מעצמה בלתי נראית

חברת SCD הישראלית נולדה מצורך שעלה לאחר מלחמת יום הכיפורים לאספקת אמצעי ראיית לילה לצה"ל. מאז היא עברה מספר גלגולים, וכיום היא נחשבת למובילה עולמית בפיתוח גלאי אינפרא אדום ודיודות לייזר. מיוחד

via shutterstock.com

חברת SCD הממוקמת במכון לשם, בהרי הגליל, נחשבת לאחת החברות המובילות בעולם בפיתוח גלאי אינפרא-אדום (תת אדום) ודיודות לייזר ליישומים צבאיים ואזרחיים. "אנחנו מוכרים היום מוצרים ב-100 מיליון דולרים בשנה", אומר א', סמנכ"ל המו"פ בחברה. "חצי ממחזור המכירות נמכר ישירות ללקוחות בחו"ל והחצי האחר נמכר לרפאל ואלביט ונכנס למערכות שהן מוכרות. בסיכומו של דבר, כ-80 אחוזים מהמוצרים שלנו הולכים לייצוא וה-20 הנותרים מגיע לצה"ל. בחברה מועסקים כ-400 עובדים, שליש מתוכם אנשי מו"פ".

ההיסטוריה של החברה מתחילה אי שם בשנות השבעים לאחר מלחמת יום הכיפורים, כאשר אחת מהמסקנות בצה"ל בעקבות המלחמה הייתה שצריך לספק לכוחות הלוחמים יכולת ראיית לילה. מאז עברה החברה מספר גלגולים, עד אשר בשנת 1986 הגיעה לתצורתה הנוכחית כשותפות מלאה בין רפאל לאלביט. "אנחנו עוסקים בשני תחומים מרכזיים: פיתוח וייצור גלאי אינפרא-אדום ודיודות לייזר רבות הספק", מסביר א'.

פועלים בכל תחומי התת אדום

על מנת למקם את פעילות החברה בעולם האינפרא אדום, מסביר א' כי את התחום הספקטראלי הזה נהוג לחלק לשלושה תת תחומים בהתאם לעבירות הקרינה בטווח האטמוספרי. תחום אורכי הגל הארוך (LWIR) הוא 8-12 מיקרון. תחום אורכי הגל הבינוני (MWIR) הוא 3-5 מיקרון ותחום אורכי הגל הקצר (SWIR) הוא 1-2.5 מיקרון. לחברה מוצרים בכל שלושת תחומי אורכי הגל והיא נחשבת מובילה במיוחד בתחום הבינוני . חשוב לציין כי מדובר על טכנולוגיה הרלוונטית למרחב האטמוספירי ולחלל. מתחת למים הגלאים הללו לא עובדים היות והמים בולעים את הקרינה.

"היתרון בגלאי אינפרא אדום בתחום אורכי הגל הבינוני והארוך (
L/M) הוא שהם יכולים לקלוט באופן ישיר את הקרינה התרמית הנפלטת מהגופים בשטח", מסביר א'. "צריך לזכור כי כל גוף שנמצא בטמפרטורת הסביבה (כ-30 מעלות צלזיוס או300 מעלות קלווין) פולט קרינה בתחומים אלו. הקרינה עוברת את הטווח האטמוספרי ומגיעה לגלאי האינפרא-אדום שמתרגם את הקרינה לאות חשמלי. בשלב הבא, האות עובר למערכת האלקטרו-אופטית שעושה עיבוד תמונה, ובסוף התהליך מציגה לצופה תמונה דו ממדית על מסך.

"אנחנו מייצרים את הגלאי. את המערכת השלמה מייצרות אלביט, רפאל, תע"א ואחרות. מערכת הדמאה כזו מייצרת תמונה דו ממדית דרך מטריצה של פיקסלים או דרך גלאי עם אלמנט בודד שסורק את השטח בשני הצירים. המערכת האלקטרו-אופטית יודעת לזהות בעזרת הגלאי הבדלי טמפרטורות בין אובייקטים שונים בשטח ליצירת הבידול ביניהם בתמונה. במערכות מודרניות יש דרישות מחמירות לסינון רעשי הרקע עלמנת להציג אובייקטים בצורה מדויקת יותר ובטווחים רחוקים יותר.

"אלו גלאים שיודעים לזהות קרינה בפרק זמן של ננו-שניות. המגבלה היא לא בתגובה של הגלאי, אלא באלקטרוניקה שממירה את הקרינה לאות חשמלי. אם אתה רוצה לזהות גופים שנעים מהר מאד, צריך מיליוני פיקסלים לגלאי עם סריקה מהירה בתדר של מאות הרץ. הגלאים המתקדמים של SCD יודעים לספק תמונה דיגיטאלית ברזולוציה של עד 3 מיליון פיקסלים. היות ומדובר על הרבה מידע, יש כיום גלאים שיודעים לא רק להוציא מידע גולמי, אלא גם לסנן אותו בטרם הוא עובר למערכת עיבוד התמונה.

"בתחום גלאי האינפרא אדום אנחנו נמצאים בתחרות עם חברות בחו"ל. צריך להבין שתחום הגלאים המתקדמים מאד מצומצם וכולל מספר מועט של יצרנים. זאת מכיוון שסף הכניסה הטכנולוגי גבוה מאד. צריך להשקיע מאות מיליוני דולרים במחקר והקמת יכולת ייצור ולא כל אחד יכול להרשות לעצמו השקעות כאלו. בארץ המימון מגיע מהמכירות שלנו, ממשרד הביטחון, אלביט ורפאל. המדינה משקיעה לא מעט כדי לשמר את היתרון שלה בתחום.

"מרבית היצרנים מפתחים בעיקר גלאים לתחום הצבאי, ויש כמה חברות אזרחיות. אפשר למצוא יצרנים בארה"ב ,גרמניה, צרפת, אנגליה וישראל. קיימים יצרנים נוספים בעולם, ברוסיה ובמזרח הרחוק, אבל הללו לא הגיעו לביצועים הנדרשים במערכות המתקדמות. אם בוחנים את הפעילות שלנו בקנה מידה עולמי, נתח השוק שלנו עומד על כ-9 אחוזים. בגלאים לתחום הבינוני (MWIR) המבוססים על אינדיום-אנטימוניד(InSb) אנחנו היצרן מספר אחד בעולם. ישנם תחומים שנכנסנו אליהם יותר מאוחר כמו גלאים לא מקוררים בתחום הארוך (LWIR) שם אנחנו ממוקמים במקום החמישי או השישי בעולם.

"תחום נוסף אליו נכנסו בשנים האחרונות הוא תחום אורכי-הגל הקצרים (SWIR). אנו משתתפים במאגד של המדען הראשי במשרד המסחר והתעשייה בשיתוף עם מפא"ת, בו חלקנו הוא פיתוח גלאי להדמאה בתנאי תאורה נמוכים (Low light level imaging). מדובר על תחום תת אדום הקרוב לאור הנראה באורכי הגל. בתחום זה אין פליטה תרמית, אלא אנחנו מסתכלים על החזרות של קרינה, כמו באור הנראה. בלילה, מקור הקרינה מגיע מהכוכבים או מקרינה המגיעה מהחלקים העליונים של האטמוספירה (night sky radiance/nightglow). הקרינה מאירה את השטח ואנו מגלים את ההחזר שלה".

מקורר / לא מקורר

אחד האתגרים הטכנולוגיים בפיתוח גלאי אינפרא אדום הוא הצורך לקרר אותם עד כדי טמפרטורה של מינוס 200 מעלות צלזיוס כדי להקטין מקורות רעש בחומר החישה, ולאפשר את גילוי האות החלש המגיע ממטרות בטווח של קילומטרים רבים. עבור גלאים אלו היצרן צריך לפתח מכלול שלם הכולל מקרר קריאוגני, אשר צורך הספק גבוה יחסית, וכך נוספים נפח ומשקל משמעותיים למערכת הסופית.

"הגלאי מורכב בתוך תרמוס מיוחד בוואקום גבוה ואשר מחובר למקרר קריאוגני. ישנם מקררים בחוג סגור או פתוח, כאשר המשקל הסופי של הגלאי יכול לנוע בין מאות גרמים לקילוגרמים. בגלל המורכבות הטכנולוגית, מחיר של גלאי מקורר יכול להתחיל ב-15,000 דולרים ולהגיע עד 100,000 דולרים ויותר. כיום אנחנו מפתחים גלאים שיכולים לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר. הם עדיין זקוקים לקירור, אבל צורכים פחות הספק, יותר קטנים בנפח  ואמינים יותר לאורך זמן בתנאי השטח".

גלאים לא מקוררים לתחום ה- LWIR הם בעלי עקרון פעולה אחר ומבוססים על שבבי סיליקון. אמנם הגלאי קטן, זול ואמין בהרבה מהגלאים המקוררים, אך רגישותו נמוכה ולכן טווח הגילוי קצר יותר (מאות מטרים ועד מספר קילומטרים).

השימוש בגלאים מקוררים מאד נרחב ביישומים צבאיים כמו תצפית יבשתית, ימית או אווירית, ראיית לילה ועד ראשי ביות של טילים. אפשר למצוא את המוצרים של SCD במגוון מערכות אלקטרו-אופטיות של אלביט, רפאל או תע"א שנמכרות בעולם. אלו שבשירות הסדיר או המילואים שלהם בצה"ל השתמשו במערכות אישיות לראיית לילה, מערכות תצפית ארוכות טווח, צייני לייזר או חימוש מונחה מדויק – סביר להניח שהפעילו מערכות מבוססות מוצרים של SCD.

גם בתחום התעופה עושים שימוש נרחב בגלאים אלו, וחברה 'אחות' של SCD בשם אופגל, גם היא בבעלות רפאל ואלביט, משתמשת בגלאים אלו למערכות תומכות נחיתה הנקראות EVS. אלו מערכות המותקנות במטוסי מטען ומנהלים ובחלק ממטוסי הנוסעים, שמטרתן לעזור לטייס להנחית את המטוס בתנאי ראיה קשים. במצב של ערפל או עננים נמוכים, הטייס לא רואה טוב את אורות מסלול הנחיתה. המערכת, בעזרת גלאי האינפרא אדום, מזהה את הפליטה התרמית של המנורות ומציגה אותן על מסך.

שימוש אזרחי נוסף הוא בתחום התעשייתי. מערכות אינפרא אדום משמשות במפעלים לצורך זיהוי דליפות או זיהוי נקודות חום המאותתות על כשל צפוי בצינור או מערכת הולכה. גם דליפות גז מצינורות הולכה תעשייתיים או קווי אספקה ארוכים ניתנות כיום לזיהוי מהיר באמצעות מערכות הדמאה רגישות המבוססות על גלאים תרמיים. הגלאים הלא מקוררים שהם כאמור זולים בהרבה, משמשים גם בתעשיית הרכב. קיימת היום מגמה בקרב יצרנים של רכבי יוקרה להתקין מערכת עזר לנהג לראיית לילה. בעוד הפנסים הרגילים של הרכב מאירים למרחק של כ-100 מטרים, המערכת התרמית יודעת להסתכל למרחק של מאות מטרים ולזהות אנשים או בעלי חיים בטווח המאפשר תגובה יעילה של הנהג.

דיודות לייזר

"התקן דיודה הוא רכיב מוליך למחצה מבוסס על חומר שנקרא גליום ארסניד (GaAs) שבתהליך מסוים מייצר לייזר", מסביר א'. "אתה מזרים זרם גבוה, וההתקן מתרגם אותו לפליטה של אור ביעילות של 50-60 אחוזים. כדי להשתמש באור הקורן מההתקן לטווחים ארוכים, יש צורך ל'יישר' את האלומה עם אופטיקה מתאימה. שימוש נוסף נפוץ בדיודות לייזר רבות הספק הוא כמקור אנרגיה ללייזר אחר כמו לייזר מצב-מוצק או לייזר-סיב. אתה ממיר חשמל לקרינה מדיודת-הלייזר, ועם הקרינה הזו אתה שואב לייזר אחר.

"הטכנולוגיה נולדה כרכיב למערכות צבאיות כמו צייני לייזר עבור חימוש מונחה. אנחנו מייצרים את הדיודות ששואבות את אותו לייזר ומוכרים לאלביט ורפאל, אבל גם בעולם. בשנים האחרונות נכנסנו לתחום חדש שנקרא לייזרים מצומדי סיב (Fiber Coupled Laser Diode). זה רכיב שהוא מארז עם דיודה אחת או מספר דיודות לייזר, ואת הקרינה מוציאים דרך סיב אופטי בהספקים גבוהים של עשרות וואטים. אפשר ליצור מודול הכולל שבעה או עשרה רכיבים כאלו, לצרף כמה מודולים כאלו למערכת אחת ולהגיע להספק של קילו-וואטים ואפילו עשרות קילו ואטים. זה סוג לייזר שמיועד בעיקר לתעשייה ועתיד להחליף את הלייזר המבוסס על CO2 ביישומים שונים. מדובר על שוק שמגלגל מיליארדים בשנה.

"האתגר בתחום הזה הוא פיתוח רכיב עם הספקים גבוהים וקרינה רציפה (
CW). אתגר נוסף הוא להעלות את יעילות ההמרה מחשמל לקרינה עד כדי 60 אחוזים. בנוסף, אנו עובדים על ייעול האיסוף של הקרינה לתוך הסיב וגם על אפשרות של ייצור לייזר באורכי גל שונים באותה מערכת. כיום אנו ממוקדים ב-900 ננומטר, ויש אפליקציות גם בתחומים אחרים.

"אתגר משמעותי הוא פיתוח החומרים הבונים את ההתקן. אלו לא חומרים טבעיים, אלא מבנים קוואנטים שאתה מתכנן כדי שייצרו את התפלגות המטענים והאור הרצויה בתוך ההתקן. גם נושא פינוי החום מהמארז של דיודת הלייזר הוא אתגר משמעותי ולעיתים נדרש קירור כדי שהמערכת לא תתחמם ויעילות הלייזר תרד.

"כרגיל הלקוחות שלנו רוצים ביצועים אלקטרו-אופטיים טובים יותר, והכל בגדלים קטנים יותר, עם צריכת אנרגיה מינימלית, ובמחירים נמוכים ככל הניתן. אין ספק כי אם מדינת ישראל רוצה להישאר בין המובילות של תחום האלקטרו-אופטיקה בעולם, צריך להמשיך ולפתח כל הזמן את העולם הטכנולוגי סביב גלאי האינפרא אדום ודיודות הלייזר".

אולי יעניין אותך גם