IR-sensorer får skarpare ”värmesyn”

Genom design av optiska metastrukturer som kan tillverkas direkt på pixlarna i en infraröd bildsensor lägger forskare och industri grunden för nästa generations värmekameror. Användningsområdena omfattar alltifrån avancerad övervakning och drönardetektion till kartläggning av gasläckage.

Hur gör man infraröda (IR) kameror känsligare och smartare utan att sensorerna samtidigt blir större? Det är en av huvudfrågorna bakom det SSF-finansierade projektet Megapixel-supergitterdetektorer med optiska metaytor. Inom projektet samarbetar företaget IRnova – som har utvecklat och tillverkat IR-sensorer i renrummet i Electrum, Kista sedan slutet på 80-talet – med forskare på Högskolan i Halmstad och Lunds universitet.
Verksamheten bedrivs som ett industridoktorandprojekt, där doktoranden Linnéa Bendrot kombinerar forskning med produktutveckling på IRnova.
– Det har varit väldigt intressant att ha ett produktperspektiv med en vision om var allt ska landa i slutänden, säger hon.

Mönster på varje pixel
Forsknings- och utvecklingsarbetet handlar om avancerade IR-sensorer som kan registrera värmestrålning långt utanför det mänskliga ögats synfält. Sådana kameror används redan inom exempelvis försvar, rymdforskning, miljöövervakning och industriell gasdetektion.
Projektets fokus har varit att utveckla nya typer av så kallade optiska metastrukturer – mikroskopiska mönster ovanpå varje pixel – som påverkar hur ljuset fångas upp inne i sensorn.
– Idén har varit att arbeta med metastrukturer för att styra ljuset och på så sätt förstärka eller manipulera växelverkan mellan ljuset och detektormaterialet, säger Marie Delmas, senior forskare på IRnova.
Genom användning av metastrukturer kan sensorerna både bli känsligare och ge mer information om scenen som avbildas. IRnova arbetar bland annat med polarimetriska sensorer, som inte bara mäter temperatur utan även ljusets polarisation.
Det gör det möjligt att upptäcka objekt som annars kan vara svåra att urskilja.
– Genom att använda polarimetrisk information förstärks signalen från släta ytor, och därigenom förbättras möjligheten att till exempel upptäcka drönare, bilar och kamouflerade objekt i komplexa miljöer, säger Linnéa Bendrot.

Snabb tillämpning i industrin
En central del av projektet har varit att bygga avancerade simuleringsmodeller som gör det möjligt att virtuellt testa nya sensorlösningar innan de tillverkas.
För IRnova innebär det avsevärt snabbare utveckling och mindre materialåtgång vid framtagning av nya sensorer. Samtidigt har projektet redan gett konkreta resultat.
– Vi kommer i år ta fram en kameraprototyp baserad på de ytstrukturer som Linnéa designat, med målet att den senare utvecklas till en produkt hos oss på IRnova, berättar Linda Höglund, forskningschef på IRnova.
En viktig framgångsfaktor har varit just samarbetet mellan akademi och industri. Forskningen har bedrivits nära verkliga produkter och tillverkningsprocesser, vilket gör att simuleringsresultaten snabbt har kunnat omsättas i praktiken.
– Vi planerar för fler doktorandprojekt i framtiden eftersom det hjälper oss som företag att förbättra våra produkter och bidrar till att vi kan ligga i teknisk framkant, säger Marie Delmas.

Framtidens sensorsystem
Förhoppningen är att tekniken på sikt ska ge ännu kraftfullare och intelligenta IR-kameror för både civila och militära användningsområden.
Nästa steg kan bli sensorer där detektorn på pixelnivå fungerar som en spektrometer för så kallad hyperspektral avbildning.
– Det här projektet gav oss en liten glimt av vad som skulle kunna tas fram. Med hyperspektrala bildsensorchips skulle vi kunna designa sensorer där varje pixel detekterar specifika våglängder, säger Håkan Pettersson, professor i fysik.
Utöver sin professorstjänst vid Högskolan i Halmstad är Håkan Pettersson även affilierad professor vid Lunds universitet. Genom medveten kunskapsuppbyggnad och långvariga samarbeten med bland annat Lunds universitet och näringslivet har Högskolan i Halmstad utvecklats till ett starkt svenskt kunskapscentrum inom optoelektronik och avancerade sensorer.