Infrarotbilder ohne Infrarotkamera
Für den langwelligen Teil des Nahinfraroten Spektrums (NIR) oberhalb der Siliziumgrenze von etwa 1.100 nm kommen meist spezialisierte Kameras auf Basis von Indiumgalliumarsenid (InGaAs) zum Einsatz. Sie sind deutlich teurer als Siliziumkameras und benötigen mehr elektrische Leistung. Ein internationales Forschungsteam hat nun einen Upconverter entwickelt, der NIR-Bilder ohne externe Stromversorgung direkt in grünes Licht umwandelt. Sein aktiver Schichtstapel misst weniger als 1 µm. Der Film arbeitet bereits bei 9 µW/cm² und damit bei einer um mehr als den Faktor 4.000 geringeren Intensität als bisherige selbstbetriebene Upconverter mit vergleichbarer Effizienz.
Dr. Bernhard Siegmund, Senior Postdoctoral Fellow
Siliziumkameras sind preiswert, kompakt und in Smartphones sowie in Anwendungen des Internets der Dinge, kurz IoT, weit verbreitet. Zum langwelligen NIR hin nimmt ihre Empfindlichkeit jedoch stark ab und endet bei etwa 1.100 nm. Für längere Wellenlängen kommen häufig InGaAs-Kameras zum Einsatz, meist bis etwa 1.700 nm, teils auch darüber hinaus.
Neben den hohen Anschaffungskosten ist der Energiebedarf für mobile und autonome Anwendungen relevant. InGaAs-Kameras benötigen je nach Kühlung typischerweise einige Watt bis über 10 W. Kompakte Silizium-Kameramodule für IoT-Anwendungen arbeiten dagegen häufig im Bereich von wenigen hundert mW oder darunter. Für weit verteilte oder batteriebetriebene Sensorik ist dieser Unterschied wesentlich.
Der neue Upconverter eröffnet einen Weg zu kostengünstigeren und energieärmeren NIR-Systemen. Die aktuelle Generation arbeitet im kurzwelligen NIR. Mit neuen Absorbermaterialien wollen die Forschenden die Empfindlichkeit zukünftig über die Siliziumgrenze hinaus erweitern. Statt das NIR-Bild mit einem spezialisierten Detektorarray auszulesen, wird es zunächst in sichtbares Licht übersetzt und anschließend mit einer konventionellen Siliziumkamera aufgenommen. Das Forschungsteam schätzt, dass sich ein zukünftiges Gesamtsystem aus Upconverter, Optik und Siliziumkamera mit dreistelligen Kosten realisieren ließe. Industrielle InGaAs-Kameras liegen hingegen häufig im oberen vierstelligen bis fünfstelligen Bereich.
Fünf Photodetektoren treiben eine OLED an
Das monolithische Bauteil kombiniert fünf organische NIR-Photodetektoren mit einer grün emittierenden organischen Leuchtdiode (OLED). OLEDs sind heute vor allem aus Smartphone-Displays und modernen Fernsehbildschirmen bekannt. Die fünf Photodetektoren sind in Serie geschaltet, sodass sich ihre Photospannungen unter NIR-Beleuchtung addieren und ausreichen, um die OLED ohne externe Spannungsversorgung anzutreiben. Die Signale breiten sich kaum seitlich aus. So bleibt das Bild scharf und feine Strukturen sichtbar. NIR-Detektion und sichtbare Emission werden damit auf zwei jeweils optimierte, elektrisch und optisch gekoppelte Halbleiterbauelemente verteilt.
Bildgebung auch bei sehr
geringer Lichtintensität
Selbstbetriebene Dünnschicht-Upconverter werden seit rund zwei Jahrzehnten erforscht. Bisher benötigten sie jedoch meist hohe NIR-Intensitäten, häufig aus Laserquellen. Das begrenzte ihre Eignung für praktische Bildgebung. Der neue Film erreicht eine effiziente Lichtumwandlung bereits bei 9 µW/cm². Dieser Wert liegt mehr als 4.000-mal niedriger als bei bisherigen selbstbetriebenen Upconvertern mit vergleichbarer Umwandlungseffizienz. Diese beträgt dabei rund 2 Prozent. Damit wird selbstbetriebene NIR-Bildgebung bei praktisch relevanten Lichtintensitäten und hoher Umwandlungseffizienz möglich, ohne auf intensive Laserquellen angewiesen zu sein.
Eine konstante Umwandlungseffizienz über mehr als drei Größenordnungen der NIR-Intensität ermöglicht eine lineare Übersetzung von Helligkeitsunterschieden. Die gemessene Auflösung von 79 µm bei 1:1-Abbildung ermöglicht die Darstellung feiner Strukturen und dürfte sich mit optimierter Abbildungsoptik weiter verbessern. Anstiegs- und Abfallzeiten von 5,2 und 6,5 ms sind mit Echtzeitaufnahmen bei typischen Videobildraten von 30 bis 60 Bildern pro Sekunde vereinbar.
38 Schichten für ein selbstbetriebenes Bauteil
Der Weg vom Konzept zum optimierten Bauteil erforderte eine aufwendige Systementwicklung. Für das Projekt wurde eine komplexe Vakuumprozessierungsanlage für organische Mehrschichtsysteme eingefahren und spezialisierte Messplätze aufgebaut.
Die fünf Photodetektoren wurden ähnlich wie Teilzellen einer Tandemsolarzelle aufeinander abgestimmt. Ihre Spannungen addieren sich, der Strom des Stapels wird jedoch durch den Detektor mit dem geringsten Photostrom begrenzt. Gleichzeitig sollen Rekombinationsschichten Verluste verringern und die OLED bereits bei niedriger Spannung effizient Licht emittieren.
Auch die Position der Absorber und Emitter im optischen Feld bestimmt die Absorption und Lichtauskopplung. Umfangreiche Experimente und mehrere Millionen optische Simulationen führten schließlich zu einem monolithischen Aufbau aus 38 Schichten, deren Materialien und Dicken gezielt aufeinander abgestimmt sind.
Vom Laserstrahl zum komplexen NIR-Bild
Eine unmittelbar praktische Anwendung liegt in optischen Laboren. Dort machen NIR-Detektionskarten unsichtbare Laserstrahlen sichtbar. Für getestete Wellenlängen bis 880 nm zeigte der neue Upconverter eine stärkere sichtbare Antwort als eine kommerzielle Detektionskarte. Die Forschenden erwarten, dass dieser Vorteil auch über 880 nm hinaus in den kurzwelligen NIR-Bereich hineinreicht.
Dass auch komplexe NIR-Bilder übersetzt werden können, zeigt die Aufnahme eines 20-Euro-Scheins. Der Upconverter macht Details der Sicherheitsmerkmale im NIR sichtbar, darunter das Porträt der Europa sowie feine Schattierungen und Guilloche-Strukturen.
Zwei Wege für die Weiterentwicklung
Der erste Pfad führt in die Biomedizin. Die aktuelle Generation nutzt NIR-Absorber, die bereits biomedizinisch untersucht werden. Ein rot emittierender Upconverter könnte als optische Schnittstelle für Implantate dienen. Ein Sensor könnte den Heilungsprozess eines transplantierten Organs überwachen und den Messwert moduliert durch das Gewebe übertragen. Externes NIR-Licht löst die Übertragung direkt aus, wobei der Upconverter ohne separate Stromversorgung arbeitet. Das senkt den Energiebedarf des Implantats und könnte Eingriffe reduzieren. Versuche dieser Studie zeigen, dass sich NIR-Informationen durch wenige Millimeter dicke biologische Proben übertragen lassen. Für medizinische Anwendungen sind eine weitere Entwicklung und Validierung nötig.
Der zweite Pfad zielt auf kostengünstige und energiearme NIR-Bildgebung für weit verteilte oder autonome Sensoren ab. Für die nächste Bauteilgeneration planen die Forschenden den Einsatz neuer Absorbermaterialien, um die Empfindlichkeit gezielt über die Siliziumgrenze von etwa 1.100 nm hinaus zu erweitern. Damit könnten sich neue Anwendungen für autonome NIR-Bildgebung eröffnen: etwa zur Bestimmung von Reifegrad oder Wasserversorgung in der Landwirtschaft, zur frühen Erkennung von Wasserstress in Wäldern oder zur Überwachung von Gas- und Wasserlecks an kritischer Infrastruktur. Damit würde NIR-Bildgebung dort praktikabler, wo heutige Kameras bei Kosten, Leistungsaufnahme oder Systemgröße an ihre Grenzen stoßen.
