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CMOS圖像傳感器要小心了，相機(jī)界出現(xiàn)了一位新成員。
21世紀(jì)初，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體( CMOS)圖像傳感器實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，使得數(shù)碼相機(jī)尺寸變小，價(jià)格降低。當(dāng)前最薄的手機(jī)至少包含兩個(gè)相機(jī)模組，除專業(yè)攝影師外，人們無須攜帶單獨(dú)的相機(jī)，因?yàn)槭謾C(jī)自帶相機(jī)足以拍出滿意的照片。
但事實(shí)確實(shí)如此嗎？在亮光下，圖像的某些部分往往會(huì)被洗掉。在弱光下，圖像變得模糊不清，色彩也并不如專業(yè)相機(jī)拍攝得那樣亮麗。這些僅僅是捕捉可見光的相機(jī)面臨的問題。相機(jī)中加入夜視功能可謂一大賣點(diǎn)，但紅外傳感器的成像質(zhì)量比可見光傳感器差得多，成本也高得多。 目前正是另一成像技術(shù)革命的好時(shí)機(jī)。即將掀起這場(chǎng)革命的量子點(diǎn)是一種納米大小的半導(dǎo)體材料粒子，但它的作用卻不容小覷。 ? ? ? ?
半導(dǎo)體材料吸收光時(shí)，從化學(xué)鍵中釋放出可以自由漫游的電子。量子點(diǎn)的過程相同。不同之處在于，雖然電子被釋放，但它不能隨意漫游；量子點(diǎn)的直徑只有幾納米，它被粒子邊緣所擠壓。這種擠壓被稱為量子限制，它給與粒子特殊屬性。
最佳成像屬性是，量子點(diǎn)吸收的光可調(diào)諧，也就是說，只要選擇合適的材料和合適的粒子大小，顏色就可以連續(xù)調(diào)整，適應(yīng)可見光譜和紅外光譜中的幾乎任何波長(zhǎng)。這種可調(diào)諧性也可以反向作用——當(dāng)電子重新組合時(shí)發(fā)出的光的色彩可以精確選擇。近年來，正是這種發(fā)光可調(diào)諧性啟發(fā)了電視機(jī)和其他顯示器制造商使用量子點(diǎn)來改進(jìn)色彩再現(xiàn)。這種增強(qiáng)效果的名稱眾多；最常見的是“量子點(diǎn)發(fā)光二極管”（QLED）。 除了可調(diào)諧性之外，量子點(diǎn)還具備其他良好的特性。它們尺寸較小，因而可以被納入可打印油墨中，令量子點(diǎn)輕易進(jìn)入制造過程。相較硅而言，量子點(diǎn)可以更有效地吸收光線，支持相機(jī)制造商生產(chǎn)更薄的圖像傳感器。量子點(diǎn)在從極低亮度到極高亮度的寬泛動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都很靈敏。 ? ? ? ?
在說明量子點(diǎn)相機(jī)工作原理及其何時(shí)可能投入商業(yè)使用之前，應(yīng)先解釋一下CMOS傳感器，即當(dāng)下數(shù)字圖像技術(shù)的現(xiàn)狀。顯然，在過去一二十年里，基礎(chǔ)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，縮減了尺寸，降低了價(jià)格。但它將光線轉(zhuǎn)換成圖像的方式基本上沒有改變。
典型的相機(jī)，如手機(jī)自帶相機(jī)中，光線通過一系列鏡頭和紅色、綠色和藍(lán)色濾光片，后被硅CMOS芯片的一個(gè)傳感器像素（或稱圖素，區(qū)別于圖像像素）吸收。濾光片決定每個(gè)圖素將記錄的顏色。 ? 當(dāng)圖素吸收光子時(shí)，電子從化學(xué)鍵中釋放出來，移動(dòng)到像素邊緣的電極上，在那里被儲(chǔ)存到電容器中。讀出電路將每個(gè)圖素在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集的電荷轉(zhuǎn)換成電壓。電壓決定了圖像像素的亮度。 常見的制造過程同時(shí)產(chǎn)出硅探測(cè)器和讀出電路。這一過程包括一系列漫長(zhǎng)而完善的光刻、蝕刻和生長(zhǎng)步驟。此類制造成本低，而且相對(duì)簡(jiǎn)單。但硅探測(cè)器也存在一些缺點(diǎn)。 通常情況下，讀出電子器件位于探測(cè)器的頂部，即所謂的前照設(shè)備。這種布局下，金屬觸點(diǎn)和軌跡反射部分入射光，降低了效率。背照設(shè)備借助探測(cè)器下的讀出電子器件來避免這種反射，但卻增加了制造成本和復(fù)雜性。直到近十年，背光傳感器的成本才大幅下降，用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等的民用設(shè)備。 硅僅僅吸收不足1微米的波長(zhǎng)，因此不能用于近紅外范圍以外的成像。 ? ? ? ?
現(xiàn)在了解一下量子點(diǎn)如何改變這一格局。
我們之前提到，通過精準(zhǔn)地調(diào)整量子點(diǎn)的大小，材料制造商可以準(zhǔn)確地選擇它們所吸收光的波長(zhǎng)。可見光譜中最大的量子點(diǎn)直徑約10納米，它們吸收紫外線、藍(lán)光和綠光，并發(fā)出紅光，也就是說它們具有熒光特性。量子點(diǎn)越小，其吸收和發(fā)射越向色譜中的藍(lán)光偏移。例如，約3納米的硒化鎘量子點(diǎn)吸收紫外線和藍(lán)光，并發(fā)出綠光。 配有量子點(diǎn)探測(cè)器的相機(jī)與硅CMOS相機(jī)的工作原理基本相同。當(dāng)圖素中的量子點(diǎn)吸收光子時(shí)，電子脫離其定域鍵。量子點(diǎn)的邊緣限制了電子的移動(dòng)。然而，如果另一量子點(diǎn)足夠靠近，自由電子就會(huì)“跳”過該量子點(diǎn)，通過量子點(diǎn)之間的連續(xù)跳躍，到達(dá)圖素的電極，在那里由像素的讀出電路計(jì)數(shù)。 讀出電路與硅光電探測(cè)器的制造方法相同，都是直接在晶圓上構(gòu)建。
將量子點(diǎn)添加到晶圓上確實(shí)增加了一個(gè)處理步驟，但該步驟極其簡(jiǎn)單：它們可以作為一種油墨懸浮在溶液中，并在電路上打印或旋涂。 借助這種方式，量子點(diǎn)光電探測(cè)器擁有背光像素的性能優(yōu)勢(shì)，幾乎所有入射光都能到達(dá)探測(cè)器，而不需要增加這種技術(shù)的成本和復(fù)雜性。 量子點(diǎn)還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)。相較于硅，它們更能有效吸收光線，因此只需在讀出電路的頂部薄層就能收集到幾乎所有入射光子，這意味著吸收層無須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器中的厚度。另外，吸收性能極佳的量子點(diǎn)薄層完美適應(yīng)低亮度和高亮度，為傳感器創(chuàng)造一個(gè)更好的動(dòng)態(tài)范圍。
史蒂夫·喬布斯常說：“還有件事?！?/strong>量子點(diǎn)相機(jī)擁有巨大的潛力將紅外攝影融入主流，因?yàn)樗鼈兊目烧{(diào)協(xié)性能夠擴(kuò)展到紅外波長(zhǎng)。
當(dāng)前的紅外相機(jī)功能不亞于可見光相機(jī)，只是吸收光的材料大不相同。傳統(tǒng)的紅外相機(jī)使用帶小能帶隙的半導(dǎo)體，如硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞或砷化銦鎵，來吸收硅無法吸收的光。由這些材料形成的像素陣列必須與用于測(cè)量電流和生成圖像的硅CMOS電路分開制作。探測(cè)器陣列和電路必須在每個(gè)像素處連接，通常采用金屬間連接。 這一耗時(shí)的過程，又被稱為雜合，它包括在探測(cè)器陣列和CMOS電路的每個(gè)像素上放置一個(gè)小型低熔點(diǎn)銦柱。制造機(jī)器必須將二者連接起來，壓合，后將銦熔化，形成電氣連接。這一過程的復(fù)雜性限制了潛在的陣列大小、像素大小和傳感器分辨率。更糟糕的是，由于一次只能處理一個(gè)攝像頭芯片，因此雜合過程通量低、成本高。 但與這些傳統(tǒng)材料一樣對(duì)紅外線敏感的量子點(diǎn)可以借助成本低廉的大規(guī)?；瘜W(xué)工藝合成。
此外，類似于同類可見光產(chǎn)品，硅電路完成后，吸收紅外線的量子點(diǎn)可以涂于芯片上，這是一個(gè)無需雜合且快速簡(jiǎn)單的過程。消除雜合意味著分辨率（像素大小）可以小于15μm左右，以適應(yīng)銦柱，允許更多的像素存在于一個(gè)較小的區(qū)域。傳感器變小意味著光學(xué)元件變小，紅外相機(jī)的形狀和尺寸發(fā)生變化，且成本極大降低。
所有這些因素令量子點(diǎn)看起來像是一項(xiàng)完美的成像技術(shù)。但它們并非沒有挑戰(zhàn)。目前，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的主要障礙是穩(wěn)定性、效率和統(tǒng)一性。
制造商主要通過開發(fā)可擴(kuò)展的化學(xué)工藝來解決用于電視顯示器的發(fā)光量子點(diǎn)問題，這些化學(xué)工藝可以創(chuàng)造大量幾乎沒有缺陷的高效量子點(diǎn)。但量子點(diǎn)仍然會(huì)在空氣中氧化，導(dǎo)致傳感器性能缺陷和變化，包括靈敏度降低、噪聲加大、響應(yīng)時(shí)間變慢甚至短路。 然而穩(wěn)定性問題并不會(huì)妨礙顯示器實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，原因在于，保護(hù)所用量子點(diǎn)不受大氣影響并非難事。依照目前量子點(diǎn)在顯示器上使用的方式，量子點(diǎn)吸收來自藍(lán)色LED的光，而光生電荷載流子停留在每個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)，重新組合并發(fā)出熒光。所以這些量子點(diǎn)不需要直接連接到電路，這意味著周圍的聚合物基體通過在聚合物膜的兩側(cè)增加阻擋層來為它們提供保護(hù)，以防止大氣暴露。 但在光電探測(cè)中，封閉聚合物中的單個(gè)量子點(diǎn)行不通：釋放出的電子需要自由遷移到電極上才能被計(jì)入。
封裝整個(gè)量子點(diǎn)層或整臺(tái)設(shè)備可允許此類遷移，同時(shí)保護(hù)量子點(diǎn)不受大氣破壞。這可能是初始解決方案。另外，量子點(diǎn)本身可以經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)來降低氧化影響而不造成電荷傳輸障礙，同時(shí)保持穩(wěn)定性和可加工性。研究人員正在朝著這一艱巨的任務(wù)努力。 另一障礙來自目前用來維持量子點(diǎn)穩(wěn)定的有機(jī)表面活性劑。這些表面活性劑起到絕緣體的作用，因而能夠阻止電荷載流子輕易穿過量子點(diǎn)膜，到達(dá)收集信號(hào)的電極。
當(dāng)前，制造商將量子點(diǎn)沉積成薄膜，再將長(zhǎng)表面活性劑分子替換為較短的表面活性劑分子，以增強(qiáng)導(dǎo)電性。但這增加了一個(gè)工藝步驟，且隨著時(shí)間的推移，量子點(diǎn)更容易降解，原因在于替換過程會(huì)破壞量子點(diǎn)的外層。 光子探測(cè)的效率同樣存在問題。鑒于量子點(diǎn)尺寸小，表面積大，它們可能存在眾多缺陷——晶格缺陷可能導(dǎo)致在電子到達(dá)電極之前，光生電荷重新結(jié)合。
在此情況下，最初到達(dá)量子點(diǎn)的光子不會(huì)被電路檢測(cè)到，從而減弱了最終到達(dá)相機(jī)處理器的信號(hào)。 包含單晶半導(dǎo)體的傳統(tǒng)光電探測(cè)器鮮有這類缺陷，因而效率超過50%。而量子點(diǎn)光電探測(cè)器的效率通常低于20%。因此，盡管量子點(diǎn)在吸收光方面優(yōu)于硅，但量子點(diǎn)光電探測(cè)器的整體效率仍無法與之競(jìng)爭(zhēng)。不過，量子點(diǎn)材料和器件的設(shè)計(jì)正穩(wěn)步改進(jìn)，效率也在不斷提高。 由于制造商使用化學(xué)工藝來制造量子點(diǎn)，因此量子點(diǎn)的大小存在一定的內(nèi)在變化。
量子點(diǎn)的光學(xué)和電子特性由其大小決定，任何直徑偏離都會(huì)引起所吸收光顏色的變化。隨著源化學(xué)物質(zhì)以及合成、凈化和儲(chǔ)存發(fā)生變化，兩批量子點(diǎn)大小可能存在顯著差異。制造商必須謹(jǐn)慎控制工藝流程以避免此類情況。擁有該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的大公司能夠有效保持統(tǒng)一性，但是較小型的制造商往往很難生產(chǎn)出一致的產(chǎn)品。
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，一些公司已經(jīng)開始著手實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)相機(jī)商業(yè)化，這些產(chǎn)品有望成為主流。 早前一個(gè)較有說服力的例子是SWIR視覺系統(tǒng)公司推出的Acuros相機(jī)。該公司專注于生產(chǎn)短波紅外量子點(diǎn)相機(jī)，用于現(xiàn)有紅外相機(jī)應(yīng)用成本過于高昂的應(yīng)用領(lǐng)域。相機(jī)使用硫化鉛量子點(diǎn)，通過短波紅外線吸收可見光。這款相機(jī)探測(cè)器目前對(duì)于紅外波長(zhǎng)的平均效率為15%，即將15%到達(dá)探測(cè)器的光子用作可測(cè)量信號(hào)，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的砷化銦鎵技術(shù)效率（80%）。但借助15μm像素，Acuros相機(jī)比大多數(shù)紅外攝像機(jī)的分辨率更高。該公司表示，其售價(jià)會(huì)對(duì)那些無力購(gòu)買傳統(tǒng)紅外攝像機(jī)用于航海成像、生產(chǎn)檢驗(yàn)和工業(yè)流程監(jiān)控的商業(yè)用戶具有吸引力。
至于民用相機(jī)市場(chǎng)，TechCrunch在2017年報(bào)道稱，蘋果收購(gòu)了專業(yè)從事智能手機(jī)量子點(diǎn)相機(jī)的公司InVisage。蘋果對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的計(jì)劃依然保持沉默。 蘋果或許對(duì)量子點(diǎn)相機(jī)的紅外功能性能而非可見光性能更感興趣。蘋果將紅外光和傳感器應(yīng)用于其面部識(shí)別技術(shù)，價(jià)格更便宜、分辨率更高的芯片顯然會(huì)引起蘋果公司的興趣。 其他公司也在全力解決量子點(diǎn)光傳感器的穩(wěn)定性和效率問題，并拓展波長(zhǎng)和靈敏度方面可能的邊界。
BAE系統(tǒng)公司、Brimrose公司、Episensors公司和Voxtel公司等都在致力于實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)相機(jī)技術(shù)的商業(yè)化。世界各地的學(xué)術(shù)團(tuán)體，包括麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)、多倫多大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、巴黎索邦大學(xué)和香港城市大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，也都在深度參與量子點(diǎn)傳感器和相機(jī)的研究。 5年內(nèi)，量子點(diǎn)圖像傳感器很可能將安裝于手機(jī)，使我們能夠在低亮度下拍出更好的照片和視頻，改進(jìn)面部識(shí)別技術(shù)，并以目前無法預(yù)測(cè)的方式將紅外光電探測(cè)融入日常生活。尺寸更小、成本更低的傳感器將能夠完成所有相關(guān)工作。 ? 作者：Peter Palomaki、Sean Keuleyan
審核編輯：黃飛
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