SWIR QHY 990 & SWIR QHY991

QHY 990 und QHY 991

Kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) wird in der Regel definiert als Licht mit einer Wellenlänge zwischen 900- und 1700nm, gelegentlich auch als das Spektrum zwischen 700- und 2500 nm. Da Siliziumsensoren eine obere Erkennungsgrenze von etwa 1000 nm haben, sind für die SWIR Bildgebung spezifische optische und elektronische Komponenten erforderlich, die den SWIR Spektralbereich verarbeiten können. Für die SWIR Bildgebung werden vor allem Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) Sensoren eingesetzt, die das typische SWIR Spektrum abdecken, aber auch Wellenlängen von 550 nm bis 2500 nm erkennen. Zeilensensoren auf InGaAs-Basis sind zwar frei erhältlich, entsprechende Flächensensoren sind aber in der Regel ITAR-kontrolliert (ITAR = International Traffic in Arms Regulations, internationale Rüstungskontrolle).

Die Quanteneffizienz der QHY SWIR Kameras über die Wellenlänge

Sowohl die QHY990 als auch die QHY991 verfügen über einen integrierten 25 mm Filterhalter, eine in Laboranwendungen übliche Filtergröße. Der SWIR Filter lässt sich leicht in der Kamera installieren und mit diesem Adapter behält die Kamera ein Standard C-Mount Auflagemaß von 17,5 Millimeter.

Sowohl die QHY990 als auch die QHY991 sind wahlweise mit Luftkühlung oder mit Flüssigkeitskühlung lieferbar. Bei Luftkühlung erreicht die Kamera ein Delta T von 35°C unter der Umgebungstemperatur. Bei Raumtemperatur Flüssigkeitskühlung wird ein Delta T von 45 °C unter der Umgebungstemperatur erreicht und mit vorgekühlter Flüssigkeit kann ein Delta T von 60 °C bis 80 °C unter der Umgebungstemperatur erreicht werden. InGaAs Sensoren haben in der Regel einen höheren Dunkelstrom als siliziumbasierte Materialien. QHY empfiehlt daher, die Version mit Flüssigkeitskühlung für Anwendungen zu wählen, die Belichtungszeiten von mehr als ein paar Sekunden (z. B. > 5 Sekunden) oder mehr erfordern.

Der Dunkelstrom über die Kühlleistung beider Kameramodelle

SWIR CMOS Kameras – Tech Talk

• Details zu den InGaAs Sensoren von Sony

Die neuen QHY SWIR Kameras nutzen die originale SenSWIR-Technologie von Sony, bei der die Fotodioden auf einer Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)-Verbindungshalbleiterschicht ausgebildet werden und über eine so genannte Cu-Cu-Verbindung mit der Siliziumschicht (Si) verbunden werden, die die Ausleseelektronik bildet. Eine Technologie, die eine hohe Empfindlichkeit über einen weiten Wellenlängenbereich ermöglicht. Dieser Durchbruch führt zu einem SWIR Bildsensor der kompakt ist und dennoch eine nahtlose Bilderfassung in einem breiten Wellenlängenbereich ermöglicht, der vom sichtbaren bis zum unsichtbaren kurzwelligen Infrarotbereich (Wellenlänge: 0,4μm bis 1,7μm) reicht. Der Einsatz dieser Sensoren ermöglicht die Erfassung von Wellenlängen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind (etwa ab 800 nm), was eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten ermöglicht.

Die Produktion herkömmliche SWIR Bildsensoren ist problematisch, denn es sind viele technische Probleme zu lösen, so unter anderem bei der weiteren Miniaturisierung von Pixeln, der Erhöhung der Pixelanzahl, sowie vor verschiedenen anderen Problemen, wie z. B. der geringen Quanteneffektivität im sichtbaren Spektralbereich und der üblichen analogen Bildausgabe.

Die neuen Sensoren von Sony nutzen eine so genannte Stacking-Technologie mit Cu-Cu-Verbindung statt der sonst üblichen „bump connection“, die Sony seit Jahren weiter entwickelt hat. Die Cu-Cu Technologie bietet eine hohe Bildqualität, eine kompaktere Sensorgröße dank Miniaturisierung sowie eine hohe Empfindlichkeit in einem breiten Spektrum von Wellenlängen, das sowohl das sichtbare als auch das unsichtbare Spektrum abdeckt. Die Cu-Cu Technologie unterstützt auch die digitale Bildausgabe, die heute in industriellen Anwendungen gefordert sind.

•  Besonderheiten des Sony Sensordesigns

Bei der Verbindung der InGaAs-Schicht, die die lichtempfangenden Fotodioden bildet und der Si-Schicht, die die Ausleseelektronik enthält, muss mit herkömmlichen „Höckertechnologie (bump connection)“ ein bestimmter Abstand zwischen den Verbindungen eingehalten werden, was es schwierig macht, mit den derzeitigen industriellen CMOS Sensoren eine kleinere Pixelgröße zu erreichen. Dies machte eine weitere Miniaturisierung zu einer ernsthaften Herausforderung. Die neuen Produkte von Sony weisen jedoch einen kleineren Pixelabstand auf, der durch die Cu-Cu-Verbindung ermöglicht wird, wodurch die branchenweit kleinste Pixelgröße von 5 μm erreicht wird. Dies wiederum ermöglicht eine Verringerung der Kameragröße unter Beibehaltung der SXGA- (IMX990) bzw. VGA-Auflösung (IMX991. Durch den Einsatz der Cu-Cu-Verbindungstechnologie hat der Sensor ein sehr geringes FPN Rauschen und eine sehr geringe Anzahl von Pixeldefekten. Fixed Pattern Noise (FPN) ist ein spezielles Rauschmuster von Bildsensoren, das bei längeren Belichtungszeiten sichtbar wird. Dieses räumlich bedingte Grundrauschen wird durch das unterschiedliche Ansprechverhalten der einzelnen Pixel auf dieselbe Beleuchtungsstärke hervorgerufen.

links: Kontaktverbindung mit Höckertechnologie, rechts: Cu-Cu-Verbindung

Bilderfassung sowohl im sichtbaren als auch unsichtbaren infraroten Spektralbereich

Die SWIR Bildsensortechnologie von Sony wird eingesetzt, um die obere InP-Schicht, die sichtbares Licht absorbiert, dünner zu machen (siehe auch Abbildung Cu-Cu-Verbindung oben), so dass das Licht auf die darunter liegende InGaAs-Schicht übertragen werden kann, was eine hohe Quanteneffizienz auch im sichtbaren Spektralbereich ermöglicht. Erst diese Technik ermöglicht die Bildaufnahme in einem breiten Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1700 nm, was die Verwendung einer einzigen Kamera anstelle von herkömmlichen mehreren Kameras ermöglicht, die für die Erfassung von sichtbarem Licht und nahem infrarot erforderlich waren.

SWIR Anwendungen in Industrie und Astronomie

Die SWIR-Bildgebung wird für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur industriellen Prüfung von Leiterplatten, Solarzellen und Lebensmitteln und auch z.B. für die Aufdeckung von Fälschungen alter Gemälde. Weitere eindrucksvolle Bildbeispiele finden Sie zum Beispiel auf dieser Webseite (https://www.edmundoptics.de/knowledge-center/application-notes/imaging/what-is-swir/)

Informationen über die Oberfläche und das Innere eines Apfels werden gleichzeitig erhalten. Links: sichtbares Licht; Rechts: kurzwelliges Infrarot

Materialsortierung anhand von Unterschieden in den Absorptionsraten von kurzwelligem Infrarotlicht (Salz, Zucker und Kartoffelmehl Links: sichtbares Licht; Rechts: kurzwelliges Infrarot

Infrarotfotografie in der Amateurastronomie

Im spektralen Infrarotbereich liegt unter anderm das Methanband bei einer Wellenlänge von 880 Nanometer. Aufgrund der hohen Quanteneffizienz des Sensors lassen sich zusammen mit dem Methanfilter 1¼" (889nm, 8nm) (#2458295 , € 239) nun auch spektakuläre Bilder der äußeren Gasplaneten mit moderaten Teleskopöffnungen aufnehmen.

Der Kernbereich des Orionnebels im nahen Infrarot (gefiltert mit Schott RG 780 ab knapp 800 nm)

Ein weiterer Bereich der Infrarot-Fotografie betrifft das DeepSky Lucky Imaging von sehr jungen, helleren offenen Sternhaufen mit kurzen Belichtungszeiten. Die jungen Sterne "verstecken" sich oft noch in den sie umgebenden H-II Wasserstoffnebeln, denn das Licht der H-II Emission überstrahlt diese Sterne oft, da sie hauptsächlich im nahen Infrarotlicht leuchten. Das IR-Kantenfilter blockt das Licht der H-alpha Emission bei 656,28 Nanometer und lässt die jungen Sterne deutlicher hervortreten.

Ein Beispiel am nördlichen Sternhimmel ist der offene Sternhaufen im Zentrum des Orionnebels, dessen Sterne im nahen IR Bereich auch für Amateurastronomen sichtbar werden.

Ein weiteres Beispiel für die Möglichkeiten der QHY 990/991 zeigt das Bild von Messier 17, dem Omeganebel. In dem Beispiel wurde ein monochromes Bild, aufgenommen im Kontinuum, mit einer Aufnahme im NIR Bereich (800 - 1000nm) kombiniert. Das Kontinuum Bild wurde grün und das NIR Bild wurde rot kodiert.

Alle roten Bilddetails strahlen hauptsächlich im infraroten Spektralbereich jenseits von 780 Nanometer. Grüne Bilddetails strahlen hauptsächlich im Kontinuum. Das Beispiel zeigt deutlich, in welchen Regionen von M17 aktive Sternenstehung stattfindet.

Hinweis zu den NIR Beispielbilder "Zentrum vom Orionnebel" und "M17 - der Omeganebel":

Das Bild vom Orionnebel und der NIR Anteil von M17 wurden vor langer Zeit mit einer SBIG ST-8 CCD Kamera aufgenommen. Der damals eingesetzte Sensor war im NIR bis etwa 1100nm empfindlich, allerdings nur mit einer QE um die 10%. Sie geben nur Beispiele und Anregungen, was mit der QHY 462C im NIR Bereich "machbar" ist.

Auch lässt sich im nahen IR Spektralbereich in die Randbereiche von Dunkelwolken "hineinschauen" und junge Sterne werden erkennbar, die im sichtbaren Spektralbereich unsichtbar bleiben. Objekte für solche Experimente wären zum Beispiel am nördlichen Sternenhimmel die Dunkelwolken im Sternbild Adler. Am südlichen Sternenhimmel gibt es sowohl für Sternhaufen als auch für Dunkelwolken dutzende von interessanten Objekten. Die Sensorgröße von 1296 x 1032 Pixel ist bei mittleren Brennweiten ausreichend groß, solche Objekte zu fotografieren.

Die technischen Daten der beiden QHY SWIR Kameras im Vergleich

* Messwerte nach Bias-Frame FPN-Kalibrierung

Weitere Leistungsmerkmale der QHY SWIR Kameras

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