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Sep 01, 2023

Sviluppi nella tecnologia dell'imaging UV e IR

Fonte: Edmund Optics Negli ultimi anni, la domanda di sistemi di visione artificiale che catturano informazioni nelle gamme spettrali dell'ultravioletto (UV) e dell'infrarosso (IR) è aumentata man mano che sempre più integratori e

Fonte: Edmund Optics

Negli ultimi anni, la domanda di sistemi di visione artificiale che catturano informazioni nelle gamme spettrali dell'ultravioletto (UV) e dell'infrarosso (IR) è aumentata man mano che sempre più integratori e utenti finali si avventurano in nuovi spazi applicativi. Queste tecniche di imaging sfruttano interazioni uniche tra luce e materia al di fuori dello spettro visibile. L'ambito delle applicazioni e degli spazi industriali per queste tecniche di imaging comprende l'ispezione di confezioni o etichette per l'industria alimentare e delle bevande, l'imaging iperspettrale e l'imaging multispettrale per il monitoraggio ambientale e l'agricoltura, le scienze dei materiali e l'ispezione dei semiconduttori e molto altro ancora. Anche se l’imaging in questi intervalli spettrali è recentemente meno proibitivo in termini di costi e più accessibile, molti degli approcci di progettazione e produzione per i sensori delle fotocamere e gli obiettivi ottici sono gli stessi e gli stessi progressi tecnologici che riducono i costi associati a queste applicazioni più innovative sono ormai in uso. migliorare anche le tecnologie dei sistemi di imaging visibile. Tuttavia, esistono diverse differenze chiave nella tecnologia per l’imaging UV e IR.

I sensori della fotocamera sono una serie di pixel costituiti da un substrato di fotodiodo semiconduttore, cablaggio metallico e una serie di microlenti. Nella Figura 1 sono presenti due principali architetture di sensori, entrambe con un ordine diverso rispetto all'orientamento degli strati costituenti. I sensori retroilluminati (BSI) come mostrato nella Figura 1 A) presentano rapporti segnale-rumore superiori e un'illuminazione più uniforme su tutto il sensore rispetto al sensore retroilluminato (FSI), mostrato nella Figura 1 B), poiché la luce incidente ha meno profondità da penetrare per un sensore BSI rispetto a un sensore FSI.

La produzione di sensori UV e IR è quasi identica a quella dei sensori visibili (VIS), ad eccezione dell'aggiunta di uno strato superiore protettivo in quarzo per sensori UV, che sostituisce il tipico vetro nei sensori visibili grazie alle sue proprietà trasmissive nell'UV. . Tuttavia, il materiale utilizzato per costruire il substrato del fotodiodo può anche differire per i sensori richiesti per intervalli di lunghezze d'onda particolari o più ampi.

Il substrato del fotodiodo è la parte del sensore in cui i segnali fotonici in entrata vengono convertiti in segnali digitali elettronici da scaricare su un'unità di calcolo per la costruzione dell'immagine. Ciascun materiale del substrato del fotodiodo ha una particolare sensibilità alla luce a diverse lunghezze d'onda. Questa sensibilità viene spesso riportata utilizzando una curva di efficienza quantistica ed è una misura dell'efficienza di un sensore nell'effettuare la conversione del segnale da fotone a elettrone in funzione della lunghezza d'onda.

Il materiale utilizzato per la fabbricazione del substrato del fotodiodo sulle telecamere per la visione artificiale per gli spettri VIS e UV è tipicamente silicio poiché l'efficienza quantistica è eccezionale per il VIS e decente nell'UV. Il silicio rimane inoltre relativamente sensibile alle lunghezze d'onda IR più corte o del vicino infrarosso (NIR) (0,75 µm - 1 µm), quindi viene generalmente utilizzato per i sensori VIS-NIR. Tuttavia, il silicio è un materiale scadente da utilizzare per lunghezze d'onda oltre NIR, compresi IR a onde corte (SWIR) tra 1,4 µm e 3 µm, IR a onde medie (MWIR) tra 3 µm e 5 µm e IR a onde lunghe (LWIR) fino a circa 14μm a causa del suo gap di banda a 1,1 um. Per questo motivo, i sensori IR utilizzati per le lunghezze d'onda SWIR sono costruiti con materiali come l'arseniuro di indio e gallio (InGaAs).

I sensori ibridi per l'imaging VIS-SWIR (400 nm – 1700 nm) e NIR-SWIR (700-1700 nm) sono generalmente costruiti da InGaAs. Alcuni produttori utilizzano tecnologie particolari anche per la fabbricazione dei sensori. La maggior parte dei sensori IR contengono uno strato di fosfuro di indio (InP) di vario spessore sopra il substrato InGaAs per il rifiuto di lunghezze d'onda corte indesiderate. Modificando lo spessore dello strato InP, la reiezione della lunghezza d'onda viene attenuata in modo specifico. Lo strato InP su molti sensori Sony è abbastanza sottile da far passare le lunghezze d'onda visibili per l'utilizzo ibrido. Sony utilizza anche una particolare tecnica di produzione per sensori ibridi chiamata ibridazione o legame rame-rame (Cu-Cu) che avviene a livello di pixel per legare substrati di materiali diversi [2].