Von Mikro bis Makro – abbildende Spektroskopie mit NIR-Sensortechnik steigert die Wirtschaftlichkeit (DE)

Von Mikro bis Makro – abbildende Spektroskopie mit NIR-Sensortechnik steigert die Wirtschaftlichkeit (DE)

Spätestens seit der Einführung von InGaAs als Detektormaterial vor ca. 10 Jahren hat die Infrarot-Bilderfassung die Forschungslabors verlassen und erobert sich immer mehr industrielle Anwendungen auch in kostensensitiven Bereichen. InGaAs-Flächensensoren liefern schon bei
Raumtemperatur gute Ergebnisse bis zu einer NIR-Wellenlänge von 1,7 μm. Im thermoelektrisch (TE) gekühlten Betrieb lassen sie sich bis zu einer Wellenlänge von 2,5 μm verwenden, alternativ zu HgCdTe-Detektoren.

1 Technik der Sensor-Arrays

Zur Herstellung von InGaAs-Sensor-Arrays werden mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) dünne Schichten aus InGaAs auf Substrate mit passender Kristallgitterkonstante, wie etwa InP, aufgebracht. Wegen der Ähnlichkeit zu standardmäßigen Fertigungsprozessen der Silizium-Halbleitertechnik gelingt dies kostengünstig und mit hoher Ausbeute. Zur Ausbildung der rückwärtigen Pixel-Elektroden werden mittels optischer Lithographie Öffnungen in die isolierende Glasschicht geätzt. Nach dem Vereinzeln der Chips und ihrem Funktionstest sind die Pixel mit der Ausleseschaltung zu verbinden. Analoge oder digitale Ausleseschaltungen und Logikfunktionen sind andererseits natürlich in CMOS-Technologie realisiert. Deshalb werden Sensor-Array und Ausleseschaltung in unterschiedlichen Technologien gefertigt und dann vielpolig verbunden. Bild 1 zeigt dazu fünf verschiedene Möglichkeiten: Zunächst als direkte Hybridschaltung, bei der das Sensor-Array durch “bump bonds“ (Lotkugeln) mit der
Ausleseschaltung verbunden wird, dann als indirekter Hybrid mit Array und Ausleseschaltung auf einer gemeinsamen Verbindungsplatte,
als Sensor/Auslese-IC mit Drahtverbindung zur Signalverarbeitung, in dreidimensionaler Anordnung, wobei das Sensor-Array auf die Kanten eines Stapels dünner Ausleseschaltungen aufgesetzt wird („Z-Technologie“) und schließlich die vielpolige Flip-Chip-Verbindung des Sensor-
Arrays mit der Ausleseschaltung (Loophole-Technologie). Bei den InGaAs-Sensoren von XenICs wird Flip-chip-Bonding (bump bonding) eingesetzt. Da Sensor und Auswerteschaltung aufeinander sitzen, lassen sich bei minimalem Flächenverbrauch äußerst kompakte Kameras gestalten. Zum Schutz wird die Chip-Kombination noch in ein fl aches Gehäuse mit NIR-durchlässigem Glasfenster eingebaut. Diese Baugruppe wird dann mit Infrarot-Objektiv, Verbindungselementen, Software und optionalen thermoelektrischen Kühlern (TE) zu einem Kamerasystem integriert.

2 Technik der Hyperspektral-Analyse

Die abbildende Spektroskopie oder hyperspektralen Analyse ist eine geglückte Kombination aus Spektroskopie und Bildverarbeitung. Wie Bild 2 zeigt, kann sie als Fortführung der klassischen Bildverarbeitung interpretiert werden: Im einfachsten Fall erfasst eine Schwarz/Weiß-Kamera Grauwerte von Objekten mit hoher Flächenaufl ösung ohne jede spektrale Information. Eine Farbkamera liefert mit drei Bildsensoren oder einem Sensor mit Bayer-Farbfi lter schon ein multispektrales Bild mit vergleichbar hoher räumlicher Auflösungund drei recht breitbandigen Farbkanälen, z.B. für rot, grün und blau, die aber nur eine relativ niedrige spektrale Auflösung bieten können. Spektral abbildende Systeme schließlich arbeiten mit einem Sensor und einem in den optischen Strahlengang eingefügten, durchstimmbaren
Schmalbandfi lter zur Frequenzauswahl oder nach dem Prinzip des sogenannten Push-Broom-Scanners. Dieser führt, meist mit einem mechanischen Vorschub von Prüfl ing oder Spektrometer, eine zeilenweise Abtastung des Objekts durch. Für jeden Bildpunkt einer Zeile wird das Spektrum auf eine Pixelspalte des Detektors abgebildet, dort erfasst und dann gespeichert. Beide Verfahren arbeiten mit einer großen Anzahl von Farbkanälen und werden deshalb als hyperspektral bezeichnet: Sie liefern sowohl hohe räumliche als auch hohe spektrale Aufl ösung. Die Daten über X-Koordinate, Y-Koordinate und Spektralanteilen liegen in einem dreidimensionalen Datenraum (Kubus), der in Bild 2 rechts oben angedeutet ist. Über die reine Abbildungsfunktion in einer Kamera hinaus eignen sich NIR-Bildsensoren
wegen ihrer hohen Aufl ösung und Breitbandigkeit sehr gut für derartige hyperspektrale Analysegeräte. Das Prinzip einer Direktsicht-Spektralkamera mit einem Gitter als dispersivem Element zeigt Bild 3: Die integrierte Kombination aus Spektrograph und monochromer Matrix-Kamera funktioniert im Prinzip wie eine Zeilenkamera mit Auffächerung des Spektrums. Für jedes seiner linear aufgereihten Pixel wird
das Spektrum erzeugt und auf der senkrechten Achse (Spektralachse) des Sensor-Arrays als Intensitätsmuster erfasst. Die waagerechte Achse bleibt als Geo me trieachse erhalten. Durch die Bewegung des Objekts oder der Kamera lässt sich dann ein zweidimensionales Bild gewinnen, aus dem anhand der spektralen Intensitätsverteilung bestimmte Merkmale gewonnen werden, die der Klassifi zierung oder Prozesssteuerung dienen können. Anders als beim Einsatz von Spektrometern liefert diese ortsaufl ösende Methode auch Bildinformationen.

3 Hyperspektral-Mikroskop beschleunigt Entwicklung spezieller LEDs

Aktuelle Aufgabenstellungen in Forschung und Entwicklung wirken oft als treibende Kraft für Geräteinnovationen, wie ein Beispiel von der Universität Twente zeigt: Dort wird der Einfl uss elektrischer Fel der auf laterale LED-Strukturen untersucht, indem auf die aktive, lichtemittierende Region eine zusätzliche Gate-Elektrode aufgebracht wird. Beim Betrieb der Diode mit Konstantstrom und negativer Vorspannung des Gate leuchtet sie heller. Außerdem ändert sich das Intensitätsprofil der strahlenden Fläche stark. Damit lässt sich also die Lichtemission einer LED über ein MOS-Gate gezielt variieren, was neuartige Anwendungen in der Beleuchtungs-, Mess- und Automatisierungstechnik ermöglicht. Zum Verständnis der Wirkungsweise sind derartige Strukturen zu modellieren und mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Dabei kann die Modellierung umso genauer erfolgen, je präzisere und aussagekräftigere Vergleichsmessungen vorliegen. Oft reicht dafür eine reine Intensitätsaussage über die einzelnen Flächenelemente nicht aus: Diese muss um eine ortsaufgelöste spektrale Verteilung der Strahlung ergänzt werden. Zur Lösung dieses Problems sind daher Methoden der abbildenden Spektroskopie im Mikrometermaßstab notwendig. Aus diesem Grunde entwickelten die Universität Twente und Xenics gemeinsam das in Bild 4 dargestellte mobile Hyperspektral-Mikroskop HIMS, das sich besonders für Forschungsarbeiten an lichtemittierenden Halbleiterstrukturen im nahen Infrarot-Bereich eignet. Über einen Strahlteiler wird etwa ein Drittel der Emission auf eine
seitlich angebrachte CCD-Kamera gelenkt, mit der das Mikroskop ausgerichtet und die interessierende Objektfl äche ausgewählt werden kann. Darauf lässt sich die IR-Kamera mit vorgeschaltetem Transmissions-Spektrographen (Bild 3) des finnischen Herstellers Specim aufsetzen. Der wassergekühlte (lüfterlose, leichte) Kamerakopf lässt sich mittels Schrittmotor zeilenweise 25 mm über dem Prüfling verschieben. Ein Gitter mit über 50% Durchlässigkeit dient als dispersives Element im Spektrographen, der eine spektrale Auflösung von 5 nm im NIR-Bereich von 900 bis 1700 nm erreicht. Über das IR-Objektiv des Mikroskops wird die Messfl äche des Prüflings auf den Eingangsspalt des Spektrographen abgebildet. Dieser sorgt dann für eine spektrale Zerlegung des einfallenden Lichts und für die Projektion der räumlichen Achse und der dazu senkrechten spektralen Achse über eine Auskoppeloptik auf den NIR-Flächensensor. Eine der ersten Aufnahmen mit dem Hyperspektral-Mikroskop ist in Bild 5 dargestellt. Sie zeigt die spektrale Analyse einer LED-Struktur in der ENVI-Umgebung (Environment for visualizing images): Links in dreikanaliger Falschfarben-Darstellung mit einer willkürlich ausgewählten Analyse-Koordinate und rechts das hierzu gehörende spektrale Profi l. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass eine nur dreikanalige
„multispektrale“ Analyse nur sehr dürftige Aussagekraft besitzt. Diese Untersuchungsmethode lässt sich übrigens auf alle Materialien und Strukturen anwenden, die sich mit einem Mikroskop abbilden lassen und in irgendeiner Weise durch spektrale Informationen gekennzeichnet sind. Die instantanen und aussagekräftigen Ergebnisse können dazu beitragen, die Entwicklung neuer Produkte zu beschleunigen und die Innovationsrate zu erhöhen.

4 Geheimnisse alter Meister hyperspektral aufgedeckt

Neben industriellen Einsatzfeldern lassen sich NIR-Flächensensoren auch in der Wissenschaft vorteilhaft anwenden, wie ein Beispiel aus dem künstlerischen Bereich zeigen soll. Schon seit langem dienen Infrarotbilder in der kunstgeschichtlichen Analyse und Restaurationstechnik zur Bestimmung der Authentizität von Kunstwerken oder zur Zuordnung anonymer Werke zu bestimmten Perioden. Bei Ölund Tempera-Bildern wird die Infrarot-Analyse auch gerne zur Erkennung von Unterzeichnungen (Bild 6) eingesetzt: Wegen
der geringeren IR-Abschwächung bietet die langwellige Strahlung nämlich eine einfache und vor allem zerstörungsfreie Möglichkeit, durch die oberen Farbschichten „hindurchzusehen“, um die darunter liegenden Strukturen, Entwürfe und Vorversionen zu erkennen und auszuwerten.
Unterzeichnungen sind direkt unter einem Gemälde liegende Entwürfe, die häufig mit Kohlestiften ausgeführt werden. Später verschwinden sie meist unter der endgültigen Farbschicht. Maler setzen Unterzeichnungen sehr individuell ein: von einfachen perspektivischen Vorgaben bis hin zu detaillierten Skizzen. Daher kann eine Unterzeichnung auch tiefere Einsichten in den kreativen Schaffensprozess des Künstlers vermitteln. Es hängt sehr stark vom Absorptions und Reflexionsverhalten (Bild 7) der Unterzeichnung und den darüber liegenden Farbschichten ab, ob überhaupt ein ausreichender Kontrast zustande kommt. Da die Absorption der Materialien stark frequenz abhängig ist, geht der Trend moderner Untersuchungsverfahren dahin, durch multispektrale Reflektographie gleich mehrere Spektralbereiche zu nutzen: Digitale Aufnahmen mit sichtbarem Licht, im NIR zwischen etwa 0,8 und 1,1 μm Wellenlänge sowie im erweiterten NIR zwischen 1,3 und 2,2 μm werden im Idealfall am Rechner übereinander gelegt und mit geeigneten Algorithmen zur Kontrastverstärkung bearbeitet,
um Unterzeichnungen einer Analyse leichter zugänglich zu machen. Bei der Auswahl geeigneter Bildaufnehmer für diese digitalen IR-Aufnahmen ist daher zunächst auf ausreichende Empfindlichkeit im NIR-Bereich zu achten. Gleichzeitig müssen aber auch die oft erschwerten Einsatzbedingungen in der Bildumgebung berücksichtigt werden. Günstige Faktoren sind hier geringes Gewicht der Kamera,
ihre einfache Anwendung und niedrige Kosten.

5 Fazit

Durch vorteilhafte Eigenschaften wie ungekühlter oder TE-gekühlter Betrieb, niedrige Betriebskosten, hohe Empfi ndlichkeit, geringe Abmessungen sowie große Einsatzflexibilität ermöglichen InGaAs-NIRBildwandler innovative Lösungen in den unterschiedlichsten Bereichen. Damit setzen sie sowohl Trends als auch Maßstäbe für eine ökonomischere Gestaltung von Entwicklung, Fertigung, Prozessführung und Service.

Bilder

  1. Unterschiedliche Technologien zur Verbindung eines photoelektrischen Flächensensors mit einer Ausleseschaltung
  2. Der Weg vom monochromen Bild über die multispektrale Farbaufnahme zum hyperspektralen Daten-Kubus
  3. Prinzip der Spektralkamera: Kombination aus bildgebendem Spektrographen (Im Spector von Spectral Imaging) und Matrix-kamera
  4. Aufbau des Hyperspektral-Mikroskops an der Universität Twente
  5. Aussagekräftiges Spektrum für einen Punkt der LED im Fadenkreuz
  6. Das Bild „La Joconde impudique“ von Pierre Gilou als Beispiel für eine mögliche Unterzeichnung für Brust, Arme und Hände der Mona Lisa [2]
  7. Reflexion und Absorption in der Farbschicht eines Bildes

Literaturhinweise:

  1. Bob Grietens, Spektrale Schatzsuche im NIR mit ungekühlten InGaAs-Kameras, Photonik 1/2006, S. 78-79
  2. Jean Margat, Le mythe de la Joconde, ISBN 2-8289-0547-0, S. 45
  3. Chad Weiner, Improved Acquisition Technique of Underdrawings in Oil-Paintings using IR-Reflectography, www.cis.rit.edu/research/thesis/bs/1999/weiner/thesis.html

World's first InGaAs camera photon emission microscope

Xenics enabled Semicaps to realize the world's first InGaAs camera photon emission microscope in 2004. Since then Xenics and sInfraRed have supported us in our endeavors for better sensitivity and resolution in photon and thermal emission microscopy.

Chua Choon Meng, CEO Semicaps