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Sep 01, 2023

Entwicklungen in der UV- und IR-Bildgebungstechnologie

Quelle: Edmund Optics In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Bildverarbeitungssystemen, die Informationen im ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Spektralbereich erfassen, gestiegen, da immer mehr Integratoren und

Quelle: Edmund Optics

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Bildverarbeitungssystemen, die Informationen im ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Spektralbereich erfassen, gestiegen, da immer mehr Integratoren und Endbenutzer in neue Anwendungsbereiche vordringen. Diese Bildgebungstechniken nutzen einzigartige Licht-Materie-Wechselwirkungen außerhalb des sichtbaren Spektrums. Die Bandbreite an Anwendungen und Industriebereichen für diese Bildgebungstechniken umfasst die Verpackungs- oder Etiketteninspektion für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, hyperspektrale Bildgebung und multispektrale Bildgebung für die Umweltüberwachung und Landwirtschaft, Materialwissenschaften und Halbleiterinspektion und vieles mehr. Auch wenn die Bildgebung in diesen Spektralbereichen in letzter Zeit weniger kostenintensiv und zugänglicher ist, sind viele der Design- und Herstellungsansätze für Kamerasensoren und optische Linsen dieselben und dieselben technologischen Fortschritte, die die mit diesen neuartigeren Anwendungen verbundenen Kosten senken Verbesserung der Technologien für sichtbare Bildgebungssysteme. Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede in der Technologie sowohl für die UV- als auch für die IR-Bildgebung.

Kamerasensoren sind eine Pixelanordnung, die aus einem Halbleiter-Fotodiodensubstrat, Metallverdrahtung und einer Mikrolinsenanordnung besteht. In Abbildung 1 sind zwei Hauptsensorarchitekturen zu sehen, die beide eine unterschiedliche Reihenfolge hinsichtlich der Ausrichtung der einzelnen Schichten aufweisen. Rückseitig beleuchtete (BSI) Sensoren, wie in Abbildung 1 A) dargestellt, zeichnen sich durch bessere Signal-Rausch-Verhältnisse und eine gleichmäßigere Beleuchtung über den gesamten Sensor aus als frontseitig beleuchtete (FSI) Sensoren, dargestellt in Abbildung 1 B), da das einfallende Licht weniger hat Die Eindringtiefe eines BSI-Sensors ist geringer als die eines FSI-Sensors.

Die Herstellung von Sensoren für UV- und IR-Sensoren ist nahezu identisch mit der für sichtbare (VIS) Sensoren, abgesehen von der Hinzufügung einer schützenden Quarz-Deckschicht für UV-Sensoren, die aufgrund ihrer durchlässigen Eigenschaften im UV das typische Glas in sichtbaren Sensoren ersetzt . Bei Sensoren, die für bestimmte oder breitere Wellenlängenbereiche erforderlich sind, kann sich jedoch auch das zum Aufbau des Photodiodensubstrats verwendete Material unterscheiden.

Das Fotodiodensubstrat ist der Teil des Sensors, in dem eingehende photonische Signale in elektronische Digitalsignale umgewandelt werden, um sie zur Bildkonstruktion an eine Recheneinheit weiterzuleiten. Jedes Fotodioden-Substratmaterial weist eine besondere Empfindlichkeit gegenüber Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf. Diese Empfindlichkeit wird häufig mithilfe einer Quanteneffizienzkurve angegeben und ist ein Maß für die Effizienz eines Sensors bei der Umwandlung von Photonen in Elektronen als Funktion der Wellenlänge.

Das für die Herstellung des Fotodiodensubstrats in Bildverarbeitungskameras für VIS- und UV-Spektren verwendete Material ist typischerweise Silizium, da die Quanteneffizienz für VIS außergewöhnlich und im UV-Bereich anständig ist. Silizium bleibt auch gegenüber den kürzeren IR- oder Nahinfrarot-Wellenlängen (NIR) (0,75 µm – 1 µm) relativ empfindlich und wird daher typischerweise für VIS-NIR-Sensoren verwendet. Silizium ist jedoch ein schlechtes Material für Wellenlängen jenseits des NIR, einschließlich kurzwelligem IR (SWIR) zwischen 1,4 µm und 3 µm, mittelwelligem IR (MWIR) zwischen 3 µm und 5 µm und langwelligem IR (LWIR) bis ca 14 µm aufgrund seiner Bandlücke von 1,1 µm. Aus diesem Grund bestehen IR-Sensoren für SWIR-Wellenlängen aus Materialien wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs).

Hybridsensoren für VIS-SWIR (400 nm – 1700 nm) und NIR-SWIR (700–1700 nm) Bildgebung werden typischerweise aus InGaAs hergestellt. Einige Hersteller nutzen auch spezielle Technologien zur Sensorfertigung. Die meisten IR-Sensoren enthalten eine Schicht aus Indiumphosphid (InP) unterschiedlicher Dicke über dem InGaAs-Substrat, um unerwünschte kurze Wellenlängen zu unterdrücken. Durch die Änderung der Dicke der InP-Schicht wird die Wellenlängenunterdrückung gezielt gedämpft. Die InP-Schicht vieler Sony-Sensoren ist dünn genug, um sichtbare Wellenlängen für den Hybridgebrauch durchzulassen. Sony nutzt außerdem eine besondere Herstellungstechnik für Hybridsensoren, die sogenannte Kupfer-Kupfer-Hybridisierung (Cu-Cu) oder Bonding, die auf Pixelebene erfolgt, um Substrate aus unterschiedlichen Materialien zu verbinden [2].

Da der Großteil der maschinellen Bildverarbeitung im sichtbaren Spektrum erfolgt, stehen für diese optischen Linsen viele verschiedene Arten von optischem Glasmaterial zur Verfügung und für IR und UV im Allgemeinen weniger Materialien. Optisches Glas kann kreativ für viele NIR- und SWIR-Anwendungen eingesetzt werden, LWIR- und UV-Bildgebungsanwendungen erfordern jedoch exotische ionische oder metallische/metalloide Kristalle.

Das Glasdiagramm in Abbildung 5 zeigt die schiere Anzahl der verfügbaren optischen Materialien. Bei den meisten Materialien in dieser Tabelle handelt es sich um optisches Glas: Krone (Abbé-Zahl >55) und Feuerstein (Abbé-Zahl <55). Diese Gläser und einige andere, einschließlich Quarzglas, bieten möglicherweise nur einen Nutzen für NIR-Wellenlängen, versagen jedoch typischerweise bei optischen Designs, d. h. UV-, MWI- und LWI-Wellenlängen. Materialien verwenden Swir, die Anwendungen sind begrenzt verfügbar und daher teurer in der Verwendung. ionische Halogenid-Chalkogenid-Kristalle (z. B. Al2O3 oder Saphir, BaF2, CaF2, KBr, LiF, MgF2, NaCl, ZnS, ZnSe usw.) sowie Metalloide einschließlich Silizium (Si) und Germanium (Ge).55).>

Die Auswahl geeigneter Materialien für optische Abbildungslinsen, die im UV- und IR-Wellenlängenbereich einsetzbar sind, erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Transmissions-, Autofluoreszenz- und thermischen Eigenschaften der Materialien bei den Umgebungstemperaturen der spezifischen Anwendungsfälle. Ein repräsentatives Anwendungsbeispiel ist die Wärmebildtechnik, die den Einsatz optischer Materialien mit idealen optischen Eigenschaften im LWIR erfordert. Mit zunehmender Wellenlänge werden weniger Materialien zur Verfügung, die in Frage kommen. Die für UV-Anwendungen geeigneten Materialien sind noch weniger zahlreich als die in Abbildung 6 gezeigten für IR-Anwendungen, da typische optische Gläser nicht geeignet sind. UV-Anwendungen basieren meist auf teuren kristallinen Materialien [3].

UV-Strahlung stellt außerdem von Natur aus zwei spezifische, einzigartige Herausforderungen dar: die Zersetzung von Produkten durch Sonneneinstrahlung und eine energetische Gefahr für menschliche Bediener. UV-Strahlung ist energiereicher und daher gefährlicher als sichtbare und IR-Strahlung. Daher müssen Sicherheitsvorkehrungen sowie eine ordnungsgemäße Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) für ein sicheres Anwendungsverhalten berücksichtigt werden.

Auch das Testen von Designs für den UV-Bereich ist schwierig, da für die kommerzielle Produktion nur wenige hochpräzise Sensoren und UV-Strahlungsquellen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus bestehen bei Tests auch für Bediener, Techniker und Analysegeräte dieselben Gefahren und schädlichen Auswirkungen, die UV-Strahlung für Endbenutzer und Anwendungshardware darstellt. Daher sind auch die Kapitalkosten, Betriebskosten und Wartungskosten für hochspezialisierte UV-Geräte teurer als für Standardgeräte.

Jüngste Fortschritte bei den Sensor- und Optikfertigungstechnologien für UV- und IR-Wellenlängen haben Bildgebungssysteme für diese Wellenlängenbereiche zugänglicher gemacht. Allerdings stellen diese Sensoren und optischen Linsen sehr spezifische Designanforderungen und die Komponenten bestehen aus viel teureren und exotischeren Materialien als Komponenten für das sichtbare Spektrum, was den Preis für diese Hardware in die Höhe treibt. Angesichts dieser Designherausforderungen und der steigenden Kosten im Zusammenhang mit UV- und IR-Anwendungen kann es immer noch effizienter sein, wann immer möglich Bildverarbeitungskomponenten zu verwenden, die für das sichtbare Spektrum entwickelt wurden, da clevere optische Designtechniken Endbenutzer oft davon abhalten können, sich darauf einzulassen in anspruchsvollere und teurere Wellenlängenbereiche.

Quellen:

Nicholas Sischka ist Vertriebsleiter für Bildgebung bei Edmund Optics. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.edmundoptics.com.

Kyle Firestone ist technischer Marketingingenieur bei Edmund Optics. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected].