Qu’est-ce que le SWIR?

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Qu’est-ce que la bande de longueur d’onde SWIR?
L’infrarouge à ondes courtes (SWIR) a diverses définitions, en fonction de l’auteur. Comme la plupart des définitions, le sens a également évolué dans le temps. SWIR est une sous-région du spectre de longueur d’onde électromagnétique que les scientifiques ont appelé historiquement l’infrarouge et qui est incluse dans la région que les spectroscopistes appelaient Infrarouge proche (NIR). Lorsque la technologie des détecteurs s’est développé, la région NIR a été délimitée par la zone à partir de laquelle l’œil humain ne peut plus voir et où les détecteurs en silicium deviennent transparents et perdent en sensibilité, soit une longueur d’onde légèrement supérieure à 1 micron (1 µm). Pour ce site Web, qui est fourni par Princeton Infrared Technologies (PIRT), une entreprise spécialisée dans les détecteurs d’imagerie SWIR, la région SWIR varie entre 1 000 et 2 600 nm (1,0 à 2,6 µm). Celle-ci est délimitée sur l’extrémité de longueur d’onde la plus courte par la région NIR entre 750 et 1 000 nm (0,75 à 1 µm) et sur le côté le plus long par la bande d’absorbance atmosphérique dominante de 2 600 à 3 000 nm (2,6 à 3,0 µm). Cette limite SWIR avec une longueur d’onde plus grande est davantage renforcée par l’extrémité de la fenêtre de transmission des optiques en verre et quartz, qui est d’environ 2,6 µm.

Comme la technologie des détecteurs a évolué, il existe maintenant des détecteurs d’imagerie Vis-SWIR InGaAs à faible bruit qui couvrent la partie visible à centrale de la plage SWIR, 400 à 1 700 nm (0,4 à 1,7 µm), par ex. PIRT MVCam, 1280SciCam et LineCam12. Auparavant, aller au-delà de 1 700 nm nécessitait de changer le cristal InGaAs, ceci introduisait un courant d’obscurité excessif et des non-uniformités d’images qui rendaient de tels détecteurs d’imagerie non attrayants sur le marché, et certains commercialisaient alors des technologiques à faible efficacité quantique (QE) comme les boîtes quantiques colloïdales (CQD). Les choses ont évolué. PIRT vient d’introduire une caméra mégapixel avec des réponses entre 400 et 2 050 nm (0,4 à 2,05 µm) utilisant une structure de détecteur complètement différente, avec technologie super-réseau (T2SL) de type II InGaAs/GaAsSb. Cela donne une qualité d’image supérieure avec réponse en QE > 30 % à 1 550 nm et > 20 % à 1 900 nm (à 1,55 et 1,9 µm) sans artéfacts d’imagerie.

Pourquoi les bandes SWIR, NIR-SWIR et Vis-SWIR sont-elles importantes?
La plage de longueur d’onde SWIR est importante car les signatures chimiques, en raison de l’absorption chimique, sont imprimées sur la lumière réfléchie ou transmise. Les images sont plus faciles à comprendre pour les opérateurs car visualiser des images NIR et SWIR c’est comme visualiser des images dans le visible. Il y a également une diffusion réduite dans la bande SWIR, ce qui donne des images plus nettes tout en regardant dans l’atmosphère des objets éloignés. Pour les cas particuliers, la bande SWIR est également intéressante pour l’imagerie thermique, par ex. lorsque les températures des objets sont > 100 °C, ou lorsqu’il faut regarder à travers des optiques ou vitres en verre ou quartz.

Les principaux avantages de la bande SWIR sont ces capacités d’imagerie :

  • Voit plus loin dans l’air turbulent que les caméras sensibles visible ou NIR,
  • Voit avec plus de clarté à travers les éléments obscurcissants que les caméras à longueur d’onde plus courte
  • Voit à travers certains films opaques :
    • Permet également de voir les dessins sous-jacents dans les œuvres d’art
  • Voit l’emplacement des films « invisibles »
  • « Voit » les différences chimiques entre les matériaux, via la réflexion ou la transmission, en raison des vibrations moléculaires des matériaux :
    • par ex. voir les différences entre les plastiques pour le recyclage
    • ou entre les proportions de mélange des médicaments pharmaceutiques et granulométries
    • ou entre les récoltes et les objets étrangers dans les installations de transformation des aliments
    • ou entre les grains à trier, par protéine, graisse ou niveaux d’humidité
    • ou voit l’uniformité des niveaux d’humidité lors de la transformation des aliments, des textiles ou du papier
    • ou « voit » la présence des gaz à effet de serre comme le méthane (CH4)
    • ou pour distinguer les objets naturels du camouflage ou des éléments de dissimulation
    • dans tout ce qui précède, l’imagerie d’absorption SWIR a des avantages par rapport à l’absorption MWIR pour la détection à distance (impasse) des propriétés chimiques
  • Voit à travers les couches de silicium pour inspecter l’alignement des couches de circuit IC ou les structures internes MEMS
  • Voit l’emplacement des défauts de circuit dans les IC en détectant leurs photoémissions faibles
  • Voit les fissures dans les cellules solaires
  • Voit les défauts dans les cellules solaires via la lumière vive de l’imagerie aux longueurs d’onde de bande interdite de la photoluminescence (lumière stimulée) ou de l’électroluminescence (biais stimulé)
  • Voit les émissions thermiques des objets chauds à plus de 75 °C, notamment à travers les vitres ou objectifs

Les caméras NIR-SWIR et Vis-SWIR sont intéressantes pour ce qui suit :

  • L’imagerie hyper- et multi-spectrale lors de la combinaison de caractéristiques de couleurs visibles avec la détection chimique moléculaire améliore les opérations de tri, par ex. :
    • Plastiques recyclés
    • Débris étrangers de soins et matériaux d’emballages des matériaux agricoles
    • Évaluation de la santé de la récolte par la surveillance les niveaux de chlorophylle, d’azote et d’humidité
  • Détection des balises de champ de bataille, illuminateurs, télémètres et systèmes de désignation d’objectif, qu’ils soient visibles ou dissimulés
  • Imagerie à large bande lorsqu’un seul chemin optique est pratique en raison de la taille, du poids ou de la puissance disponible (SWaP) :
    • Notez que pour les applications où les longueurs d’onde du visible sont diffusées, commuter dans le chemin d’un filtre passe-bande long aidera le détecteur Vis-SWIR à rejeter les longueurs d’onde de diffusion

Comment les images des longueurs d’onde SWIR sont-elles réalisées?
Les détecteurs d’imagerie ont une couche d’absorbance qui reçoit les photons lumineux et absorbe leur énergie. Pour être de bons détecteurs, ils doivent pouvoir convertir les énergies en courant électrique plutôt qu’en chaleur voire de repousser les photons. Dans les matériaux qui effectuent cette conversion, la couche d’absorbance est généralement un cristal semi-conducteur dont l’énergie de bande interdite est inférieure à l’énergie transportée par la longueur d’onde du photon.
Pour les longueurs d’onde du visible et NIR, la molécule de silicium (Si) est un bon matériau de détection. Selon la structure du détecteur, Si peut convertir plus de 90 % des photons en électrons, c’est ce qu’on appelle l’efficacité quantique (QE). Mais, comme les longueurs d’onde s’allongent après 900 nm (0,9 µm), l’efficacité de la capture des photons diminue et les photons commencent à traverser Si, faisant ainsi chuter le QE, et ce dernier diminue au-dessous de 1 % après 1 100 nm, même avec les astuces de traitement utilisées pour étendre la sensibilité.

Pour la plage NIR-SWIR, divers matériaux ont été testés pour l’imagerie. La production commerciale utilise actuellement ces modules pour la détection : InGaAs, Si à infrarouge proche, Ge, Si-Ge, boîtes quantiques colloïdales PbSe (CQD), super-réseaux type 2 InGaAs/GaAsSb, InSb ou HgCdTe. En général, dans la plage 1 000 à 1 680 nm (1,0 à 1,68 µm), le matériau connu sous le nom de InGaAs à paramètres de mailles identiques (ou In.53Ga.47As) offre la meilleure combinaison de QE élevée, plaque dynamique et qualité d’image avec une taille, un poids et une puissance inférieurs. Lorsque les applications d’imagerie doivent couvrir 1 000 à 2 100 nm (1,0 à 2,1 µm), de nouvelles solutions basées sur les structures à super-réseaux de type II qui ont des couches d’InGaAs alternant avec GaAsSb, sont maintenant disponibles et fournissent la meilleure QE et qualité d’image des caméras disponibles dans le commerce.

A l’avenir, on verra les super-réseaux à couche sous contrainte de type 2 qui sont des combinaisons plus compliquées de InGaAs/GaAsSb et qui permettent une détection jusqu’à 2 600 nm. Plusieurs produits alternatifs affirment réduire le coût par rapport aux modèles InGaAs qui hybrident manuellement la couche de photodiodes sur le circuit intégré de lecture (ROIC) pour chaque matrice à plan focal (FPA). Mais, PIRT utilise la liaison à l’échelle de la tranche pour réduire considérablement les coûts d’assemblage, tandis que les concurrents soi-disant à faible coût ont découvert qu’ils avaient encore besoin du traitement à film mince coûteux pour atteindre des performances d’imagerie fiables et consistantes.

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