導(dǎo)讀

短波紅外成像技術(shù)的發(fā)展受到了傳感器材料種類的限制與推動(dòng)，從硅基到銦鎵砷，從量子點(diǎn)到鍺基，豐富的材料影響著短波紅外相機(jī)的分辨率、質(zhì)量、成本等性能特征。

短波紅外成像與傳感器

短波紅外光通常定義在 900 - 1700nm，相比于可見光能揭示更多肉眼看不到的信息，捕獲該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的傳感器技術(shù)?，F(xiàn)用于短波紅外技術(shù)的傳感器有多種材料可選，不同材料的傳感器具有特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

各種傳感器在不同紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)用和光譜靈敏度（圖源Allied Vision）

根據(jù)傳感器玻璃材料和內(nèi)部架構(gòu)，硅基傳感器可以優(yōu)化為在低至 200nm 的紫外范圍內(nèi)靈敏，或在 750 - 1100nm 范圍內(nèi)提供更高的靈敏度（近紅外感應(yīng)）。然而，從 1050nm 開始的量子效率通常小于 10% 且會(huì)急劇下降，因?yàn)楣柙诖蠹s 1100nm 處是透明的。因此，需要其他傳感器材料來檢測(cè) 1100nm 以上 SWIR 范圍內(nèi)的光。

銦鎵砷短波紅外傳感器

最常見的 SWIR 傳感器類型使用砷化銦鎵（InGaAs，銦鎵砷）為材料，這種傳感器通常在 900 -1700nm 范圍內(nèi)靈敏。如果亞磷酸銦層保持很薄，那么可見光就可以進(jìn)入光敏InGaAs層，該傳感器即可檢測(cè)可見光范圍內(nèi)的光。例如，索尼的 IMX99x SenSWIR 傳感器就屬于這種類型。

InGaAs的有趣之處在于，傳感器可以用不同成分的砷化銦和砷化鎵制造，最終銦和鎵之間的比率決定了截止波長(zhǎng)（即能夠檢測(cè)到的最長(zhǎng)波長(zhǎng)）。比如增加 InGaAs 技術(shù)使用的銦含量，可以將檢測(cè)范圍擴(kuò)展到 2600nm 左右，但需要權(quán)衡的是整體性能會(huì)降低、成本將增加 4-5 倍。

銦鎵砷化物傳感器已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，市面上有眾多銦鎵砷探測(cè)器的短波紅外相機(jī)。?百萬像素高性能、高密度 InGaAs 大面陣焦平面陣列技術(shù)在歐美和日本等地已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，最小像元中心距達(dá)到 5 μm。國(guó)內(nèi)目前的 InGaAs 產(chǎn)品規(guī)格主要是 15μm 中心距、640×512 像素，10μm / 15μm 中心距 、1280×1024 像素的產(chǎn)品正在陸續(xù)推出。

InGaAs 紅外相機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其高靈敏度、高幀速和高分辨率，以及優(yōu)化的制冷設(shè)計(jì)帶來的低噪聲和高穩(wěn)定性。InGaAs 紅外相機(jī)是高要求應(yīng)用場(chǎng)景的首要選擇，包括但不限于硅晶元檢測(cè)、光通訊、電致發(fā)光（EL）、光致發(fā)光（PL）等。

友思特 InGaAs 短波紅外相機(jī) HG-A130SW，分辨率 1.3M，可用于半導(dǎo)體檢測(cè)等場(chǎng)景

InGaAs 短波紅外探測(cè)器的成本限制了其潛力。InGaAs 傳感器通常每單位成本高達(dá)1萬美元，這是由于批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的高缺陷率而使價(jià)格不得已抬高。制造 InGaAs 傳感器需要將材料外延生長(zhǎng)到磷化銦（InP）晶圓上并切成芯片。然后，像素與硅讀出電路進(jìn)行銦鍵合，這一過程稱為“倒裝芯片雜交”，撇開高昂的生產(chǎn)成本不談，還會(huì)限制像素間距和分辨率，InP 材料固有的脆弱性也為制造出更大尺寸的晶圓帶來了挑戰(zhàn)。

一些 InGaAs 傳感器試圖通過使用銅銅（Cu-Cu）混合晶圓鍵合技術(shù)來克服其有限的像素間距。然而，由于這些傳感器在室溫下會(huì)經(jīng)歷高暗電流，因此更容易受到噪聲的影響，這意味著需要笨重的冷卻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)所需的圖像質(zhì)量。

量子點(diǎn)短波紅外傳感器

量子點(diǎn)是納米級(jí)半導(dǎo)體材料，可以響應(yīng)高達(dá) 2600nm 的波長(zhǎng)。從廣義上講，它們可以分為膠體或外延。外延量子點(diǎn)是使用高能“干”化學(xué)技術(shù)生產(chǎn)的，而膠體量子點(diǎn)是使用臺(tái)式“濕”化學(xué)技術(shù)生產(chǎn)的，賦予它們無與倫比的光電特性，以及合成過程中精確的尺寸控制。因此，膠體量子點(diǎn)比外延替代品更便宜、更容易生產(chǎn)，并且是視覺系統(tǒng)中最常用的變體。

硫化鉛基 （PbS） 量子點(diǎn)能夠以銦砷化鎵技術(shù)的一小部分成本實(shí)現(xiàn)類似或更高的性能，具有靈活的寬帶可調(diào)性，涵蓋可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外 （MWIR） 波長(zhǎng)；光吸收性強(qiáng)，介電常數(shù)大。PbS 量子點(diǎn)與各種基板和外形尺寸兼容，特別適合短波紅外成像和傳感?，F(xiàn)在市面上也出現(xiàn)了一些商用量子點(diǎn)短波紅外相機(jī)，并在工業(yè)場(chǎng)景有所應(yīng)用。

雖然成本引人注目，但 CQD 和銦鎵砷相比，其量子響應(yīng)仍然更低。InGaAs 在 950 - 1650nm 之間具有＞80% 的量子效率，而 CQD 在大多數(shù) SWIR 波長(zhǎng)上的信號(hào)不到 10%，幀速率也相對(duì)較低。不過，它們以更低的成本、低暗電流和更高的分辨率（目前高達(dá) 2MP）而擁有一定的市場(chǎng)用量。除此以外，CQD 傳感器通常比 InGaAs 傳感器具有更寬的光譜范圍，因此它們可以通過單個(gè)傳感器支持多個(gè)光譜范圍。盡管量子點(diǎn)不太可能在短期內(nèi)完全取代用于短波紅外傳感的銦砷化鎵，但該技術(shù)適合作為一項(xiàng)技術(shù)補(bǔ)充。

鍺基短波紅外傳感器

鍺基 SWIR 傳感器是一種創(chuàng)新技術(shù)路線，改進(jìn)了鍺的生產(chǎn)工藝，采用獲得專利的選擇性外延鍺（Ge）生長(zhǎng)技術(shù)與成熟的硅基 CMOS 讀出電路技術(shù)相結(jié)合，通過鍺的熱氧化來降低表面粗糙度；同時(shí),采用雙用雙芯片封裝 (傳感器與 ROIC) 技術(shù)，相比于目前成熟的單片集成技術(shù)方案具有更強(qiáng)的制造靈活性，進(jìn)一步降低了短波紅外探測(cè)器的制造成本。創(chuàng)新的技術(shù)使得鍺基短波紅外相機(jī) Beyonsense 入圍了 2023 年的 SPIE 國(guó)際光學(xué)和光子學(xué)協(xié)會(huì)棱鏡獎(jiǎng)的相機(jī)/傳感技術(shù)類提名。

友思特 BeyonSense 短波紅外相機(jī)采用了非制冷鍺基探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了 28mm 超薄的小巧尺寸，此外，相機(jī)采用現(xiàn)代化的簡(jiǎn)單方便的無線連接的方式，個(gè)人手機(jī)、平板、電腦直接WIFI連接即可控制相機(jī)拍攝和儲(chǔ)存，真正意義上將 900nm-1700nm 短波紅外成像技術(shù)送到人們手掌之中。

友思特 Beyonsense 鍺基短波紅外相機(jī)透過晶圓看到鹵素?zé)魺艚z，驗(yàn)證了其對(duì)短波紅外光的探測(cè)能力

雖然鍺基紅外探測(cè)器的成本有明顯下降，但其分辨率和幀頻較低，128×128 的分辨率適合一些實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，比如對(duì)紅外激光成像等基本應(yīng)用。對(duì)于分辨率要求更高的工業(yè)場(chǎng)景，目前還需要提分辨率與靈敏度等參數(shù)。

除了以上介紹的探測(cè)器以外，碲化汞、鎘 （MCT） 與 II 型超晶格 T2SL 傳感器（某些材料成分，如 InGaAs/GaAsSb 或 InAs/AlSb/GaSb）也可以探測(cè)短波紅外范圍，不過它們更常見被用于中波紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的成像。

基于 MTC 傳感器的相機(jī)通常具有較低的分辨率，最高 640×512 像素 （VGA）。它們支持 400 - 2500nm 的寬光譜范圍，具有高量子效率。然而，這是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，需要通過純散熱器進(jìn)行強(qiáng)力冷卻，以補(bǔ)償傳感器的高暗電流。

II 型超晶格傳感器的相機(jī)的特點(diǎn)是具有非常高的動(dòng)態(tài)范圍，盡管在 SXGA 分辨率下最小像素尺寸在 5 - 12μm 之間，然而相比之下，它們具有低量子效率和低幀率。此外，還有非常高的暗電流值和通常高昂的成本。因此，這兩類探測(cè)器在短波紅外范圍內(nèi)應(yīng)用較少。

多種技術(shù)路線的短波紅外相機(jī)為工業(yè)與科研都帶來了新的視野，能夠幫助人們探查到人眼所見不到的領(lǐng)域，比如半導(dǎo)體晶圓的隱裂、塑料瓶液位檢測(cè)、水果淤傷檢測(cè)等。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，短波紅外探測(cè)器會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、更好的量子響應(yīng)效率，其低成本化趨勢(shì)也將讓短波紅外相機(jī)更容易進(jìn)入日常生活，讓普通大眾也可享受短波紅外技術(shù)給生活質(zhì)量帶來的改善。

友思特短波紅外相機(jī)產(chǎn)品

InGaAs短波紅外相機(jī)

友思特提供 1.3M、5M 分辨率的 CMOS 與 InGaAs 短波紅外相機(jī)，高分辨率與高量子響應(yīng)效率，多種接口選擇，滿足工業(yè)與科研需要。

鍺基短波紅外相機(jī)

BeyonSense 低成本迷你短波紅外相機(jī)，配置三腳架與鏡頭，靈活便攜，可無線連接電腦與手機(jī)，可用于簡(jiǎn)單的 SWIR 成像與科研應(yīng)用。

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審核編輯 黃宇