IRnova – nya sensorer, nya upptäckter

Jörgen Städje
3 år sedan

Värmekameror och andra infraröda system är viktiga för olika övervakningsuppgifter, såsom nattseende, övervakning, gasdetektering, brandbekämpning och undersökning av olika objekts värmesignaturer. Det svenska företaget IRnova använder sig av halvledarlaboratoriet Myfab vid KTH för att framställa avancerade sensorer till all världens stora tillverkare av värmekameror.

Klart som på dagen, fast på natten

I vissa fall räcker inte en vanlig termobild till för att upptäcka och identifiera ett objekt. Man behöver mera information.

Det infraröda ljusets polarisation visar sig vara en egenskap som kan ge mycket extra information. Utöver det som en vanlig termobild ger, kan en kamera som är känslig för ljusets polarisation ge information om objektets ytor, utöver deras temperatur och emissivitet. När man sedan slår ihop termobilden med information om polarisationen i en och samma bild kan man få ökad kontrast och en möjlighet att upptäcka flera intressanta detaljer.

I begynnelsen var Acreo, ett forskningsinstitut som sysslade med elektronik, optik och tillhörande kommunikationsmetoder (som idag är en del av RISE, Research Institutes of Sweden). IRnova var ursprungligen en del av Acreo och har tillverkat detektorer i Myfab-labbet Electrumlab vid KTH i Kista sedan 1986. IRnova separerades från Acreo 2007.

IRnova började med volymproduktion av kvantbaserade QWIP-sensorer (quantum well infrared photodetector) år 1999 och har sedan dess sålt dem som OEM-komponenter till tillverkare av strategiska produkter, värmekameror, gaskameror och liknande. Det är den höga kvaliteten hos processutrustningen på Myfab som givit företaget sitt världsrykte. Produktionen hos Myfab sköts av IRnovas egen personal.

Dessutom har IRnova blivit ledande tillverkare i Europa av ett nytt detektormaterial kallat T2SL (eller SLS). Materialet har kommit i ropet för värmekameror av SWaP-typ (low Size Weight and Power). Resultatet har blivit en serie högpresterande tillbehör för infraröd avbildning till små, batteridrivna apparater.

Polariserat infrarött

Polariserad IR kan användas till att upptäcka ovanliga ytor i naturen, alltså saker som människan skapat, avsiktligt eller oavsiktligt. Naturen är slumpmässig, skrynklig, vågig och brusig, medan människan ofta skapar plana ytor eller gör om vågiga ytor till släta dito. Släta ytor har förmågan att ändra slumpmässigt polariserat ljus till linjärt polariserat. Det är till stor hjälp när man ska detektera objekten som visas nedan.

Att se igenom kamouflage

All världens arméer har för länge sedan insett att de måste kamouflera sina fordon så att de inte kan upptäckas med värmekamera. Kamouflaget måste fungera såväl i synligt ljus som i våglängderna 3–7 µm.

Men det är omöjligt att dölja det faktum att stridsvagnar är platta och raka, medan löv och gräs är slumpmässigt orienterade. Därför kommer löv och gräs att reflektera slumpmässigt polariserad IR, medan stridsvagnar och liknande ytor kommer att återkasta linjärt polariserad IR. De gör att de kan upptäckas med IRnovas nya sensorer.

Att gjuta olja på vågorna

En vanlig värmekamera kan inte upptäcka oljefilm på havsytan, eftersom oljans temperatur skiljer sig väldigt lite eller inte alls från vattnets. Men man kan upptäcka skillnader i våghöjd, eller en slätare vattenyta. Det gamla ordspråket att ”gjuta olja på vågorna” för att lugna ett upprört hav, visar sig vara helt sant. Olja är tjockare och segare än vatten och kommer därför att minska våghöjden och på sätt skapa en ökande reflektion av horisontellt polariserad IR, så som bildsekvensen ovan visar.

Drönare mot skogsklädd bakgrund

Det är svårt att upptäcka en drönare mot en skogsklädd bakgrund, eller mot himlen. Eller, åtminstone i synligt ljus. Men eftersom drönarens vingar nödvändigtvis måste vara släta, kommer de att polarisera IR vilket gör dem lätta att upptäcka mot den slumpmässigt polariserade skogen i bakgrunden.

Landminor

Minröjning är livsfarligt. Det finns ett antal sätt att detektera landminor, och så finns det IRnovas sätt. När man gräver ned en mina, stör man markens struktur och finare partiklar, som normalt finns längre ned i jorden, hamnar på ytan. De är tillräckligt små för att kunna polarisera infrarött ljus och kan därför detekteras med en polarisationskänslig detektor.

Men minröjarna får skynda sig på, eftersom effekten försvinner när det regnat, då regnet kommer att sprida ut de fina partiklarna.

Ansiktsigenkänning i mörker

Det vore trevligt att kunna göra ansiktsigenkänning i totalt mörker, och enbart använda osynligt infrarött ljus. Tyvärr brukar vanliga termobilder smeta ut detaljerna i ansiktet, vilket gör att bilden blir obrukbar om den ska stoppas in i en algoritm för ansiktsigenkänning.

Men tar man med ljusets polariseringsriktning kan man se lutningen på ansiktets olika ytor. Då kan man skilja på ytor, hår etc och skapa en bild som faktiskt går att använda för ansiktsigenkänning. Denna metod är mycket fördelaktig vid polisiärt och militärt underrättelsearbete. Dessutom har det polariserade ljuset ett antal nya egenskaper som kan förbättra igenkänningsfaktorn även i dagsljus.

Den kamera som skapat bilderna ovan utvecklades av IRnova i samarbete med FOI (Totalförsvarets forskningsinstitut). Huvudproblemet var att komma på hur man skulle representera all tillgänglig information kring polariseringen i en enda bild. Man provade flera metoder, som till exempel att visa graden av linjär polarisering (DoLP) och polarisationsvinkeln (AoP). Till slut kom man fram till en blandning av DoLP och AoP.

Bildserien ovan visar den helt oanvändbara termobilden till vänster och den slutliga, sammansatta DoLP+AoP-bilden till höger.

OGI, Optical Gas Imaging

Människor kan inte se gaser. Det är ett problem inom industrin där utläckande gaser kan utgöra livsfara, kvävningsrisk eller när det gäller gasdistribution i pipelines, inkomstbortfall och i värsta fall en risk att en rörledning exploderar.

Olika typer av gaser absorberar energi inom olika våglängdsband. Man kan därför göra en gaskänslig kamera som kan ”se” olika typer av gaser. De viktigaste gaserna är svavelhexafluorid (SF6, som absorberar kring 10,5 µm) som används som isolator i högspänningsanläggningar, metan (som absorberar kring 3,3–3,5 µm) som är den vanliga hushållsgasen, samt koldioxid (4,2–4,4 µm).

Bilden ovan visar butan som strömmar ur en cigarettändare. Butan absorberar energi i bandet 2,8-3 µm. Bilden är gjord med en OGI-kamera med smalbandig sensor. Strålning från bakgrunden som skulle ha fallit på sensorn absorberas istället av gasen som fungerar som ett gråfilter och tecknar därmed ett grått streck på bilden.

Halvledartillverkning

Det finns många sorters infraröda sensorer på marknaden. De kan vara uppbygga av kisel (sk okylda bolometriska), kvicksilvertellurid (MCT) eller indiumantimonid (InSb), men allihop har problem vid längre våglängder.

Då kom QWIP som konkurrerande teknik. QWIP-sensorer baseras på kvantfenomen och byggs upp av galliumarsenid. Detekteringen av olika polarisationsriktningar uppstår när infallade fotoner reflekteras från rastret på kretsens yta. Enbart de fotoner som har rätt polarisation kommer att reflekteras ned i kvantbrunnen och skapa en bildström.

GaAs-kretsen innehåller bara kvantbrunnarna. Efter att det mycket tunna GaAs-substratet tillverkats, sågas det i enskilda chipar som sedan bondas fast på kiselchipar, som i sin tur innehåller all utläsningselektronik.

Andra tillverkare bygger sina polarisationskänsliga detektorer genom att sätta ett roterande polarisationsfilter framför en vanlig värmekamera. Den metoden är långsam och kan inte användas för höga bildfrekvenser, till att avbilda rörliga objekt eller till film. Då är det mycket effektivare att ha en matris med pixlar som känner polarisationsriktningarna 0, 90, 45 och -45 grader direkt. På så sätt klarar IRnovas sensorer en bildfrekvens på 60 fps och kan användas till rörlig film.

Den spektrala känsligheten bestäms av tjockleken på chipens nanometertjocka lager av GaAs och AlGaAs, samt delningen mellan linjerna i rastret.

IRnova tillverkar tre typer av halvledarstrukturer: QWIP LWIR (känslig kring 8 µm) avsedd för allmänt bruk, såsom militär underrättelse, QWIP LWIR 10.55 (känslig kring 10,55 µm) för detektering av svavelhexafluorid, och T2SL MWIR (3.3–5.1 µm).

T2SL

Type II Super Lattice (T2SL eller SLS) är den senaste, nyutvecklade typen av sensor, med bättre prestanda än alla de tidigare. Dessutom saknar den deras nackdelar, såsom problem med dålig likformighet i matrisens struktur, att de inte kan göras tillräckligt små och att de drar för mycket batterikraft.

T2SL är baserad på kvantmekanik, precis som QWIP, men substratet görs istället av galliumantimonid (GaSb). Resultatet har blivit ännu bättre kvantverkningsgrad, mindre brus, högre bildfrekvenser mm.

T2SL-detektorerna fungerar vid upp till 150 kelvins temperatur med samma prestanda som tidigare sensorer som krävde lägre temperaturer. Avsikten med att kyla sensorerna är att man vill öka skillnaden mellan bildströmmen och mörkerströmmen, vilket i sin tur minskar bruset i bilden.

IRnova kyler sensorerna med hjälp av en stirlingmotor. Denna kyler ned sensorn till dess arbetstemperatur på omkring sex minuter. Naturligtvis kan kylaggregatet göras mindre om sensorn kan arbeta vid högre temperatur. Den allra senaste sensormodellen kallad ”Oden MW” utförd i T2SL är mindre, lättare och drar mindre ström än någon annan MWIR-sensor på marknaden.

IRnovas detektorer används av många av världens värmekameratillverkare.

Det är Myfab som gör’et

Maskiner för halvledartillverkning är extremt dyra. Därför använder sig IRnova av Myfabs högpresterande infrastruktur i renrummen i Stockholm, Uppsala, Lund och Göteborg vid tillverkningen.

Det är tillgången till högkvalitativ utrustning, det faktum att utrustningen delas med andra och att det alltid finns kunnig servicepersonal tillgänglig som gör att IRnovas investering lönar sig.