فناوری آشکارساز نوری

سیر تکامل آشکارساز نوری بصورت چند وجهی است. این دستگاه‌ها که در تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی مهارت دارند، آینده بسیاری از صنایع را متحول کرده اند. تکامل از فتو دیود های سنتی به سنسورهای نقطه کوانتومی پیشرفته ، کاربردهای تخصصی آنها را در حوزه های مختلف برجسته می کند.

همچنین بخوانید : بینایی ماشین چیست؟

رشد و تکامل ردیاب های نوری با سرمایه گذاری های نظامی و نیازهای دفاعی آغاز شد. در طول جنگ سرد، پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری‌های آشکارسازی در نور کم به دلیل نیازهای نظامی، به ویژه برای سیستم‌های نظارتی و ارتباطی افزایش یافت. فن آوری هایی مانند دیود نوری بهمن (APD) که برای اولین بار توسط Jun-ichi Nishizawa در سال 1952 ثبت شد، در دهه های 1960 و 1970 به شدت مورد تحقیق قرار گرفت و در پیشرفت قابلیت های ردیاب نوری بسیار مهم بود. پس از جنگ سرد، این فناوری‌ها به کاربردهای غیرنظامی تبدیل شدند که منجر به پذیرش گسترده صنعتی و مصرف‌کننده شد.

بهترین روش‌ها برای نوآوری با فناوری‌های آشکارساز نوری

مکانیزم عملیاتی و ویژگی‌های خاص و کاربرد انواع ردیاب‌ های نوری بر اساس مواد مورد استفاده متفاوت است. این دستگاه‌ها از فتودیودهای پایه اتصال PN تا فناوری‌های پیشرفته مانند فتودیودهای بهمنی (APD) و ردیاب‌های نقطه کوانتومی را شامل می‌شوند.

انواع دیگر عبارتند از لوله‌های مولتی‌پلایر نوری (PMT)، دستگاه‌های متصل به شارژ (CCD)، آشکارساز های نوری فلز-نیمه‌رسانا-فلز (MSM) و مواد نو ظهور مانند آشکارساز های نوری مبتنی بر گرافن. هر نوع دارای ویژگی‌های متمایزی است که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف از جمله مخابرات، سیستم‌های مستقل، تصویربرداری پزشکی، نظارت بر محیط‌زیست، اسکنرهای صنعتی و لوازم الکترونیکی مصرفی مناسب می‌سازد. ضروری است که هر فرآیند طراحی و مهندسی را با درک نیازهای برنامه و پرسیدن همه سؤالات از قبل در مرحله برنامه ریزی آغاز کنید.

برخی از ملاحظات کلیدی عبارتند از:

 

1.محدوده طیفی و مواد:

محدوده طیفی محدوده طول موج هایی است که آشکارساز نور نسبت به آن حساس است که معمولاً در نانومتر (nm) اندازه گیری می شود. تصویر زیر برخی از مواد آشکارساز نوری را نشان می‌دهد که برای تشخیص سیگنال‌هایی از طول موج‌ های UV تا طول موج‌ های بلند مادون قرمز (LWIR) استفاده می‌شوند.

 

2.توسعه ترکیبات:

ترکیباتی مانند کاربید سیلیکون (SiC)، نیترید گالیم (GaN)، آرسنید گالیم ایندیم (InGaAs) و سایر مواد نیمه هادی مانند InGaAsSb حساسیت و محدوده طیفی آشکارسازهای نوری را افزایش داده است. این مواد امواج مادون قرمز موج کوتاه (SWIR) و مادون قرمز موج میانی (MWIR) را شناسایی می کنند و تطبیق پذیری آنها را افزایش می دهند. آشکارسازهای نوری ارگانیک، مبتنی بر گرافن و منعطف، امکانات کاربردهای زیست پزشکی را افزایش می‌دهند.

آشکارسازهای نوری رایج و محدوده حساسیت طول موج مربوط به آنها.

3.بازده کوانتومی (QE):

راندمان کوانتومی نسبت تعداد حامل های بار تولید شده به تعداد فوتون های ورودی است که اغلب به صورت درصد بیان می شود.

 

4.آشکارسازی (D*):

آشکارسازی معیاری نرمال شده از حساسیت ردیاب نوری است که بر حسب جونز (cm·Hz^1/2/W) بیان می‌شود.

 

5.نویز:

یکی از مواردی که در رابطه با اجزای حساس مورد توجه قرار می گیرد، نویز بسیار زیاد آن است که ترکیبی از نویز شلیک و جانسون آشکارساز است و اغلب از جریان تاریک آشکارساز ناشی می شود. توان معادل نویز (NEP) مقدار توان نوری مورد نیاز برای تولید سیگنالی برابر با سطح نویز ردیاب نوری است که معمولاً بر حسب وات بر هرتز ریشه (W/√Hz) اندازه‌گیری می‌شود.

 

6.معماری دستگاه:

معماری یک آشکارساز نوری که شامل ناحیه فعال، ضخامت دستگاه و ترکیب هر لایه است بر کارایی، ظرفیت و زمان پاسخ آن تأثیر می‌گذارد. پیکربندی پیکسل برای کار های تصویربرداری بسیار مهم است. تراکم پیکسل بالاتر می تواند وضوح را بهبود بخشد، در حالی که پیکسل های بزرگتر ممکن است حساسیت را افزایش دهند.

 

7.سرعت و زمان پاسخ:

زمان پاسخ، زمانی است که طول می کشد تا یک آشکارساز نوری به یک سیگنال نوری پاسخ دهد، که معمولاً در نانوثانیه (ns) یا پیکو ثانیه (ps) اندازه گیری می شود. این بر قابلیت تشخیص نوردتکتورها تأثیر می گذارد.

 

8.یکپارچه سازی:

تعامل نزدیک با کاربران نهایی به توسعه آشکارسازهای نوری کمک می کند که نیازهای دقیق کاربرد های مختلف را برآورده کنند. ادغام ترکیبی ردیاب‌های نوری با اجزای دیگر، مانند سیستم‌های گیرنده، منجر به راه‌حل‌های کارآمدتر می‌شود و عملکرد را بهبود می‌بخشد در حالی که دامنه کاربرد آنها را گسترش می‌دهد.

 

9.قابلیت اطمینان، دوام و استحکام:

توسعه آشکارسازهای نوری که می توانند در شرایط شدید مانند دماهای شدید، تنش مکانیکی و تشعشع مقاومت کنند، استفاده از آنها را در کاربردهای نظامی، هوافضا و صنعتی گسترش داده است.

 

10.هزینه‌ها و منابع:

هزینه‌ها و منابع به طور طبیعی بر تمامی تصمیم‌گیری‌ها و قابلیت‌های سرمایه‌گذاری در فناوری‌های رو به رشد ردیاب نوری تأثیر می‌گذارند. مدارهای مجتمع فوتونیک امکان ایجاد سیستم های فشرده و با کارایی بالا را فراهم می کند که مقرون به صرفه هستند. پیشرفت‌ها در ساخت نانو امکان ایجاد آشکارسازهای نوری کوچک‌تر و کارآمدتر را فراهم کرده است. توسعه آشکارسازهای نوری سازگار با سایر فناوری‌های فرآیند تولید نیمه‌هادی‌های با حجم بالا مانند نیمه‌رسانای اکسید فلزی مکمل (CMOS) تولید سنسورهای مقرون‌به‌صرفه و با کارایی بالا را تسهیل می‌کند.

 

فناوری ردیاب نوری بسیاری از کاربردها را متحول کرده و انقلابی ایجاد می کند

امروزه، فناوری ردیاب نوری یک جزء حیاتی است که زیربنای فناوری‌های بی‌شماری از جمله حسگر گاز، حسگرهای حرکتی و لوازم الکترونیکی مصرفی است. در ارتباطات راه دور، برای فراهم کردن امکان انتقال داده ها با سرعت بالا در شبکه های فیبر نوری و در هوافضا و دفاع از آنها برای شناسایی هدف و برد یابی استفاده می شود.

همچنین بخوانید: کاربرد های بینایی ماشین

در تحقیق و توسعه، طیف گسترده ای از کاربردهای طیف سنجی وجود دارد. کاربردهای اسکن سه بعدی آنها در معماری، ساخت و ساز، وسایل نقلیه خودران و کنترل های صنعتی ضروری است. آشکارسازهای نوری همچنین نظارت محیطی را برای شناسایی آلاینده ها و نظارت بر تغییرات محیطی امکان پذیر می کنند. آشکارسازهای نوری در تصویربرداری پزشکی نیز نقش اساسی دارند و در دستگاه‌هایی مانند سی‌تی‌اسکنر و دستگاه‌های MRI برای تصویربرداری دقیق و فناوری‌های نظارت از راه دور بیمار استفاده می‌شوند.

 

تکامل آشکارساز نوری با چالش های رشد همراه است

اذعان به نکات رایج در صنعت از ابتدا، مهندسان و سازمان ها را با اطلاعاتی که برای رسیدگی و کاهش چالش ها نیاز دارند، قرار می دهد. صنعت فوتونیک کوچک است و نیاز  همکاری مکرر در درون و بین رشته ها دارد. وجود ریخته گری اختصاصی برای آشکارسازهای نوری ممکن است از نظر مالی مقرون به صرفه نباشد. در نتیجه، مشارکت برای برآوردن نیازهای فنی توسعه حیاتی است. دانشگاه ها و مؤسسات تحقیقاتی در خط مقدم تکامل قرار دارند.

با توجه به کاربردهای منحصر به فرد و نیاز به همکاری در فن آوری های فوتونیک، ادغام سیستم ها چالش دیگری را ارائه می دهد. این امر مستلزم درک روشنی از محصول، محیط و اهداف است که به ویژه برای پیشرفت‌های سفارشی و خاص برنامه ضروری است.

بهینه سازی اندازه، وزن، قدرت و هزینه (SWaP-C) یک نگرانی اساسی برای طراحی و توسعه فناوری آشکارساز نوری است. سرمایه گذاری ها و منابع اختصاصی برای رشد و نوآوری ضروری هستند و در عین حال یک مزیت رقابتی برای سازمان ها ارائه می دهند.

 

آینده فناوری آشکارساز نوری روشن است

رشد و نوآوری در به کارگیری فناوری ردیاب نوری بدون شک در طول زمان ادامه خواهد داشت. از آنجایی که این فناوری گسترده تر می شود، موفقیت آن با میزان کمی از تأثیر افراد بر زندگی روزمره خود نشان داده می شود. ادغام یکپارچه آشکارسازهای نوری در کاربردهای مختلف گواهی بر کارایی و اثربخشی آنهاست. دانستن اینکه چه چیزی باید انتظار داشته باشید برای استفاده از مزایا و فرصت های این موج بعدی نوآوری ضروری است.

پیشرفت‌ها در مواد، فوتونیک کوانتومی، ادغام هوش مصنوعی و فناوری‌های پایدار، نویدبخش افزایش عملکرد، کارایی و مقرون‌به‌صرفه بودن، ایجاد نوآوری در سیستم‌های مستقل، امنیت، تشخیص پزشکی، نظارت بر محیط‌ زیست، لوازم الکترونیکی مصرفی و فراتر از آن است.

همانطور که سازمان ها به توسعه و ادغام این فناوری ها ادامه می دهند، نمی توان منکر پتانسیل گسترده ردیاب های نوری برای رسیدگی به چالش های پیچیده جهانی و بهبود زندگی روزمره شد. آینده احتمالات هیجان انگیزی دارد، با این پیشرفت ها که به طور یکپارچه در تار و پود تجربیات روزانه ما ترکیب می شوند.