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5年内手机将用上量子点图像传感器,CMOS或将成为历史

发布时间:2020-03-05 13:48:15  来源:智东西   采编:郭椿砾  背景:

  编 | 云鹏

  智东西3月4日消息,近日,两位科学家在IEEE上发布文章,称量子点图像传感器可能将逐渐取代CMOS图像传感器。量子点图像传感器对于光线的吸收是可调的,并且光线吸收能力更强、成像动态范围更广、尺寸更小。

  虽然目前量子点成像还面临稳定性较差、效率较低、一致性难以保证等问题,但全球许多科技企业都致力于实现量子点成像的商业化。据外媒报道,苹果在2017年就曾收购过一家致力于制造量子点相机以用于智能手机的公司InVisage。

  一、强光弱光通吃,成本更低

  从2000年起,CMOS图像传感器逐渐走向商业化,这也导致数码相机的体积越来越小,价格越来越便宜。现在,手机至少都配备了两个摄像头,除了专业摄影师,一般很少有人还要带上相机出门。大部分人都觉得手机拍出的相片已经足够好了。

  但是目前在强光环境下,手机拍摄的照片会丢失许多细节,而在弱光环境下,图像的噪点也会非常明显,并且解析度不够。并且手机的成像色彩也不会跟专业相机一样丰富。而这一切都与手机使用的CMOS图像传感器有关。

  现在成像技术领域又将会迎来一场革命——量子点传感器。量子点是一种纳米级的半导体材料颗粒,也可以用作图像传感器中的光线吸收材料。

  一般来说,半导体材料吸收光时,会从化学键中释放出电子,并且该电子会处于一种自由漫游的状态。然后传感器会捕捉这些电子并生成图像信号,通过一系列复杂的处理,最终让你看到照片。

  同样,量子点也会吸收光线并释放电子,但不同的是,它所释放的电子却不那么容易漫游。因为量子点的直径只有几纳米,所以就会在内部产生一种量子约束(quantum confinement)效应,因为这种效应,释放的电子就会更不容易“逃走”。这也是量子点比较特殊的性质之一。

  ▲传统CMOS图像传感器和量子点图像传感器的结构对比

  对于成像来说,量子点最有用的属性是其吸收的光是可调的。只需要只需选择合适的材料和合适的粒径大小,就可以将量子点可吸收的光调整为可见光和红外光谱中的任何波长。直径约10纳米量子点可以吸收紫外线、蓝光和绿光,并且可以发出红光。而3纳米的硒化镉量子点可以吸收紫外线和蓝光并发出绿光。

  这种可调性也可以逆向生效,也就是可以人为控制电子与量子点复合时所发出的光的颜色。近年来,正是量子点这种发光可调性激发了电视和显示器厂商使用量子点来改善色彩的表现力,造就了我们能看到的量子电视和QLED面板。

  除可调性外,量子点还有一些优点。比如,较小的尺寸可以使量子点掺入可印刷的墨水中,从而使量子点非常易于制造。另外,量子点可以比硅更有效地吸收光,这就让图像传感器的尺寸可以变得更薄。最后,量子点成像的动态范围非常广,无论是强光还是弱光都可以良好的成像。

  二、红外成像领域前景广阔

  ▲量子点红外摄像机的商业应用,其中黑白图像是由量子点红外摄像机拍摄

  就像上面图中所展示的,量子点相机还有具有一个巨大的潜力,就是可以将红外摄影技术带入大众电子消费产品中,因为它们的可调性能够扩展到红外波长。

  传统的红外摄像机使用例如硒化铅、锑化铟或砷化铟镓这样的半导体材料来吸收硅所不能吸收的光。由这些材料制成的像素阵列必须与用于测量电流并生成图像的硅CMOS电路分开制造,然后再通过金属对金属的方式进行单个像素点级别的连接。

  这个工艺非常复杂,也因此限制了像素阵列大小、单像素大小和传感器分辨率。另外,由于一次只能完成一个摄像头芯片的制造,这种制造工艺的产能是非常低的。

  但量子点却可以使用廉价的大规模化学处理技术合成,跟传统材料一样。而且工厂还可以在硅电路完成后,直接把量子点喷涂到芯片上,非常快速、高效。这样一来,同样的面积上还可以容纳更多的像素点,也就可以让红外摄像机的尺寸进一步缩小,并降低成本。

  ▲红外量子点图像传感器结构

  三、量子点成像依然存在三大挑战

  上述种种优势让量子点看起来像是一种完美的成像技术,但其实目前还存在许多挑战。量子点成像在当下主要的障碍是稳定性较差、效率较低、一致性难以保证。

  1、稳定性

  首先,量子点会在空气中氧化,从而导致传感器的性能发生变化,比如灵敏度降低、噪点增强、响应时间变慢甚至短路。在电视厂商那里,量子点不需要直接接触电路,因此可以通过用聚合物包围量子点的方式防止其暴露在空气中。

  但在图像传感器中,量子点要用于光的检测,就必须要实现电子的自由迁移,要与电路进行接触。所以在保护量子点不受空气氧化的同时,实现电子迁移是目前探索的方向之一,但这是一项非常艰巨的任务,许多研究人员都在朝着这个目标努力。

  另外,目前用于维持量子点稳定的有机活性剂,会导致电子不易通过量子点膜转移到收集信号的电极上,因此采用什么材料制成活性剂也是要解决的一个难题。

  2、效率

  ▲常见量子点材料与传统材料光子检测效率的对比

  量子点传感器在光子检测效率方面也存在问题。量子点尺寸小、表面积大的特性会导致部分光线射入后生成的电子在到达电极之前,又与量子点重新结合。发生这种情况时,电路永远不会检测到光子,从而减少了最终到达相机处理器的信号。

  传统的CMOS传感器中,光子检测的效率一般在50%以上,而量子点传感器的效率通常不足20%,差距比较明显。目前量子点材料和器件设计正在逐步改善,检测效率也在不断提高。

  3、一致性

  由于目前厂商普遍使用化学工艺制造量子点,因此其尺寸存在一些固有的变化。并且由于量子点的光学特性受尺寸的影响比较明显,所以任何偏差都将导致吸收的光的颜色发生变化。

  厂商必须小心地控制制造过程,尽量缩小偏差。在这方面具有丰富经验的巨头公司在保持一致性方面已经做的非常出色,但是较小的厂商通常很难生产出一致的产品。

  四、五年内量子点传感器上手机

  尽管存在这些挑战,但是许多公司仍然迎难而上,致力于将量子点相机商业化。

  ▲SWIR Vision Systems推出的红外量子点相机Acuros

  SWIR Vision Systems专注于制造短波红外量子点相机。Acuros使用了硫化铅量子点,目前,此摄像机中的量子传感器对红外波长的平均检测效率为15%,这意味着接触探测器的光子中有15%最终会转化为可测量的信号。

  这大大低于现有红外相机中所使用的砷化铟镓技术的检测效率,后者可以达到80%。但是Acuros相机的像素为15 µm,比大多数红外相机具有更高的分辨率。该公司指出,它的价格相比传统红外相机也更具竞争力。

  至于消费相机市场,2017年TechCrunch报道称苹果已经收购了InVisage,这是一家致力于制造量子点相机以用于智能手机的公司。不过苹果一直对量子点技术的相关计划保持沉默。

  其他公司也正在努力解决量子点光电传感器的稳定性和效率问题,并扩大波长和灵敏度的范围。BAE Systems、Brimrose、Episensors和Voxtel都是致力于量子点相机技术商业化的公司。世界各地的学术团体也深入参与基于量子点传感器和摄像头的研究,包括麻省理工学院、芝加哥大学、多伦多大学、苏黎世联邦理工学院、索邦大学和香港城市大学。

  五年之内,我们很可能会在手机中看到基于量子点的图像传感器,从而使我们能够在弱光下拍出更好的照片和视频,并改进面部图像识别技术,同时红外成像的成本也会极大降低,设备尺寸也会进一步缩小。


本文来源:智东西

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