Sandia National Laboratoriesin tutkijat ovat kehittäneet pieniä, kultaisia antenneja tehostamaan infrapunakameroita ja -antureita, jotka “näkevät” lämpöä, tuottamaan selkeämpiä kuvia infrapunasäteilystä kaikesta tähtistä ja galakseista ihmisiin, rakennuksiin ja turvallisuussovelluksiin.
Laboratory Directed Research and Development -projektissa tutkijaryhmä kehitti nanoantenneja käyttävän ilmaisimen, mikä voi parantaa infrapunalämpökameran signaalin jopa kolminkertaiseksi. Tämä parantaa kuvanlaatua vähentämällä pimeävirtaa 10-100-kertaisesti, mikä on tärkeä osa kuvan kohinaa.
Infrapunakamerat ja -anturit ovat olleet olemassa 50 vuotta, mutta kameran linssin tai anturin optisen järjestelmän takana istuvan ilmaisimen perinteinen muotoilu näyttää saavuttavan suorituskykynsä rajan, toteaa nanoantenniprojektin johtaja David Peters.
Infrapuna-ilmaisimen herkkyys ja kuvanlaatu riippuvat yleensä paksusta detektorimateriaalikerroksesta, joka absorboi saapuvan lämmön ja muuttaa sen sähköiseksi signaaliksi, joka voidaan kerätä ja muuntaa kuvaksi. Ilmaisinkerroksen paksuus määrää, kuinka paljon lämpöä kamera voi absorboida ja lukea, mutta kerroksen paksuuden myötä myös pimeävirran osuus kasvaa.
Tutkimusryhmän kehittämä uusi ilmaisin purkaa paksuihin kerroksiin luottamisen ja käyttää sen sijaan alle aallonpituuden nanoantennia, kuvioitua kultaisen neliön tai ristin muotoista ryhmää valon keskittämiseen ohuempaan kerrokseen detektorimateriaalia.
Tämä ratkaisu käyttää vain mikronin murto-osan paksuista ilmaisinmateriaalia, kun taas perinteisten lämpöinfrapunailmaisimien paksuus on 5-10 mikronia.
Nanoantennilla parannettu suunnittelu auttaa ilmaisimia näyttämään yli 50 prosenttia kohteen infrapunasäteilystä vähentäen samalla myös pimeävirran aiheuttamaa kuvan vääristymää, kun taas nykyinen tekniikka näkee vain noin 25 prosenttia infrapunasäteilystä. Se mahdollistaa myös uusien ilmaisinkonseptien keksimisen, jotka eivät ole mahdollisia olemassa olevan tekniikan avulla.
- Nanoantenneilla on esimerkiksi mahdollista laajentaa dramaattisesti kuvan hankkiman informaation määrää hallitsemalla spektrivastetta erinomaisesti pikselitasolla, Peters toteaa Sandian tiedotteessa.
Tutkimusryhmä tekee nanoantennilla varustetut ilmaisimet muuttamalla hiukan tavallista infrapunailmaisimen valmistusmenetelmää. Tätä konseptia voidaan soveltaa erityyppisiin ilmaisintyyppeihin, joten nykyisillä valmistajilla on mahdollisuus integroida tämä uusi tekniikka olemassa oleviin ilmaisimiinsa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 1.10.2019
