Was ist SWIR?

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Was ist der SWIR-Wellenlängenbereich?
Für das kurzwellige Infrarot (SWIR) gibt es je nach Autor unterschiedliche Definitionen. Wie die meisten Definitionen hat sich auch die Bedeutung des Begriffs im Laufe der Zeit verändert. SWIR ist ein Unterbereich des elektromagnetischen Wellenlängenspektrums, den Wissenschaftler seit langem als Infrarot bezeichnen und der zu dem Bereich gehört, den Spektroskopiker als nahes Infrarot (NIR) bezeichnen. Im Zuge der Entwicklung der Detektortechnologie wurde der NIR-Bereich durch den Bereich begrenzt, in dem das menschliche Auge nichts mehr erkennen kann und in dem Siliziumdetektoren durchsichtig werden sowie an Empfindlichkeit verlieren, d. h. bei einer Wellenlänge von etwas mehr als 1 Mikrometer (1 µm). Für die Zwecke dieser Website, die von Princeton Infrared Technologies (PIRT), einem Unternehmen für bildgebende SWIR-Detektoren, bereitgestellt wird, erstreckt sich der SWIR-Bereich von 1000 bis 2600 nm (1,0 bis 2,6 µm). Dieser wird im kürzeren Wellenlängenbereich durch den NIR-Bereich von 750 bis 1000 nm (0,75 bis 1 µm) und im längeren Bereich durch die dominante atmosphärische Absorptionsbande von 2600 bis 3000 nm (2,6 bis 3,0 µm) begrenzt. Diese langwelligere SWIR-Grenze wird durch das Ende des Transmissionsfensters für Glas- und Quarzoptiken, das bei etwa 2,6 µm liegt, noch verstärkt.

Dank der Weiterentwicklung der Detektortechnologie gibt es nunmehr rauscharme Vis-SWIR-InGaAs-Bildgebungsdetektoren, die den sichtbaren bis mittleren SWIR-Bereich von 400 bis 1700 nm (0,4 bis 1,7 µm) bedienen, wie etwa die MVCam, die 1280SciCam und die LineCam12 von PIRT. Bislang musste der InGaAs-Kristall bei einer Wellenlänge von mehr als 1700 nm ausgetauscht werden, was zu übermäßigem Dunkelstrom und Ungleichmäßigkeiten im Bild führte, wodurch solche bildgebenden Detektoren für den Markt unattraktiv wurden. Dies veranlasste einige Unternehmen, Technologien mit geringer Quanteneffizienz (QE) wie kolloidale Quantenpunkte (CQD) auf den Markt zu bringen. Das ändert sich nun. PIRT hat kürzlich eine Megapixel-Kamera vorgestellt, die auf einen Wellenlängenbereich von 400 bis 2050 nm (0,4 bis 2,05 µm) reagiert und eine völlig neue Detektorstruktur verwendet, die auf der InGaAs/GaAsSb-Typ-II-Supergittertechnologie (T2SL) basiert. Dies führt zu einer überragenden Bildqualität mit einer QE-Reaktion von >30 % bei 1550 nm und >20 % bei 1900 nm (bei 1,55 und 1,9 µm) ohne Bildartefakte.

Warum sind die SWIR-, NIR-SWIR- und Vis-SWIR-Banden so wichtig?
Der SWIR-Wellenlängenbereich ist wichtig, da chemische Signaturen aufgrund von chemischer Absorption auf reflektiertem oder durchgelassenem Licht abgebildet werden. Die Bilder sind für die Benutzer leichter zu verstehen, da die Darstellung von NIR- und SWIR-Bildern der Darstellung von Bildern im sichtbaren Licht entspricht. Auch ist die Streuung im SWIR-Band geringer, was schärfere Bilder beim Blick durch die Atmosphäre auf weit entfernte Objekte ermöglicht. In besonderen Fällen ist das SWIR-Band auch für die Wärmebildtechnik von Nutzen, z. B. wenn die Objekttemperaturen über 100 °C liegen oder durch Glas- oder Quarzoptiken oder Fenster betrachtet werden müssen.

Die wichtigsten Vorteile des SWIR-Bandes sind folgende Bildgebungsmöglichkeiten:

  • Sieht in unruhiger Luft weiter als Kameras im sichtbaren oder NIR-Bereich
  • Sieht mit größerer Klarheit durch undurchsichtige Materialien als Kameras mit kürzeren Wellenlängen
  • Sieht durch einige undurchsichtige Schichten hindurch:
    • einschließlich des Erkennens von Zeichnungen unter Kunstwerken
  • Erkennt „unsichtbare“ Schichten
  • Erkennt chemische Unterschiede zwischen Materialien durch Reflexion oder Transmission aufgrund der molekularen Schwingungen der Materialien:
    • wie z. B. die Erkennung von Unterschieden zwischen Kunststoffen für das Recycling
    • oder zwischen den Mischungsverhältnissen von Arzneimitteln und Korngrößen
    • oder zwischen Nutzpflanzen und Fremdkörpern in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben
    • oder zwischen Körnern, um nach Eiweiß-, Fett- oder Feuchtigkeitsgehalt zu sortieren
    • oder erkennt die Gleichmäßigkeit des Feuchtigkeitsgehalts bei der Verarbeitung von Lebensmitteln, Textilien oder Papier
    • oder „sieht“ das Vorhandensein von Treibhausgasen wie Methan (CH4)
    • oder um natürliche Objekte von Tarnungen oder Verhüllungen zu unterscheiden
    • in all diesen Fällen hat die SWIR-Absorptionsbildgebung Vorteile gegenüber der MWIR-Absorption für die Fernerkennung von chemischen Eigenschaften
  • Sieht durch Siliziumschichten hindurch, um die Ausrichtung von IC-Schaltkreisen oder interne MEMS-Strukturen zu prüfen
  • Erkennt Schaltkreisfehler in ICs durch Ermittlung ihrer schwachen Photoemissionen
  • Sieht Risse in Solarzellen
  • Erkennt Defekte in Solarzellen durch Abbildung des Glühens bei den Wellenlängen der Bandlücke durch Photolumineszenz (lichtstimuliert) oder Elektrolumineszenz (bias-stimuliert)
  • Erkennt die Wärmeabstrahlung heißer Gegenstände von über 75 °C, insbesondere durch Fenster oder Linsen

NIR-SWIR- und Vis-SWIR-Kameras sind nützlich für:

  • Hyper- und multispektrale Bildgebung bei der Kombination von sichtbaren Farbmerkmalen mit molekularchemischer Detektion – verbessert Sortiervorgänge wie z. B.:
    • Recycelte Kunststoffe
    • Entfernung von Fremdkörpern und Verpackungsmaterial aus landwirtschaftlichen Erzeugnissen
    • Bewertung des Gesundheitszustands von Pflanzen durch Überwachung des Chlorophyll-, Stickstoff- und Feuchtigkeitsgehalts
  • Erkennung von Gefechtsmarkierungen, Leuchtkörpern, Entfernungsmessern und Zielmarkierern aller Wellenlängen, ob sichtbar oder verdeckt
  • Breitbandbildgebung, bei der aufgrund der verfügbaren Größe, des Gewichts oder der Leistung (SWaP) nur ein optischer Pfad sinnvoll ist:
    • Beachten Sie, dass bei Anwendungen, bei denen sichtbare Wellenlängen gestreut werden, die Verwendung eines Langpassfilters dazu beiträgt, dass ein Vis-SWIR-Detektor die streuenden Wellenlängen unterdrückt

Wie werden die SWIR-Wellenlängen abgebildet?
Bildgebende Detektoren haben eine Absorptionsschicht, die Lichtphotonen aufnimmt und deren Energie absorbiert. Ein guter Detektor muss in der Lage sein, die Energie in elektrischen Strom statt in Wärme umzuwandeln oder sogar die Photonen zu reflektieren. Bei Materialien, die diese Umwandlung gut meistern, ist die Absorptionsschicht in der Regel ein Halbleiterkristall, dessen Bandlückenenergie geringer ist als die Energie, die von der Wellenlänge des Photons übertragen wird.
Für sichtbare und NIR-Wellenlängen ist das Siliziummolekül (Si) ein gutes Detektionsmaterial. Je nach Detektorstruktur kann Si über 90 % der Photonen in Elektronen umwandeln, eine Größe, die als Quanteneffizienz (QE) bekannt ist. Wenn die Wellenlängen jedoch über 900 nm (0,9 µm) hinausgehen, wird die Effizienz beim Einfangen von Photonen schwächer, und die Photonen beginnen, Si zu durchdringen, sodass die QE sinkt und über 1100 nm hinaus unter 1 % fällt, selbst wenn Tricks zur Erhöhung der Empfindlichkeit eingesetzt werden.

Für den NIR-SWIR-Bereich gibt es verschiedene für die Bildgebung erprobte Materialien. In der kommerziellen Produktion werden diese Moleküle gegenwärtig zur Detektion verwendet: InGaAs, NIR-erweitertes Si, Ge, Si-Ge, PbSe kolloidale Quantenpunkte (CQD), InGaAs/GaAsSb Typ-2-Übergitter, InSb oder HgCdTe. Im Allgemeinen bieten für den Bereich von 1000 bis 1680 nm (1,0 bis 1,68 µm) die als gitterangepasste InGaAs (eigentlich In.53Ga.47As) bekannten Materialien die bestmögliche Lösung für hohe QE, Dynamik und Bildqualität bei geringer Größe, Gewicht und Leistung. Wenn Bildgebungsverfahren 1000 bis 2100 nm (1,0 bis 2,1 µm) abdecken müssen, stehen inzwischen neue Lösungen auf der Grundlage von Typ-II-Übergitterstrukturen zur Verfügung, bei denen sich InGaAs-Schichten mit GaAsSb-Schichten abwechseln und die die beste QE und Bildqualität handelsüblicher Kameras bieten.

Für die Zukunft sind Typ-2-Übergitter mit verspannten Schichten (Strained Layer Superlattices) geplant, bei denen es sich um kompliziertere Kombinationen von InGaAs/GaAsSb handelt, die eine Detektion bis zu 2600 nm ermöglichen werden. Mehrere alternative Produkte versprechen eine Kostenreduzierung im Vergleich zu InGaAs-Designs, bei denen die Fotodiodenschicht für jedes Focal Plane Array (FPA) manuell mit dem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) hybridisiert wird. PIRT nutzt jedoch das Wafer-Scale-Bonding, um die Montagekosten erheblich zu senken, während die so genannten Billiganbieter feststellen mussten, dass für eine zuverlässige und gleichbleibende Bildgebungsleistung immer noch eine kostspielige Dünnschichtverarbeitung erforderlich ist.

Comparison of SWIR imaging detector types
Absorber Full name range QE or D* cooling Cost
InGaAs Indium Gallium Arsenide 0.4 to 1.7µm High +20°C $$$
T2SL InGaAs/GaAsSb Type2 superlattice of Indium Gallium Arsenide layered with gallium arsenide antimony 0.4 to 2.05 µm Moderate -30°C $$$
Ge Germanium 0.8 to 1.8 µm Low at RT +25°C NA
SiGe Silicon-Germanium 0.4 to 1.5 µm High in visible, low in SWIR +20°C NA
IR Extended Si Silicon with surface treatment 0.4 to 1.1 µm High in visible, none in SWIR ambient $
PbSe CQD Lead sulfide colloidal Quantum Dots 0.4 to 2.1 High in visible, low in SWIR +20°C $$
InSb Indium Antimonide Tuned for 1 to 5 µm Low -150°C $$$$$
HgCdTe Mercury Cadmium Telluride Tuned for 1 to 5 µm Low -200°C $$$$$

NA: not available in 2022