 1.4 מיקרומטר – 3 מיקרומטר, או 100 THz – 214 THz. במקומות זו אותה בין האור הנראה כמו גם מיקרוגל, כמו גם מעל לטווח גל IR ב 20 THz – 37 THz. LWIR מה להשתמש במצלמות תרמיות, עם LWIR גם נפלט חפצים חמים, כגון גוף האדם.

SWIR אינו מושפע בעיקר על ידי מים באטמוספירה, בעוד גם עובר עם חומרים שהם אטומים לאור הנראה. SWIR שמאפשר זה כדי להיות מנוצל עבור ניתוח כמו גם בדיקה של מה מן PCBs כמו גם פירות ליצירות אמנות לפרטים לתפוס כי הם בלתי נראים או קשה מאוד לראות.

למרבה הצער, הרבה כמו חיישני מצלמה תרמיים, חיישני SWIR יקרים למדי. או שהם היו, עד די לאחרונה, עם הופעתה של חיישני קוונטים-מבוסס נקודה כי להפחית באופן משמעותי את העלויות של חיישנים אלה.

לכידת גלים קצרים

החיישנים המאפשרת לנו לתפוס קרינת אינפרא אדום בכלל מורכב מערך מלבני של פיקסלים, שנקרא מערך מוקד-מטוס (FPA), הבינו גם כמערך מי ימצמץ ראשון. זה דומה FPAs מנוצל עם אורכי גל אחרים, כגון ה- CMOS (APS) וכן חיישני CCD מנוצל עם האור הנראה. FPAs אלה עשויים בדרך כלל מסיליקון, כמו חיישנים מבוססי סיליקון רגישים בתוך גלוי וכן חלק של הספקטרום האינפרה-אדום הקרוב.

עבור אורכי גל מעבר ליד, אינפרא אדום חומרים אקזוטיים יותר, כמו גם תהליכים נדרשים בדרך כלל. החומר עבור הצרכים חיישן SWIR לא רק להיות רגיש גל כי, אולם גם יש ניידות אלקטרונים נאותה כדי להבטיח כי דמי ניתן להעביר במהירות כמו גם מספיק יעיל כדי להיות לנצל בתוך החיישן. זה המקום שבו, ברגע, אינדיום גליום ארסניד (GaInAs) הוא הפופולרי ביותר. (כן לסירוגין המכונה InGaAs בספרות המדעית.)

GaInAs מאוד דווח לראשונה כבר מבוגר ביעילות על מצע InP ידי ואח Duchemin. (1981) ב 1980 ניצול שיקוע כימי metalorganic, שכיום הוא עדיין הטכניקה העיקרית לייצר מבני חיישן GaInAs. לאחר שלב השיקוע, מת GaInAs אלה מודבקים בקפידה לממשק מבוסס סיליקון, מה שהופך אותו תהליך איטי למדי, עתיר עבודה כמו גם כן יקרה.

HgCdTe מבוססי מודול חיישן הוואי עם 2k x 2k פיקסלים, כפי שהותקנו באזור ג’יימס ווב טלסקופ (JWST).
וזה לא מצב שאי אפשר להקפיץ את תג המחיר מעלה עוד יותר. כאשר חיישני NIR עבור אזור ג’יימס הווב טלסקופ פותחו, התגלה כי חיישני GaInAs היו גם רועש כמו גם עם הנוכחית כהה גבוהה. הדבר הוביל לנצל של HgCdTe (קדמיום טלוריד כספית) במקום, עם כל חיישן גדל וכן התאספו באותו אופן אל חיישן GaInAs, רק עם תג מחיר אסטרונומי של כרבע מיליון דולר ארה”ב כל אחד.

זה מסביר חולשה של חיישנים מבוססי GaInAs: כדי להפחית את הרעש האות מפני קרינה תרמית, הם התקררו כלל ניצול צידנית קירור או פתרון דומה. זה מוסיף באופן משמעותי על חשבון וכן מורכבות הפועלות חיישנים אלה.

The Take-away העיקרית מכך הוא שזה מוכיח כי יש מספר חומרים אחד יכול לבחור כמו גם מנגינה בחלק מסוים של הספקטרום האלקטרומגנטי. איזה מהם עובד תלוי בזאת על הדרישות של אחד, בנוסף לתקציב. כפי מדהים כמו חיישנים SWIR יהיה לנצל עם למשל: קווי ייצור תעשייתיים עבור QA וכן אוטונומיות או נהיגה בסיוע מכוניות ומשאיות לעקוף מגבלות חזותיות בתוך פחות מזג האוויר מתאים, חיישנים מבוססים GaInAs בבית דולרים אינספור חתיכה רחוקה כמו גם יקרים לנצל ביישומים כאלה.

בדיון בפשרות התקינות

זה היה נראה יחסית ברור כי עבור חיישני SWIR גנריות, זולים שאנחנו עושים לא דרישה להתאים את הרגישות המדויקת וכן דרישות מהירות חיישן GaInAs המבוסס, כל עוד offs הסחר מבחינת מהירות לתפוס כמו גם רגיש להתאים את הרווח התקציבי. זו הסיבה מדוע גופרתי להוביל (PBS) מבוססות נקודות קוונטיות קולואידים (CQDs) יש לי תשומת לב רבה, כמו אלה מבטיחים רגישים מקובלות באדיבות קשת SWIR של היכולת של QDs להיות מכוונים דווקא בדיוק לספקטרום היעד.

אחת הבעיות המרכזיות עם PBS CQDs הוא ייצוב לטווח ארוך שלהם (פסיבציה), עם et קווןאל. (2020) דיווח ב ננו התכנסות על התוספת של גופרי קדמיום (CDS) על מנת לייצב QDs PbS עבור לנצל חיישני SWIR. CQDs וכתוצאה פעל ביעילות במשך 182 שעות. היתרון העיקרי של CQDs כאלה מעל חיישנים מבוססים GaInAs הוא שהם קלים יותר באופן משמעותי כמו גם מהר לסנתז, בעוד גם לפשט את האינטגרציה לתוך חיישן מעשי.

במקום צעד שיקוע, את QDs נוצרת באופן דומה כמו QDs מנוצל בטכנולוגיות מסך ספציפיות, עם QDs מסונתז באמצעות פתרונות כמו גם תקניים שהתגלו כול סוג של מעבדה בכימיה מאובזרת – כמו כן הסביר בפירוט על ידי et al קוון. ניתן להשתמש שלאחריו הפתרון שהתקבל בתור לסיים סרט דק על מצע היעד -.

סיכום של חיישן נקודה HLB-התייצב SWIR רגיש הקוונטים קולואידים. (Vafaie et al., 2020)
כמו כן לאחרונה, Vafaie ואח. (2020, PDF) מאוניברסיטת טורונטו הסביר PbS CQDs ניצול פסיבציה ברום ברמה גבוהה, הפקת QDs SWIR שיש לא רק יעילות קוונטית בחוץ (EQE) של 80% ב 1550 ננומטר (להשוות GaInAs), אולם אף הוא 10 זמן התגובה NS. הם דיווחו 12 שעות של יציבה, פעולה מתמדת תחת באוויר הסביבה.

Mind the Gap הייצור

לפני חידוש חדש מדהים יכול מילוט ממקום במעבדה וכן לגלות השיטה שלה לתוך מפעלים, תהליך ייצור זה מלווה את עצמה היטב-ייצור המוני יש לפתח. כאמור, זהו המקום בו חדשנות כמו GaInAs שמעולם לא יצאה ייצור בקנה מידה קטן, אך PbS חיישנים SWIR CQD מבוססי להיראות עושה הרבה יותר טוב.

בשלב זה מערכות Vision SWIR, Emberion, ST Microelectronics, בנוסף Imec ספק מוצרי ניצול חיישנים אלה, או חיישני SWIR אב הטיפוס מבוססים על PBS CQDs. בחודש ינואר של 2022 נחשף כי Hitachi Astemo כספק הרכב נבצע הערכה חיישנים SWIR רייבן של TriEye הישראלי. להיות מוקדם ימים, זה הוא להסיר שלפחות במשך זמן מה חיישני SWIR אלה יישארו מחוץ להישג ידם של התחביבים הטיפוסיים, כמו גם יצרנית בקנה מידה קטנה.

לדברי Imec, הם צופים כי חיישני SWIR שלהם יהיה “יום אחד” להיות מיוצר עבור כמו קצת כמו € 10 ל- € 100. בהשוואה לפתרונות GaInAs המבוסס קיימים זה יהיה ערך מדהים, כמו גם לשים את זה בהישג היד של חובבים גם כאשר שוחררו לשוק הכללי. זה עלול להוביל אחד לפקפק בדיוק מה זה כי חיישני SWIR סבירים יהיו שימושיים עבור.

לבדוק, לנתח, נווט

SWIR הוא מאוד שימושי עבור תורמי פרטים כי החלק החזותי של הספקטרום לא יכול לספק, כגון חומר מינרלי תופעות גיאולוגיות, המהווה מידע נחוץ עבור העבודה מצפה הארץ של נאס”א רכשה ניצול וגרורותיה. עם זאת, בדיוק באותו עלול להיעשות על ידי למשל, גיאולוגים, אם על הקרקע או באמצעות מטוס או מזל”ט לסקרי עזרה.

השוואת ההבדלים בין 3 להקות אינפרא אדומות בגלים קצרים מדגישה את גיאולוגית מינרלים שמסביב תקלת Piqiang של סין. (תמונה נאס”א ידי רוברט Simmon עם נתונים אסטר.)
תחת תאורת SWIR זה גם פשוט לראות למשל: פוצע בפרות, סקיצות החבויות מתחת הצבע על בד, כמו גם את כמות הנוזלים או האבקה להישאר בכלים הנמצאים אחר אטום. בדומה לכך, אפשר לראות עם הרבה של PCBs וכן סיליקון, מה שהופך אותו לשימושי עבור (אוטומטית) בדיקות להוסיף זרימות עבודת בדיקה קיימות.

מכיוון SWIR לא נתפס על ידי העין האנושית כמו גם עדיין הראה הרבה כמו אור הנראה, זה יכול להיות מנוצל עבור ניווט. בניגוד למצלמות אור נראה, או מצלמות IR שגרתית אפילו על מזל”טים, מצלמות SWIR אינם מושפעים גם על ידי הערפל הכבד, כמו גם גשם. זהה גם נכס למגורים שימושי מאוד עבור אבטחה, כמו גם מצלמות-חיים פרוע.

עם עשרות שנים איך בדיוק רב הדמית SWIR בעצם כבר מחוץ להישג ידם של האדם הטיפוסי, זה עלול לקחת זמן רב עבור היתרונות המוצעים בסופו של דבר להיות ברור לחלוטין. אפילו כך, כאשר אנו חושבים על שגרת לנצל כי מצלמות תרמיות לגלות היום על ידי חובבים וכן ומומחים כאחד, זה לא קשה מצלמות SWIR לדמיין לגלות אפילו יותר שימושים, כמו כתובת חלופית הן לראיית לילה ( “IR”) מצלמות וכן כמו ככלי ניתוח חיוני, בין אם היא מיון פירות או ניתוח דגימות מינרלים.

יש לקוות לפני זמן נוכל לראות חיישני SWIR מבוססים CQD בסופו של דבר להיות זמין בדרך כלל. שיש בדור הנוכחי ראו לנצל ב רכב, כמו גם בשווקים דומים יסייעו סבירים משמעותיים עם הנהיגה בכביש עלויות הייצור. עד אז זה עדיין משחק ההמתנה, גם אנחנו צריכים לראות חיישנים חדשים אלה המופיעים יותר כמו גם גאדג’טים נוספים סביבנו.

[כותרת התמונה: כמו תפוחים לנסוע על המסוע, הם נסרקים ניצול InGaAs כמו גם מצלמות CMOS. מצלמת InGaAs נראית פגמים מתחילים להקליד מתחת לעור כי עין אנושית לא יכולה לראות; מצלמת CMOS נראתה פגמים גלוי. (קרדיט: Hamamatsu)]