רקע
תצפיות בתחום אינפרא אדום עברו התקדמות טכנולוגית משמעותית בעשורים האחרונים בכל תחומי אורך הגל, החל באורכי גל ארוכים ובינוניים LWIR ו- MWIR (התחומים התרמיים – פסיביים שאינם דורשים הארה) ועבור באורכי גל קצרים SWIR (התחום הרפלקטיבי–אקטיבי המחייב תאורה). לכל אחד מהתחומים יתרונות וחסרונות. בעשור האחרון פותחו ונכנסו לשימוש מערכות רבות בתחום ה- SWIR הודות לעובדה שהתמונה המתקבלת בהן דומה מאוד לתמונה באור נראה, העבירות האטמוספירית טובה, הגלאי שלהן בדרך כלל לא נדרש לקירור והפוטנציאל שלהן לעלות נמוכה. למרות זאת, המערכות בתחום ה- SWIR עדיין נדרשות לגלאי יקר המבוסס על אינדיום-גליום-ארסניד המצומד למעבד אות של סיליקון. ברמת המערכת, אמנם אין בו מקרר קריאוגני, אך יש בו את כל המרכיבים הקיימים במערכות MWIR ו- LWIR . כלומר אלקטרוניקה, עיבוד אותות, תיקון אי אחידות ובמקרים מסויימים גם קירור עדין או ייצוב טמפרטורה בעזרת מקרר תרמואלקטרי. מוטיבציה גבוהה קיימת עדיין להביא את עלויות וממדי מערכות ה- SWIR לאילו הקיימות בתחום האור הנראה, מבחינת נפח, משקל, צריכת אנרגיה ומחיר. בעבודה שתתואר להלן ניסינו לפתח גלאים ומערכת כוללת בגישה שונה לחלוטין, שמטרתה להביא להתקן מיניאטורי המספק וידאו הרגיש לתחום ה- SWIR ואשר יכול להשתלב עם מצלמת אור נראה ולהפוך אותה למצלמת ,SWIR
להשתלב עם משקפי מציאות רבודה – AR או אף לצפייה ישירה. העיקרון של השיטה הוא המרה ישירה (Up-Conversion) מאורך גל ארוך יחסית (SWIR) לאורך גל קצר (אור נראה) ברמת ההתקן עצמו. נציג כאן שני ערוצי פיתוח שנקטנו בהם מרמת הפיזיקה הבסיסית ועד רמת המערכת ואת התוצאות שהתקבלו.
ערוץ פיתוח 1: שימוש בגלאי ננועמודות בשילוב שכבת OLED
במקרה זה פיתוח הגלאי לתחום ה- SWIR היה מבוסס על גידול שכבת ננו-עמודות של אבץ-סלניום (ZnSe) בשיטת CBD – Chemical Bath Deposition (נעשה בקבוצתו של פרופ' יובל גולן
מהמחלקה להנדסת חומרים) שעיקרה טבילת מצע GaAs באמבט של תמיסה, שבתנאים מסויימים של ריכוז וטמפרטורה גדלים עליו עמודות בקטרים הנעים בין 5 ל 20- ננומטר כתלות טמפרטורה וגובהם כ 600- ננומטר, שהיא למעשה עובי השכבה. ציור 1 מתאר את פני השטח של השכבה וכן את החתך בו נראים הננו-עמודות וכן ניתן לראות את דיפרקציית קרני X שמתארת את
הכיווניות (111) של העמודות בניצב למישור המצע (100). המעבר להתקן במקרה זה הוא במוד פוטומוליך בו אנו מניחים על גבי שכבת הננו-עמודות שכבה נוספת של OLED שעליה קתודה שקופה (מחומר שקוף אך מוליך, אשר לו פונקציית עבודה נמוכה), המצע התחתון משמש גם כאנודה. אנו מפעילים את ההתקן על ידי סגירת מעגל בחיבורו לסוללה של 6 וולט, שמספקת את הפרש
האנרגיה בין פוטון בתחום ה- SWIR שנבלע בשכבת הננו-עמודות לבין הפוטון בתחום הנראה שייפלט משכבת ה- OLED . התהליך הוא שפוטון מתמונת ה- SWIR הנבלע בננו – עמודות יוצר זוג אלקטרון-חור. בהשפעת המתח החיצוני, החור נסחף לכיוון ה- OLED והוא זה שלמעשה שומר על האינפורמציה התמונתית. האלקטרון נסחף לכיוון האנודה, מאבד את הקורלציה התמונתית שלו, מועלה באנרגיה על ידי הסוללה החיצונית ומוזרק דרך הקתודה השקופה שעל שכבת ה- OLED ועושה רקומבינציה עם החור שהוזרק ישירות משכבת הננו-עמודות. ברקומבינציה זו נפלט פוטון באור נראה משכבת ה- OLED שמנותב לפני השטח ויוצא דרך הקתודה השקופה. התמונה באור נראה שנוצרת היא בקורלציה מרחבית מושלמת לתמונת ה- SWIR שנבלעה בשכבת הננו-עמודות, כל עוד השכבה הבולעת דקה ואין דיפוזיה לטרלית. בכך יצרנו המרה ישירה של תמונת ה- SWIR הנבלעת לתמונת האור הנראה, הנפלטת בתהליך הנקרא up-conversion . כל המבנה שעל גבי המצע הוא בעובי של כ- 1μm וניתן לצפייה ישירה כתמונה באור נראה בעזרת עדשת קולימציה או לחילופין יכול להיות מצומד למצלמת אור נראה או לסנסור אור נראה, שיציג את התמונה
המתקבלת, ככל מצלמה פשוטה באור נראה.
איור a :1 . דיפרקציית קרני X של שכבת הננו-עמודות. b. מבט על של השטח העליון של הקצה דמוי המשולש של הננו-עמודות. c. חתך של הננו-עמודות בו ניתן להעריך שעובי השכבה (גובה הננו-עמודות הוא כ 600- ננומטר) קרדיט: https://DOI:10.1021/acs.cgd.7b01771
איור a :2 . ספקטרום הפוטולומיניסנציה של שכבות הננו-עמודות בקטרים השונים שנקבעו לפי טמפרטורת הגידול מתמיסה. b-f . צילום של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק של פני השטח של שכבת הננו-עמודות שגודלו בטמפרטורות שונות ולכן להן קטרים שונים, g. מיפוי הזרם המתקבל בפני השטח של הננו-עמודות. קרדיט: https://DOI:10.1021/acs.cgd.7b01771
ערוץ פיתוח 2: שימוש במטריצת דיודות של InGaAs
בשילוב שכבת LCD במקרה זה הפיתוח התבסס על מטריצת פוטודיודות שמומשו על גבי מצע InGaAs כאשר התהליך היה רק עד יצירת צמתי הפוטודיודות, ללא מטליזציה וללא צימוד למעבד אות, ולכן התקן פשוט, זול ועם תנובה גבוהה. על גבי משטח הפוטודיודות הונחה שכבת גביש נוזלי (תהליך שבוצע במעבדתו של פרופ' אברהים עבדולחלים מהמחלקה להנדסת אלקטרואופטיקה). במקרה זה בניגוד לערוץ פיתוח 1 בו הגלאי הוא פוטומוליך והמעגל היה בזרם סגור, הרי שבמקרה זה מדובר במעגל פתוח של יצירת מתח ושדה חשמלי. במקרה זה פוטוני ה- SWIR הנבלעים בכל אחת מהפוטודויודות יוצרים הפרדת מטענים ונדידת מטען לפני השטח, היוצר שדה חשמלי מקומי על פני השטח, אך אין זרם מעבר למשטח העליון של הפוטודיודות. השדה המקומי שנוצר כתוצאה מסחיפת המטען לפני השטח בכל פוטודיודה, משרה שדה חשמלי מקומי על הגביש הנוזלי המצומד אליו ומסובב את מולקולות הגביש הנוזלי באותו אזור. סיבוב המולקולות יוצר מחסום אור מתכוונן, המעביר או חוסם לאור נראה אחורי המוקרן ממקור חיצוני, לפי המתואר בסכמה בציור 3.
איור 3: המבנה האופטי המיניאטורי הכולל שתי עדשות כניסת אור SWIR (אדום) ויציאת אור נראה (ירוק) תוך שימוש במפצל אור דיכרואי, כאשר התקן ההמרה המסומן בכחול מוצמד לעדשת הכניסה. אורך כל ההתקן 2.4 ס"מ. קרדיט: https://doi:org/10.1364/OL.494.00126
עוצמת השדה המקומי המושרה פרופורציונלית לעוצמת אור ה- SWIR הנבלע בכל אחת מהפוטודיודות במערך, יוצרת תמונת אור נראה, המותאמת במיקום ובעוצמה לתמונת אור ה- SWIR שנקלטה על ידי מטריצת דיודות ה InGaAs . תהליך יצירת התמונה במקרה זה דורשת השקעת אנרגיה חשמלית, בתאורה האחורית של האור הנראה בלבד. הדיודות עצמן אינן זקוקות למתח חיצוני מאחר שהן עובדות במוד פוטוולטאי. מעניין היה לגלות בתהליך הפיתוח כי מבנה זה מתפקד גם כמגבר אור, ככל שהאור האחורי הוא בעוצמה גבוהה יותר, מקבלים תמונת אור נראה חזקה יותר, ניתן להעלות את הרגישות של המערכת עד גבול הרעש. נמצא, כי ההתקן כה רגיש, עד כדי כך שהוא יכול לחוש קרינת SWIR ברמה הקיימת בטבע והידועה בשם .Night Glow בציור 4 ניתן לראות תמונות של מטרת רזולוציה, המוארות ברמות הארה שונות בתחום ה- SWIR כאשר בגרף ניתן לראות את עוצמות אור ה- SWIR הקיימות בטבע. תמונה זו היא ההוכחה כי ההתקן שיצרנו הוא בעל רגישות כה גבוהה עד כדי כך שיוכל לזהות מטרות בתאורה טבעית של ה- .Nighy Glow ניתן לראות כי ההתקן רגיש יותר מתאורת הרקע ב- SWIR מה שיבטיח את האפשרות שיהיה ניתן לעשות בו שימוש גם ללא תאורה מלאכותית.
איור 4: מטרות רזולוציה המוארות באור SWIR בעוצמות שונות, בהשוואה לגרפי התאורה של ירח מלא, .Night Glow קרדיט: https://doi:org/10.1364/OL.494.00126
שילוב ההתקן במשקפי AR
המוטיבציה לשילוב ההתקן במשקפי AR ברורה. היא מאפשרת ראיית תמונת SWIR על עדשת המשקפיים, בד בבד עם ראיית העולם דרכם, ובנוסף, האפשרות להקרנה של נתונים וסימבולים ברגיסטרציה מלאה עם תמונת ה- .SWIR לצורך האינטגרציה תכננו מערך אופטי הכולל טלסקופ מיניאטורי לתחום ה- SWIR ובהמשכו מבנה קולימציה לתחום הנראה, כשביניהם שכבת ההמרה. מבנה זה צומד למצלמת אור נראה, המובנית בכל משקפי AR (במקרה זה עשינו שימוש במשקפי AR חד עיני של חברת לומוס הישראלית). ציור 5 מתאר את המבנה וצימודו למשקפי ה- .AR
בציור 6 ניתן לראות את התוצאה הסופית במעבדה, תמונת שלושת הפסים מוקרנת על גבי עדשת המשקפיים לאחר המרתם מאור SWIR לאור נראה.
איור 5: מבנה משקפי ה- AR שלמצלמה שלהם צומד המבנה האופטי המכיל טלסקופ מיניאטורי , SWIR השכבה הממירה וקולימטור לאור נראה, המטיל את התמונה המומרת למצלמת משקפי ה- AR אשר מקרינים אותה על גבי עדשת המשקפיים. קרדיט: חברת לומוס, ישראל
איור 6: מטרת שלושת הפסים מוארת באור SWIR מומרת על ידי ההתקן לאור נראה ומוקרנת על עדשת משקפי ה- AR קרדיט: תזת תואר מגיסטר של אריה גרוסמן בהנחיית פרופ' גבי סרוסי
