Cómo el Arseniuro de Indio Galio (InGaAs) Mejora la Detección en Infrarrojo de Onda Corta (SWIR)

La detección en el rango infrarrojo de onda corta (longitudes de onda de 0,9 a 1,7 micras) se ha vuelto práctica gracias al desarrollo de sensores de Arseniuro de Indio Galio (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., parte de Collins Aerospace, se especializa en fabricar arrays lineales unidimensionales InGaAs, cámaras de array de plano focal bidimensional y sistemas SWIR. Pero, ¿por qué usar SWIR?

Luz SWIR: Reflectiva y con Contraste

Primero, un hecho básico: la luz en la banda SWIR no es visible al ojo humano. El espectro visible se extiende desde longitudes de onda de 0,4 micras (azul, casi ultravioleta para el ojo) a 0,7 micras (rojo profundo). Longitudes de onda más largas solo pueden ser vistas por sensores dedicados, como InGaAs. Aunque la luz en la región infrarroja de onda corta no es visible al ojo, esta luz interactúa con objetos de manera similar a las longitudes de onda visibles. Es decir, la luz SWIR es luz reflectiva; rebota en objetos muy parecido a la luz visible.

Como resultado de su naturaleza reflectiva, la luz SWIR tiene sombras y contraste en su imaginería. Imágenes de una cámara InGaAs son comparables a imágenes visibles en blanco y negro en resolución y detalle. Esto hace que los objetos sean fácilmente reconocibles y produce una de las ventajas tácticas del SWIR, a saber, identificación de objetos o individuos. Esto hace a InGaAs interesante, pero ¿qué lo hace útil?

Ventajas Clave de InGaAs

Alta Sensibilidad y Visión Nocturna Superior

Los sensores InGaAs pueden hacerse extremadamente sensibles, literalmente contando fotones individuales. Cuando se construyen como array de plano focal — con miles o millones de diminutos sensores puntuales, o píxeles de sensor — las cámaras SWIR funcionarán en condiciones de mucha oscuridad. Las gafas de visión nocturna existen desde hace décadas y operan detectando y amplificando luz estelar visible reflejada, u otra luz ambiental, en tubos de intensificación de imagen (I-Cuadrado). Esta tecnología ha funcionado bien para gafas de visión nocturna de visión directa. Pero cuando una imagen necesita enviarse a una ubicación remota (un centro de inteligencia, por ejemplo), no hay método práctico que no introduzca limitaciones de fiabilidad y sensibilidad (ej. I2CCD). Como todos los sensores SWIR de SUI convierten luz a señales eléctricas, son inherentemente adecuados para almacenamiento o transmisión.

Usar SWIR de noche tiene otra gran ventaja. Un fenómeno atmosférico llamado radiancia del cielo nocturno emite cinco a siete veces más iluminación que la luz estelar, casi toda en longitudes de onda SWIR. Con una cámara SWIR y esta radiancia nocturna — a menudo llamada brillo nocturno — podemos "ver" objetos con gran claridad en noches sin luna y compartir estas imágenes a través de redes como ninguna otra tecnología de imagen puede hacer.

Sin Enfriamiento Criogénico Requerido

¿Pero no hay otras cámaras que operan en el rango infrarrojo de onda corta? Sí. Sensores construidos con materiales como telururo de mercurio cadmio (Hg-CdTe) o antimoniuro de indio (InSb) pueden ser muy sensibles en la banda SWIR. Sin embargo, para aumentar su relación señal-ruido a niveles usables, estas cámaras deben enfriarse criogénicamente. En marcado contraste, sensibilidad similar puede lograrse a temperatura ambiente con una cámara equipada con InGaAs.

Esencialmente, las cámaras InGaAs pueden ser pequeñas y usar muy poca energía, pero dar grandes resultados. Las cámaras InGaAs de Sensors Unlimited ofrecen resolución VGA en un diminuto paquete de 1,25" × 1,25" × 1,10" y solo 1,5W de consumo en estado estable. También ofrecen resolución HD (1 Megapíxel) en un paquete de 2" × 2" × 2,43" con ≤ 3,0W de consumo en estado estable.

Imagen a Través de Vidrio

Finalmente, un gran beneficio de la imagen SWIR que no tiene par en otras tecnologías es la capacidad de imaginar a través de vidrio. Estas cámaras pueden usar lentes de cámara visibles convencionales y rentables para todas menos las aplicaciones más exigentes. Ópticas especiales caras o carcasas endurecidas ambientalmente son en su mayoría innecesarias, haciéndolas disponibles para una amplia variedad de aplicaciones e industrias. Esto también permite montar la cámara SWIR detrás de una ventana de vidrio protectora, proporcionando flexibilidad extra al posicionar el sistema de cámara en un entorno peligroso.

Resumen: ¿Por Qué SWIR?

• Alta sensibilidad
• Alta resolución
• Brillo nocturno (radiancia del cielo nocturno)
• Imagen día-noche
• Iluminación encubierta
• Ver láseres y balizas encubiertos
• Sin enfriamiento criogénico requerido
• Lentes de espectro visible convencionales, bajo coste
• Tamaño pequeño
• Bajo consumo

Qué es InGaAs

InGaAs, o arseniuro de indio galio, es una aleación de arseniuro de galio y arseniuro de indio. En un sentido más general, pertenece al sistema cuaternario InGaAsP que consiste en aleaciones de arseniuro de indio (InAs), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) y fosfuro de galio (GaP). Como galio e indio pertenecen al Grupo III de la Tabla Periódica, y arsénico y fósforo pertenecen al Grupo V, estos materiales binarios y sus aleaciones son todos semiconductores compuestos III-V.

InGaAs de Longitud de Onda Extendida

El InGaAs estándar tiene un corte de longitud de onda larga de 1,7 μm. Muchas aplicaciones requieren detección de luz con longitudes de onda más largas. Un ejemplo importante es la capacidad de medir contenido de humedad en productos agrícolas midiendo absorción de agua a 1,9 μm. Otro ejemplo es detección y rango por luz (LiDAR), usado en aviones para detectar turbulencia de aire claro. Los sistemas LiDAR a menudo usan láseres que emiten luz con longitud de onda de 2,05 μm. InxGa1-xAs con un corte más largo se llama "InGaAs de longitud de onda extendida".

SUI ha puesto mucho trabajo en aprender a cultivar InGaAs de longitud de onda extendida de alta calidad, y esto se refleja en ofertas de productos. Los resultados de nuestros esfuerzos se resumen en la Figura 2, que muestra la eficiencia cuántica del InGaAs estándar en rojo junto con las eficiencias cuánticas de dos aleaciones de longitud de onda extendida, X=0,74 (azul) y X=0,82 (verde). La respuesta espectral de una variante de corte corto a 1,45 μm también se muestra. Como nos gusta decir, "InxGa1-xAs empieza donde el silicio deja off."