Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben kleine, gouden antennes om camera's en sensoren die warmte "zien" te helpen, duidelijkere beelden te leveren van thermische infraroodstraling voor alles, van sterren en sterrenstelsels tot mensen, gebouwen en voorwerpen die beveiliging vereisen.

In een laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject, een team van onderzoekers heeft een detector met nanoantenne ontwikkeld die het signaal van een thermische infraroodcamera tot drie keer kan versterken en de beeldkwaliteit kan verbeteren door donkerstroom te verminderen, een belangrijk onderdeel van beeldruis, met 10 tot 100 keer.

Thermische infraroodcamera's en sensoren bestaan ​​al 50 jaar, maar het traditionele ontwerp van de detector die achter de cameralens of het optische systeem van een sensor zit, lijkt zijn prestatielimieten te bereiken, zei David Peters, een Sandia-manager en projectleider nanoantenne.

Hij zei verbeterde gevoeligheid in infrarood detectoren, verder dan wat het typische ontwerp kan bieden, belangrijk is voor zowel Sandia's nationale veiligheidswerk als voor ander gebruik, zoals astronomisch onderzoek.

Meer zien met minder

De gevoeligheid en beeldkwaliteit van een infrarooddetector hangt meestal af van een dikke laag detectormateriaal die binnenkomende warmte absorbeert en deze omzet in een elektrisch signaal dat kan worden opgevangen en omgezet in een beeld. De dikte van de detectorlaag bepaalt hoeveel warmte de camera kan opnemen en uitlezen, maar dikke lagen hebben ook nadelen.

"Het detectormateriaal creëert altijd spontaan elektronen die worden verzameld en ruis toevoegen aan het beeld, wat de beeldkwaliteit vermindert, Peters zei. "Dit fenomeen, donkere stroom genoemd, neemt toe met de dikte van het detectormateriaal - hoe dikker het materiaal, hoe meer ruis er in het beeld ontstaat."

Het onderzoeksteam ontwikkelde een nieuw detectorontwerp dat het vertrouwen op dikke lagen doorbreekt en in plaats daarvan een subgolflengte nanoantenne gebruikt, een patroonreeks van gouden vierkante of kruisvormen, om het licht te concentreren op een dunnere laag detectormateriaal. Dit ontwerp gebruikt slechts een fractie van een micron detectormateriaal, terwijl traditionele thermische infrarooddetectoren een dikte hebben van 5 tot 10 micron. Een mensenhaar is ongeveer 75 micron breed.

Het met nanoantenne verbeterde ontwerp helpt detectoren meer dan 50% van de infraroodstraling van een object te zien, terwijl ook de beeldvervorming door donkerstroom wordt verminderd, terwijl de huidige technologie slechts ongeveer 25% van de infraroodstraling kan zien. Het maakt ook de uitvinding van nieuwe detectorconcepten mogelijk die met de bestaande technologie niet mogelijk zijn.

"Bijvoorbeeld, met nanoantennes, het is mogelijk om de hoeveelheid informatie die in een afbeelding wordt verkregen drastisch uit te breiden door de spectrale respons op pixelniveau voortreffelijk te regelen, ' zei Pieters.

Het team maakt de nanoantenne-enabled detectoren door het gebruikelijke proces voor het maken van een infrarooddetector enigszins aan te passen. Het begint met het "groeien" van het detectormateriaal op een dunne schijf die een wafer wordt genoemd. Vervolgens wordt het detectormateriaal omgedraaid op een laag elektronica die de signalen leest die worden verzameld door de nanoantenne en de detectorlaag. Na het weggooien van de wafel, een kleine hoeveelheid goud wordt aangebracht om de nanoantennelaag met patroon bovenop het detectormateriaal te creëren.

Van nationaal laboratorium tot industrie

"Het was geen gegeven dat dit zou werken, dus daarom nam Sandia het aan, ' zei Peters. 'Nu, we zijn op het punt dat we dit concept hebben bewezen en deze technologie is klaar om gecommercialiseerd te worden. Dit concept kan worden toegepast op verschillende soorten detectoren, dus er is een kans voor bestaande fabrikanten om deze nieuwe technologie te integreren met hun bestaande detectoren."

Peters zei dat Sandia aanwijzingen zoekt om een ​​samenwerkingsovereenkomst voor onderzoek en ontwikkeling tot stand te brengen om de technologie naar de industrie over te dragen.

"Dit project is een perfect voorbeeld van hoe een nationaal laboratorium een ​​concept kan bewijzen en het vervolgens kan afsplitsen naar de industrie waar het verder kan worden ontwikkeld, ' zei Pieters.