Briller une lumière différente sur la réalité avec un rayonnement infrarouge à ondes courtes

Aussi formidables que soient les caméras qui fonctionnent dans le spectre de la lumière visuelle, elles omettent une grande partie des informations qui peuvent être glanées à partir d’autres longueurs d’onde. Il y a aussi le problème mineur que la visibilité est souvent affectée, comme lorsqu’il pleut ou qu’il y a du brouillard. Lorsque cela se produit, les applications telles que les voitures autonomes qui en dépendent posent un problème majeur. Grâce à l’utilisation de capteurs sensibles à d’autres longueurs d’onde, nous pouvons cependant éviter bon nombre de ces problèmes.

Le rayonnement infrarouge à ondes courtes (SWIR) correspond à peu près à la partie du spectre électromagnétique comprise entre 1,4 μm et 3 μm, ou 100 THz et 214 THz. Cela le place entre la lumière visible et les micro-ondes, et au-dessus de l’IR à ondes longues à 20 THz – 37 THz. Le LWIR est ce que les caméras thermiques utilisent, le LWIR étant également émis par des objets chauds, tels que le corps humain.

Le SWIR n’est en grande partie pas affecté par l’eau dans l’atmosphère, tout en traversant également des matériaux opaques à la lumière visible. Cela permet à SWIR d’être utilisé pour l’analyse et l’inspection de tout, des PCB et des fruits aux œuvres d’art pour capturer des détails qui seraient autrement invisibles ou très difficiles à voir.

Malheureusement, tout comme les capteurs de caméra thermique, les capteurs SWIR sont plutôt chers. Ou ils l’étaient, jusqu’à tout récemment, avec l’émergence de capteurs à base de points quantiques qui diminuent considérablement les coûts de ces capteurs.

Capturer les ondes courtes

Les capteurs qui nous permettent de capter le rayonnement infrarouge sont généralement constitués d’un réseau rectangulaire de pixels, appelé réseau plan focal (FPA), également appelé réseau fixe. Ceci est similaire aux FPA utilisés avec d’autres longueurs d’onde, telles que les capteurs CMOS (APS) et CCD utilisés avec la lumière visible. Ces FPA sont généralement en silicium, car les capteurs à base de silicium sont sensibles dans le visible et une partie du spectre proche infrarouge.

Pour les longueurs d’onde au-delà du proche infrarouge, des matériaux et procédés plus exotiques sont généralement nécessaires. Le matériau d’un capteur SWIR doit non seulement être sensible à cette longueur d’onde, mais également avoir une mobilité électronique suffisante pour qu’une charge puisse être transférée rapidement et suffisamment efficacement pour être utilisée dans un capteur. C’est là que, pour le moment, l’arséniure de gallium-indium (GaInAs) est le plus populaire. (Également appelé InGaAs de manière interchangeable dans la littérature scientifique.)

GaInAs a été signalé pour la première fois comme ayant été cultivé avec succès sur un substrat InP par Duchemin et al. (1981) en 1980 en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur organométallique, qui est encore aujourd’hui la principale méthode de création de structures de capteurs GaInAs. Après la phase de dépôt en phase vapeur, ces matrices GaInAs sont méticuleusement liées à une interface à base de silicium, ce qui en fait un processus relativement lent, laborieux et donc coûteux.

Module de capteur HAWAII basé sur HgCdTe avec une résolution de 2kx2k pixels, installé dans le télescope spatial James Web.
Module de capteur HAWAII à base de HgCdTe avec une résolution de 2k x 2k pixels, installé dans le télescope spatial James Webb (JWST).

Ce qui ne veut pas dire qu’il est impossible d’augmenter encore plus le prix. Lorsque les capteurs NIR du télescope spatial James Webb ont été développés, il a été découvert que Les capteurs GaInAs étaient trop bruyants et avec un courant d’obscurité élevé. Cela a conduit à l’utilisation de HgCdTe (tellurure de mercure et de cadmium) à la place, chaque capteur étant développé et assemblé de la même manière qu’un capteur GaInAs, juste avec un prix astronomique d’environ un quart de million de dollars américains chacun.

Cela met en évidence une faiblesse des capteurs à base de GaInAs : afin de réduire le bruit dans le signal du rayonnement thermique, ils sont généralement refroidis à l’aide d’un refroidisseur cryogénique ou d’une solution similaire. Cela augmente considérablement le coût et la complexité de fonctionnement de ces capteurs.

Le principal avantage de cela est qu’il démontre qu’il existe plusieurs matériaux que l’on peut sélectionner et régler sur une partie spécifique du spectre électromagnétique. Celui qui fonctionne dépend ici de ses besoins, ainsi que du budget. Aussi étonnant que les capteurs SWIR puissent être utilisés avec, par exemple, des lignes de production industrielles pour l’AQ et des voitures autonomes ou assistées pour contourner les limitations visuelles par temps moins qu’idéal, les capteurs basés sur GaInAs à des milliers de dollars pièce sont beaucoup trop chers à utiliser dans de telles applications.

Les bons compromis

Il semblerait assez évident que pour les capteurs SWIR génériques et abordables, nous n’avons pas besoin de répondre aux exigences exactes de sensibilité et de vitesse d’un capteur basé sur GaInAs, tant que les compromis en termes de vitesse de capture et de sensibilité correspondent aux gains budgétaires. . C’est pourquoi les points quantiques colloïdaux (CQD) à base de sulfure de plomb (PbS) ont reçu une attention particulière, car ils promettent une photosensibilité acceptable dans le spectre SWIR grâce à la capacité des QD à être réglés assez précisément sur le spectre cible.

Un problème majeur avec les CQD PbS est leur stabilisation à long terme (passivation), avec Kwon et al. (2020) reportage en Nano-convergence sur l’ajout de sulfure de cadmium (CdS) pour stabiliser les QD PbS pour une utilisation comme capteurs SWIR. Les CQD résultants ont fonctionné avec succès pendant plus de 182 heures. Le principal avantage des CQD comme ceux-ci par rapport aux capteurs basés sur GaInAs est qu’ils sont nettement plus faciles et plus rapides à synthétiser, tout en simplifiant également l’intégration dans un capteur fonctionnel.

Au lieu d’une étape de dépôt en phase vapeur, les QD sont produits de la même manière que les QD utilisés dans certaines technologies d’affichage, les QD étant synthétisés à l’aide de solutions et d’équipements trouvés dans n’importe quel laboratoire de chimie bien équipé – comme également décrit en détail par Kwon et al . – après quoi la solution résultante peut être appliquée sous forme de couche mince sur le substrat cible.

Résumé du capteur de points quantiques colloïdaux sensibles au SWIR stabilisé par HLB.  (Vafaie et al., 2020)
Résumé du capteur de points quantiques colloïdaux sensibles au SWIR stabilisé par HLB. (Vafaie et al., 2020)

Récemment également, Vafaie et al. (2020, PDF) de l’Université de Toronto ont décrit les CQD PbS utilisant une passivation au brome de haut niveau, créant des QD SWIR qui ont non seulement une efficacité quantique externe (EQE) de 80 % à 1 550 nm (comparable à GaInAs), mais aussi une 10 ns temps de réponse. Ils ont rapporté 12 heures de fonctionnement stable et continu à l’air ambiant.

Attention à l’écart de production

Avant qu’une nouvelle technologie étonnante puisse s’échapper du laboratoire et se retrouver dans les usines, un processus de production qui se prête bien à la production de masse doit être développé. Comme indiqué, c’est là qu’une technologie comme GaInAs n’a jamais dépassé la production à petite échelle, mais les capteurs SWIR basés sur PbS CQD semblent faire beaucoup mieux.

À ce stade, SWIR Vision Systems, Emberion, ST Microelectronics, ainsi qu’Imec ont présenté des produits utilisant ces capteurs, ou des prototypes de capteurs SWIR basés sur des CQD PbS. En janvier 2022, il a été annoncé qu’Hitachi Astemo, en tant que fournisseur automobile, évaluerait les capteurs Raven SWIR d’Israel TriEye. Étant les premiers jours, il est clair que pendant au moins un certain temps, ces capteurs SWIR resteront hors de portée de l’amateur moyen et du petit fabricant.

Selon Imec, ils s’attendent à ce que leurs capteurs SWIR soient « un jour » fabriqués pour aussi peu que 10 € à 100 €. Comparé aux solutions existantes basées sur GaInAs, cela représenterait une valeur incroyable et le mettrait même à la portée des amateurs une fois lancé sur le marché général. Cela peut amener à se demander à quoi servent les capteurs SWIR bon marché.

Inspecter, analyser, naviguer

SWIR est extrêmement utile pour apporter des détails que la partie visuelle du spectre ne peut pas fournir, comme la teneur en minéraux dans les formations géologiques, qui sont des informations essentielles pour le projet Earth Observatory de la NASA obtenues à l’aide de ses satellites. Pourtant, la même chose pourrait être faite par exemple par des géologues, que ce soit au sol ou via un avion ou un drone pour aider les levés.

La comparaison des différences entre 3 bandes infrarouges à ondes courtes met en évidence la géologie minérale entourant la faille chinoise de Piqiang.  (Image de la NASA par Robert Simmon avec des données ASTER.)
La comparaison des différences entre 3 bandes infrarouges à ondes courtes met en évidence la géologie minérale entourant la faille chinoise de Piqiang. (Image de la NASA par Robert Simmon avec des données ASTER.)

Sous l’éclairage SWIR, il est également facile de voir, par exemple, les ecchymoses sur les fruits, les croquis cachés sous la peinture sur une toile et la quantité de liquide ou de poudre laissée dans des récipients autrement opaques. De même, il est possible de voir à travers une grande partie des PCB et du silicium, ce qui est utile pour les inspections (automatisées) à ajouter aux flux de travail d’inspection existants.

Parce que SWIR n’est pas vu par l’œil humain et pourtant réfléchi comme la lumière visible, il peut être utilisé pour la navigation. Contrairement aux caméras à lumière visible, ou même aux caméras IR classiques sur les drones, les caméras SWIR ne sont pas affectées par le brouillard et la pluie les plus lourds. C’est également une propriété extrêmement utile pour les caméras de sécurité et de la faune.

Avec combien de décennies l’imagerie SWIR a été essentiellement hors de portée de la personne moyenne, il faudra peut-être un certain temps pour que les avantages offerts deviennent pleinement évidents. Même ainsi, si l’on considère l’utilisation régulière que les caméras thermiques trouvent aujourd’hui par les amateurs et les professionnels, il n’est pas difficile d’imaginer que les caméras SWIR trouvent encore plus d’utilisations, comme alternative aux caméras de vision nocturne (‘IR’) et comme analyse inestimable outil, qu’il s’agisse de trier des fruits ou d’analyser des échantillons de minéraux.

Espérons que d’ici peu, nous verrons les capteurs SWIR basés sur CQD devenir généralement disponibles. Le fait que la génération actuelle soit utilisée sur les marchés automobiles et similaires contribuera probablement considérablement à réduire les coûts de fabrication. Jusque-là, c’est encore un jeu d’attente, alors même que nous devrions voir ces nouveaux capteurs apparaître dans de plus en plus d’appareils autour de nous.

[Heading image: As apples travel down the conveyor belt, they are scanned using InGaAs and CMOS cameras. The InGaAs camera will show defects beginning to form under the skin that a human eye cannot see; the CMOS camera will show visible defects. (Credit: Hamamatsu)]