¿Qué es SWIR?

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¿Qué es la región de longitud de onda SWIR?
El infrarrojo de onda corta (SWIR) tiene varias definiciones, dependiendo del autor. Como la mayoría de las definiciones, el significado de la etiqueta también ha evolucionado con el tiempo. SWIR es una subregión del espectro de longitud de onda electromagnética que los científicos históricamente han llamado infrarrojo y está incluida en la región a la que los espectroscopistas se refieren como infrarrojo cercano (Near Infrared, NIR). A medida que se desarrollaba la tecnología de los detectores, la región NIR quedaba delimitada por el lugar en el que el ojo humano ya no puede ver y en el que los detectores de silicio se vuelven transparentes y pierden sensibilidad, que es ligeramente superior a 1 micra (1µm) de longitud de onda. A los efectos de este sitio web, proporcionado por Princeton Infrared Technologies (PIRT), una compañía de detectores de imágenes SWIR, la región SWIR va de 1000 a 2600 nm (1,0 a 2,6 *m). Esto está limitado en el extremo de la longitud de onda más corta por la región NIR de 750 a 1000 nm (0,75 a 1 *m) y en el lado más largo por la banda de absorción atmosférica dominante de 2600 a 3000 nm (2,6 a 3,0 *m). Este límite del SWIR de mayor longitud de onda se refuerza aún más al final de la ventana de transmisión de las ópticas de vidrio y cuarzo, que se sitúa en torno a los 2,6 *m.

Con el desarrollo de la tecnología de detectores, ahora existen detectores de imágenes Vis-SWIR InGaAs de bajo ruido que cubren el visible hasta la mitad del rango SWIR, de 400 a 1700 nm (0,4 a 1,7 *m), como el PIRT MVCam, 1280SciCam y el LineCam12. En el pasado, para extenderse más allá de los 1700 nm era necesario cambiar el cristal de InGaAs, lo que introducía un exceso de corriente oscura y falta de uniformidad en la imagen que hacía que estos detectores de imágenes fueran poco atractivos para el mercado, lo que hizo que algunos comercializaran tecnologías de baja eficiencia cuántica (quantum-efficiency, QE), como los puntos cuánticos coloidales (colloidal quantum dots, CQD). Esto ahora está cambiando. PIRT acaba de presentar una cámara de megapíxeles que responde de 400 a 2050 nm (0,4 a 2,05 *m) usando una estructura de detector completamente diferente, una que usa la tecnología InGaAs/GaAsSb type-II superlattice (T2SL). Esto produce una calidad de imagen superior, con una respuesta QE de >30 % a 1550 nm y >20 % a 1900 nm (a 1,55 y 1,9 *m) sin artefactos de imagen.

¿Por qué son valiosas las bandas SWIR, NIR-SWIR y Vis-SWIR?
El rango de longitud de onda SWIR es importante porque las firmas químicas debidas a la absorción química se imprimen en la luz reflejada o transmitida. Las imágenes son más fáciles de entender para los operadores porque ver imágenes NIR y SWIR es como ver imágenes de luz visible. También se reduce la dispersión en la banda SWIR, lo que permite obtener imágenes más nítidas mientras se observan objetos lejanos a través de la atmósfera. En casos especiales, la banda SWIR también tiene valor para las imágenes térmicas, como cuando la temperatura del objeto es >100 °C o cuando es necesario verlo a través de una óptica o ventana de vidrio o cuarzo.

Las principales ventajas de la banda SWIR son estas capacidades de imagen:

  • Ve más lejos en aire turbulento que las cámaras visibles o sensibles al NIR,
  • Ve con más claridad a través de oscurecedores que las cámaras de longitud de onda más corta
  • Ve a través de algunas películas opacas:
    • incluyendo ver los dibujos subyacentes en las obras de arte
  • Ve la ubicación de las películas "invisibles"
  • "Ve" las diferencias químicas entre los materiales, a través de la reflectancia o la transmisión, debido a las vibraciones moleculares de los materiales:
    • como ver diferencias entre plásticos para reciclar
    • o entre proporciones de mezclas de medicamentos farmacéuticos y tamaños de grano
    • o entre cultivos y objetos extraños en plantas de procesamiento de alimentos
    • o entre granos para clasificar por niveles de proteína, grasa o humedad
    • o ve la uniformidad de los niveles de humedad al procesar alimentos, textiles o papel
    • o "ve" la presencia de gases de efecto invernadero como el metano (CH4)
    • o para distinguir objetos naturales del camuflaje o disfraces
    • en todo lo anterior, la imagen de absorción SWIR tiene ventajas sobre la absorción MWIR para la detección remota (separada) de propiedades químicas
  • Ve a través de las capas de silicio para inspeccionar la alineación de la capa del circuito de los circuitos integrados o las estructuras internas de MEMS
  • Ve la ubicación de fallas de circuito en circuitos integrados al detectar sus fotoemisiones débiles
  • Ve grietas en las células solares
  • Ve defectos en las células solares a través de imágenes que brillan en longitudes de onda de banda prohibida de fotoluminiscencia (estimulada por luz) o electroluminiscencia (estimulada por polarización)
  • Ve las emisiones térmicas de objetos calientes de más de 75*C, especialmente a través de ventanas o lentes

Las cámaras NIR-SWIR y Vis-SWIR son valiosas para:

  • Las imágenes hiperespectrales y multiespectrales, cuando se combinan las características de color visibles con la detección química molecular, mejoran las operaciones de clasificación, tales como:
    • Plásticos reciclados
    • Limpieza de desechos extraños y materiales de embalaje de materiales agrícolas
    • Evaluación de la salud de los cultivos mediante el control de los niveles de clorofila, nitrógeno y humedad
  • Detección de balizas de campo de batalla, iluminadores, telémetros y designadores de objetivos de todas las longitudes de onda, ya sean visibles o encubiertas
  • Imágenes de banda ancha donde solo una ruta óptica es práctica debido al tamaño, peso o potencia disponible (SWaP):
    • Tenga en cuenta que para aplicaciones en las que se dispersan las longitudes de onda visibles, cambiar a la ruta un filtro de paso largo ayudará a que un detector Vis-SWIR rechace las longitudes de onda dispersas

¿Cómo se obtienen imágenes de las longitudes de onda SWIR?
Los detectores de imágenes tienen una capa de absorción que recibe fotones de luz y absorbe sus energías. Para ser un buen detector, deben poder convertir las energías en una corriente eléctrica, en lugar de calor o incluso reflejar los fotones. En los materiales que realizan bien esta conversión, la capa de absorción suele ser un cristal semiconductor cuya energía de banda prohibida es menor que la energía transportada por la longitud de onda del fotón.

Para longitudes de onda visibles y NIR, la molécula de silicio (Si) es un buen material de detección. Dependiendo de la estructura del detector, el Si puede convertir más del 90 % de los fotones en electrones, una medida conocida como eficiencia cuántica (Quantum Efficiency, QE). Sin embargo, a medida que las longitudes de onda se alargan más allá de los 900 nm (0,9 µm), la eficiencia en la captura de fotones se vuelve más débil y los fotones comienzan a pasar a través del Si, por lo que la QE cae por debajo del 1 % después de los 1100 nm, incluso con trucos de procesamiento utilizados para ampliar la sensibilidad.

Para la gama NIR-SWIR hay varios materiales que se han probado para obtener imágenes. La producción comercial actualmente usa estas moléculas para la detección: InGaAs, NIR extendido Si, Ge, Si-Ge, PbSe puntos cuánticos coloidales (CQD), InGaAs/GaAsSb Tipo 2 Superredes, InSb o HgCdTe. En general, para el rango de 1000 a 1680 nm (1,0 a 1,68 µm), el material conocido como InGaAs emparejado en red (que en realidad es In.53Ga.47As) ofrece la mejor combinación de alta QE, rango dinámico y calidad de imagen con bajo tamaño, peso y potencia. Cuando las aplicaciones de imágenes necesitan cubrir de 1000 a 2100 nm (1,0 a 2,1 µm), ahora están disponibles nuevas soluciones basadas en estructuras de superred de tipo II que tienen capas de InGaAs alternando con GaAsSb que proporcionan la mejor QE y calidad de imagen de las cámaras disponibles en el mercado. En el futuro, se verán superredes de capa tensa de tipo 2, que son combinaciones más complicadas de InGaAs/GaAsSb y permitirán la detección a 2600 nm. Varios productos alternativos afirman reducir el costo en comparación con los diseños de InGaAs que hibridan manualmente la capa de fotodiodo con el circuito integrado de lectura (Read-Out Integrated Circuit, ROIC) para cada matriz de plano focal (Focal Plane Array, FPA). Sin embargo, PIRT usa la unión a escala de obleas para reducir sustancialmente los costos de ensamblaje, mientras que los llamados competidores de bajo costo han descubierto que todavía necesitan un procesamiento de película delgada costoso para lograr un rendimiento de imagen confiable y consistente.

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