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Sep 01, 2023

Desarrollos en tecnología de imágenes UV e IR

Fuente: Edmund Optics En los últimos años, la demanda de sistemas de visión artificial que capturen información en los rangos espectrales ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) ha aumentado a medida que más integradores y

Fuente: Óptica Edmund

En los últimos años, la demanda de sistemas de visión artificial que capturen información en los rangos espectrales ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) ha aumentado a medida que más integradores y usuarios finales se aventuran en nuevos espacios de aplicaciones. Estas técnicas de imágenes aprovechan interacciones únicas entre la luz y la materia fuera del espectro visible. La gama de aplicaciones y espacios industriales para estas técnicas de imágenes incluye inspección de paquetes o etiquetas para la industria de alimentos y bebidas, imágenes hiperespectrales e imágenes multiespectrales para monitoreo ambiental y agricultura, ciencias de materiales e inspección de semiconductores, y muchas más. Aunque últimamente obtener imágenes en estos rangos espectrales tiene un costo menos prohibitivo y es más accesible, muchos de los enfoques de diseño y fabricación de sensores de cámaras y lentes ópticos son los mismos y se están implementando los mismos avances tecnológicos que reducen los costos asociados con estas aplicaciones más novedosas. mejorando también las tecnologías de sistemas de imágenes visibles. Sin embargo, existen varias diferencias clave en la tecnología para imágenes tanto UV como IR.

Los sensores de las cámaras son una serie de píxeles que constan de un sustrato de fotodiodo semiconductor, cableado metálico y una serie de microlentes. Como se ve en la Figura 1, hay dos arquitecturas de sensores principales, ambas con un orden diferente en la orientación de las capas constituyentes. Los sensores con iluminación trasera (BSI), como se muestra en la Figura 1 A, presentan relaciones señal-ruido superiores y una iluminación más uniforme en todo el sensor que el sensor con iluminación frontal (FSI), que se muestra en la Figura 1 B), ya que la luz incidente tiene menos profundidad de penetración para un sensor BSI que para un sensor FSI.

La fabricación de sensores para sensores UV e IR es casi idéntica a la de los sensores visibles (VIS), salvo por la adición de una capa superior protectora de cuarzo para los sensores UV, que reemplaza el vidrio típico en los sensores visibles debido a sus propiedades de transmisión en los rayos UV. . Sin embargo, el material utilizado para construir el sustrato del fotodiodo también puede diferir para los sensores necesarios para rangos de longitud de onda particulares o más amplios.

El sustrato del fotodiodo es la parte del sensor donde las señales fotónicas entrantes se convierten en señales digitales electrónicas para descargarse a una unidad computacional para la construcción de imágenes. Cada material de sustrato de fotodiodo tiene una sensibilidad particular a la luz en diferentes longitudes de onda. Esta sensibilidad a menudo se informa mediante una curva de eficiencia cuántica y es una medida de la eficiencia de un sensor para realizar la conversión de la señal de fotón a electrón en función de la longitud de onda.

El material utilizado para la fabricación del sustrato del fotodiodo en las cámaras de visión artificial para los espectros VIS y UV suele ser silicio debido a que la eficiencia cuántica es excepcional para VIS y decente en UV. El silicio también sigue siendo relativamente sensible a las longitudes de onda más cortas del IR o del infrarrojo cercano (NIR) (0,75 µm - 1 µm), por lo que normalmente se utiliza para sensores VIS-NIR. Sin embargo, el silicio es un material pobre para usar en longitudes de onda más allá del NIR, incluido el IR de onda corta (SWIR) entre 1,4 µm y 3 µm, el IR de onda media (MWIR) entre 3 µm y 5 µm y el IR de onda larga (LWIR) hasta aproximadamente 14 µm debido a su banda prohibida de 1,1 um. Por esta razón, los sensores IR utilizados para longitudes de onda SWIR están construidos con materiales como el arseniuro de indio y galio (InGaAs).

Los sensores híbridos para imágenes VIS-SWIR (400 nm – 1700 nm) y NIR-SWIR (700-1700 nm) generalmente se construyen a partir de InGaA. Algunos fabricantes también utilizan tecnologías particulares para la fabricación de sensores. La mayoría de los sensores IR contienen una capa de fosfuro de indio (InP) de varios espesores sobre el sustrato de InGaAs para rechazar longitudes de onda cortas no deseadas. Al cambiar el espesor de la capa de InP, el rechazo de la longitud de onda se atenúa específicamente. La capa InP de muchos de los sensores de Sony es lo suficientemente delgada como para pasar longitudes de onda visibles para uso híbrido. Sony también hace uso de una técnica de fabricación particular para sensores híbridos llamada hibridación o unión cobre-cobre (Cu-Cu), que ocurre a nivel de píxeles para unir sustratos de diferentes materiales [2].

Debido a que la mayoría de las imágenes de visión artificial se realizan en el espectro visible, hay muchos tipos diferentes de materiales de vidrio óptico disponibles para estas lentes ópticas y, en general, hay menos materiales disponibles para IR y UV. El vidrio óptico se puede utilizar de forma creativa para adaptarse a muchas aplicaciones NIR y SWIR, pero las aplicaciones de imágenes LWIR y UV requieren cristales iónicos o metálicos/metaloides exóticos.

El gráfico de vidrio de la Figura 5 muestra la gran cantidad de materiales ópticos disponibles. La mayoría de los materiales en esta tabla son vidrio óptico: corona (Número Abbe de >55) y pedernal (Número Abbe de <55). Estos vidrios y algunos otros, incluida la sílice fundida, pueden ofrecer solo utilidad para longitudes de onda nir ni siquiera swir, pero generalmente fallan en diseños ópticos destinados a longitudes de onda uv, mwir, lwir. Los materiales utilizan swir, las aplicaciones tienen una disponibilidad limitada, por lo que su uso es más caro. cristales de calcogenuro de haluro iónico (por ejemplo, al2O3 o zafiro, BaF2, CaF2, KBr, LiF, MgF2, NaCl, ZnS, ZnSe, etc.), así como metaloides, incluidos el silicio (Si) y el germanio (Ge).55).>

La selección de materiales apropiados para lentes de imágenes ópticas utilizables en los rangos de longitud de onda UV e IR requiere una consideración cuidadosa de las propiedades de transmisión, autofluorescencia y térmicas de los materiales en las temperaturas ambientales de los casos de uso de aplicaciones específicas. Un ejemplo de aplicación representativo es la imagen térmica, que requiere el uso de materiales ópticos con propiedades ópticas ideales en el LWIR. A medida que aumentan las longitudes de onda, los materiales disponibles para su consideración son cada vez menos. Los materiales apropiados para aplicaciones UV son incluso menos numerosos que aquellos para aplicaciones IR que se ven en la Figura 6, ya que los vidrios ópticos típicos no serán adecuados. Las aplicaciones UV dependen principalmente de materiales cristalinos costosos [3].

La radiación UV también presenta inherentemente dos desafíos únicos y específicos: la degradación de los productos por solarización y el peligro energético para los operadores humanos. La radiación UV tiene mayor energía y, por lo tanto, es más peligrosa que la radiación visible e IR y, por lo tanto, se deben considerar precauciones de seguridad, así como un análisis de modo y efecto de falla (FMEA) adecuado para realizar una aplicación segura.

Probar diseños para la gama UV también es difícil ya que hay pocos sensores de alta precisión y fuentes de radiación UV disponibles para la producción comercial. Además, los mismos peligros y efectos dañinos que la radiación UV presenta a los usuarios finales y al hardware de la aplicación también están presentes para los operadores, técnicos y equipos de análisis durante las pruebas. Por lo tanto, los costos de capital, los costos operativos y los costos de mantenimiento de los equipos UV altamente especializados también son más caros que los de los equipos estándar.

Los avances recientes en las tecnologías de fabricación de sensores y ópticas para longitudes de onda UV e IR han hecho que los sistemas de imágenes para estos rangos de longitud de onda sean más accesibles. Sin embargo, estos sensores y lentes ópticas tienen requisitos de diseño muy específicos y los componentes que los componen están hechos de materiales mucho más caros y exóticos que los componentes del espectro visible, lo que eleva el precio de este hardware. Dados estos desafíos de diseño y el aumento en la magnitud de los costos asociados con las aplicaciones UV e IR, aún puede ser más eficiente usar componentes de visión artificial diseñados para el espectro visible siempre que sea posible, ya que las técnicas de diseño óptico inteligentes a menudo pueden evitar que los usuarios finales tengan que aventurarse. en rangos de longitud de onda más desafiantes y costosos.

Fuentes:

Nicholas Sischka es director de operaciones de ventas e imágenes de Edmund Optics. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.edmundoptics.com.

Kyle Firestone es el ingeniero técnico de marketing de Edmund Optics. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected].