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CMOS圖像傳感器要小心了，相機界出現(xiàn)了一位新成員。
21世紀初，互補金屬氧化物半導體( CMOS)圖像傳感器實現(xiàn)商業(yè)化，使得數(shù)碼相機尺寸變小，價格降低。當前最薄的手機至少包含兩個相機模組，除專業(yè)攝影師外，人們無須攜帶單獨的相機，因為手機自帶相機足以拍出滿意的照片。
但事實確實如此嗎？在亮光下，圖像的某些部分往往會被洗掉。在弱光下，圖像變得模糊不清，色彩也并不如專業(yè)相機拍攝得那樣亮麗。這些僅僅是捕捉可見光的相機面臨的問題。相機中加入夜視功能可謂一大賣點，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)革命的好時機。即將掀起這場革命的量子點是一種納米大小的半導體材料粒子，但它的作用卻不容小覷。 ? ? ? ?
半導體材料吸收光時，從化學鍵中釋放出可以自由漫游的電子。量子點的過程相同。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。這種可調(diào)諧性也可以反向作用——當電子重新組合時發(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)了電視機和其他顯示器制造商使用量子點來改進色彩再現(xiàn)。這種增強效果的名稱眾多；最常見的是“量子點發(fā)光二極管”（QLED）。 除了可調(diào)諧性之外，量子點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，令量子點輕易進入制造過程。相較硅而言，量子點可以更有效地吸收光線，支持相機制造商生產(chǎn)更薄的圖像傳感器。量子點在從極低亮度到極高亮度的寬泛動態(tài)范圍內(nèi)都很靈敏。 ? ? ? ?
在說明量子點相機工作原理及其何時可能投入商業(yè)使用之前，應(yīng)先解釋一下CMOS傳感器，即當下數(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)取得了長足進步，縮減了尺寸，降低了價格。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，如手機自帶相機中，光線通過一系列鏡頭和紅色、綠色和藍色濾光片，后被硅CMOS芯片的一個傳感器像素（或稱圖素，區(qū)別于圖像像素）吸收。濾光片決定每個圖素將記錄的顏色。 ? 當圖素吸收光子時，電子從化學鍵中釋放出來，移動到像素邊緣的電極上，在那里被儲存到電容器中。讀出電路將每個圖素在規(guī)定時間內(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產(chǎn)出硅探測器和讀出電路。這一過程包括一系列漫長而完善的光刻、蝕刻和生長步驟。此類制造成本低，而且相對簡單。但硅探測器也存在一些缺點。 通常情況下，讀出電子器件位于探測器的頂部，即所謂的前照設(shè)備。這種布局下，金屬觸點和軌跡反射部分入射光，降低了效率。背照設(shè)備借助探測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雜性。直到近十年，背光傳感器的成本才大幅下降，用于手機、數(shù)碼相機等的民用設(shè)備。 硅僅僅吸收不足1微米的波長，因此不能用于近紅外范圍以外的成像。 ? ? ? ?
現(xiàn)在了解一下量子點如何改變這一格局。
我們之前提到，通過精準地調(diào)整量子點的大小，材料制造商可以準確地選擇它們所吸收光的波長?？梢姽庾V中最大的量子點直徑約10納米，它們吸收紫外線、藍光和綠光，并發(fā)出紅光，也就是說它們具有熒光特性。量子點越小，其吸收和發(fā)射越向色譜中的藍光偏移。例如，約3納米的硒化鎘量子點吸收紫外線和藍光，并發(fā)出綠光。 配有量子點探測器的相機與硅CMOS相機的工作原理基本相同。當圖素中的量子點吸收光子時，電子脫離其定域鍵。量子點的邊緣限制了電子的移動。然而，如果另一量子點足夠靠近，自由電子就會“跳”過該量子點，通過量子點之間的連續(xù)跳躍，到達圖素的電極，在那里由像素的讀出電路計數(shù)。 讀出電路與硅光電探測器的制造方法相同，都是直接在晶圓上構(gòu)建。
將量子點添加到晶圓上確實增加了一個處理步驟，但該步驟極其簡單：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，量子點光電探測器擁有背光像素的性能優(yōu)勢，幾乎所有入射光都能到達探測器，而不需要增加這種技術(shù)的成本和復雜性。 量子點還有一個優(yōu)勢。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到標準CMOS圖像傳感器中的厚度。另外，吸收性能極佳的量子點薄層完美適應(yīng)低亮度和高亮度，為傳感器創(chuàng)造一個更好的動態(tài)范圍。
史蒂夫·喬布斯常說：“還有件事?！?/strong>量子點相機擁有巨大的潛力將紅外攝影融入主流，因為它們的可調(diào)協(xié)性能夠擴展到紅外波長。
當前的紅外相機功能不亞于可見光相機，只是吸收光的材料大不相同。傳統(tǒng)的紅外相機使用帶小能帶隙的半導體，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量電流和生成圖像的硅CMOS電路分開制作。探測器陣列和電路必須在每個像素處連接，通常采用金屬間連接。 這一耗時的過程，又被稱為雜合，它包括在探測器陣列和CMOS電路的每個像素上放置一個小型低熔點銦柱。制造機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)材料一樣對紅外線敏感的量子點可以借助成本低廉的大規(guī)模化學工藝合成。
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可以涂于芯片上，這是一個無需雜合且快速簡單的過程。消除雜合意味著分辨率（像素大?。┛梢孕∮?5μm左右，以適應(yīng)銦柱，允許更多的像素存在于一個較小的區(qū)域。傳感器變小意味著光學元件變小，紅外相機的形狀和尺寸發(fā)生變化，且成本極大降低。
所有這些因素令量子點看起來像是一項完美的成像技術(shù)。但它們并非沒有挑戰(zhàn)。目前，實現(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)可擴展的化學工藝來解決用于電視顯示器的發(fā)光量子點問題，這些化學工藝可以創(chuàng)造大量幾乎沒有缺陷的高效量子點。但量子點仍然會在空氣中氧化，導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)時間變慢甚至短路。 然而穩(wěn)定性問題并不會妨礙顯示器實現(xiàn)商業(yè)化，原因在于，保護所用量子點不受大氣影響并非難事。依照目前量子點在顯示器上使用的方式，量子點吸收來自藍色LED的光，而光生電荷載流子停留在每個量子點內(nèi)，重新組合并發(fā)出熒光。所以這些量子點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，以防止大氣暴露。 但在光電探測中，封閉聚合物中的單個量子點行不通：釋放出的電子需要自由遷移到電極上才能被計入。
封裝整個量子點層或整臺設(shè)備可允許此類遷移，同時保護量子點不受大氣破壞。這可能是初始解決方案。另外，量子點本身可以經(jīng)過特殊設(shè)計來降低氧化影響而不造成電荷傳輸障礙，同時保持穩(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穩(wěn)定的有機表面活性劑。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膜，到達收集信號的電極。
當前，制造商將量子點沉積成薄膜，再將長表面活性劑分子替換為較短的表面活性劑分子，以增強導電性。但這增加了一個工藝步驟，且隨著時間的推移，量子點更容易降解，原因在于替換過程會破壞量子點的外層。 光子探測的效率同樣存在問題。鑒于量子點尺寸小，表面積大，它們可能存在眾多缺陷——晶格缺陷可能導致在電子到達電極之前，光生電荷重新結(jié)合。
在此情況下，最初到達量子點的光子不會被電路檢測到，從而減弱了最終到達相機處理器的信號。 包含單晶半導體的傳統(tǒng)光電探測器鮮有這類缺陷，因而效率超過50%。而量子點光電探測器的效率通常低于20%。因此，盡管量子點在吸收光方面優(yōu)于硅，但量子點光電探測器的整體效率仍無法與之競爭。不過，量子點材料和器件的設(shè)計正穩(wěn)步改進，效率也在不斷提高。 由于制造商使用化學工藝來制造量子點，因此量子點的大小存在一定的內(nèi)在變化。
量子點的光學和電子特性由其大小決定，任何直徑偏離都會引起所吸收光顏色的變化。隨著源化學物質(zhì)以及合成、凈化和儲存發(fā)生變化，兩批量子點大小可能存在顯著差異。制造商必須謹慎控制工藝流程以避免此類情況。擁有該領(lǐng)域經(jīng)驗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。
面對這些挑戰(zhàn)，一些公司已經(jīng)開始著手實現(xiàn)量子點相機商業(yè)化，這些產(chǎn)品有望成為主流。 早前一個較有說服力的例子是SWIR視覺系統(tǒng)公司推出的Acuros相機。該公司專注于生產(chǎn)短波紅外量子點相機，用于現(xiàn)有紅外相機應(yīng)用成本過于高昂的應(yīng)用領(lǐng)域。相機使用硫化鉛量子點，通過短波紅外線吸收可見光。這款相機探測器目前對于紅外波長的平均效率為15%，即將15%到達探測器的光子用作可測量信號，遠低于現(xiàn)有的砷化銦鎵技術(shù)效率（80%）。但借助15μm像素，Acuros相機比大多數(shù)紅外攝像機的分辨率更高。該公司表示，其售價會對那些無力購買傳統(tǒng)紅外攝像機用于航海成像、生產(chǎn)檢驗和工業(yè)流程監(jiān)控的商業(yè)用戶具有吸引力。
至于民用相機市場，TechCrunch在2017年報道稱，蘋果收購了專業(yè)從事智能手機量子點相機的公司InVisage。蘋果對這項技術(shù)的計劃依然保持沉默。 蘋果或許對量子點相機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)用于其面部識別技術(shù)，價格更便宜、分辨率更高的芯片顯然會引起蘋果公司的興趣。 其他公司也在全力解決量子點光傳感器的穩(wěn)定性和效率問題，并拓展波長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現(xiàn)量子點相機技術(shù)的商業(yè)化。世界各地的學術(shù)團體，包括麻省理工學院、芝加哥大學、多倫多大學、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、巴黎索邦大學和香港城市大學的團隊，也都在深度參與量子點傳感器和相機的研究。 5年內(nèi)，量子點圖像傳感器很可能將安裝于手機，使我們能夠在低亮度下拍出更好的照片和視頻，改進面部識別技術(shù)，并以目前無法預(yù)測的方式將紅外光電探測融入日常生活。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
工商網(wǎng)監(jiān)
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