Рішення, що знизить вартість інфрачервоного бачення

30.03.2020

Метью Дейл (Matthew Dale) вважає, що нові сенсорні технології, які засновані на квантових точках, дозволять знизити вартість приладів короткохвильової інфрачервоної візуалізації.

На малюнку Датчик камери Acuros CQD 1920 виробництва SWIR Vision Systems Inc.

У жовтні 2019 бельгійський науково-дослідний інститут Imec представив прототип тонкоплівкового монолітного датчика зображення, що здатний фіксувати випромінювання як у ближній інфрачервоній NIR, так і у короткохвильовій інфрачервоній SWIR областях довжин хвиль. Датчик складається з тонкоплівкових пікселів-фотодетекторів, які виконані у вигляді квантових точок з матеріалів, що мають вузькі заборонені зони, та розташованих безпосередньо на верхній частині кристалу електронного чіпу.

Технологія квантових датчиків - Датчиків Imec, є останньою новинкою у цій галузі, але американська SWIR Vision Systems вже зараз продає свої VIS-SWIR камери Acuros з колоїдними квантовими точками CQD і це потенційно може значно знизити ціну на прилади SWIR візуалізації.

Павел Маліновський (Pawel Malinowski), керівник програми тонкоплівкових матриць Imec, пояснив: "Перевага використання квантових точок для виготовлення датчиків полягає у тому, що на відміну від інших технологічних процесів, вам не потрібно вирощувати будь-який матеріал на пластинах. Натомість квантові точки можуть бути нанесені на пластини, а потім оброблені у технологічних процесах масового напівпровідникового виробництва, у цьому велика відмінність."

В даний час на ринку SWIR візуалізації переважають датчики, виготовлені з арсеніду індію галію InGaAs, напівпровідникового матеріалу, вирощеного по технології епітаксії на підкладках з фосфіду індію. Щоб сформувати електричні з'єднання між кожним фотодіодом та відповідною кремнієвою інтегральною схемою зчитування, два пристрої з'єднуються, по черзі по одному детектору, за допомогою з’єднання метал-метал. Цей процес, відомий як гібридизація, займає багато часу, коштує дорого, а також накладає обмеження на розмір пікселів, відстань між пікселями та роздільну здатність датчиків. Через це InGaAs камери мають в основному, лише за кількома винятками, роздільну здатність VGA. Крім того, через високу вартість їх виготовлення, ці камери часто вважаються занадто дорогими для більшості застосувань машинного зору.

З іншого боку, нові рішення для SWIR візуалізації, які засновані на квантових точках, можуть бути виготовлені монолітно на пластинах кремнію, і, отже, можуть вироблятись згідно масштабів та структури витрат промисловості для виробництва кремнієвих інтегральних схем. Крім того, SWIR датчики на квантових точках здатні досягати більш високої роздільної здатності, аж до рівня мегапікселю. Таким чином, вони мають потенціал перемістити SWIR візуалізацію із спеціалізованої ніші на широкі комерційні ринки.

Нанокристал чіткої візуалізації

Квантові точки - це нанокристали, які в залежності від їх розмірів мають різні властивості поглинання світла. Наприклад, частинки розміром приблизно 3 нм поглинають при 940 нм, тоді як частинки розміром близько 5,5 нм поглинають при 1450 нм. Піксельний стек нового датчика можна налаштувати на цільовий спектр від видимого світла аж до довжини хвилі 2 мкм.

"Зараз на ринку SWIR візуалізації не так вже й багато пропозицій, тому існує такий високий поріг ціни для придбання SWIR камери", - сказав Малиновський. "У багатьох застосуваннях машинного зору розробники не використовують SWIR, оскільки вони не можуть отримати підходящу камеру, тому ми сподіваємось, що зможемо на замовлення запропонувати SWIR візуалізацію за меншу ціну і тоді з’являться нові застосування."

Чітке зображення берегової лінії, отримане SWIR камерою при низькій видимості під час сильної зливи.
Джерело: SWIR Vision Systems

Маліновський згадує сільське господарство як одну із областей, що може отримати користь від нових SWIR датчиків, при використанні їх для оснащення роботів для збирання урожаю або для моніторингу вологості чи вологовмісту. Він також вважає, що датчики можуть бути інтегровані в камери смартфона або використані в таких застосуваннях, як доповнена реальність.
"Під час огляду їх можна використовувати для сортування харчових продуктів або пластмас, а також для ведення відеоспостереження при низькому освітленні з кращим контрастом", - сказав він. "Крім того, завдяки наявності можливості розрізнення у погану погоду чи дим, можна передбачити застосування у пожежних системах, та в майбутньому, у транспортних засобах для вдосконалення систем допомоги водію."

Перше покоління квантового датчика Імек має роздільну здатність 758 х 512 пікселів та крок пікселів 5 мкм. За словами Маліновського, мікросхеми другого покоління, які зараз тестуються, матимуть крок пікселів до 1,8 мкм. При цьому він зазначив, що типовий крок пікселів InGaAs датчика становить від 15 мкм до 20 мкм.

Маліновський заявив, що незважаючи на нижчу вартість виготовлення та більш високу роздільну здатність, яку можна досягти за допомогою нової сенсорної технології, квантова ефективність - ефективність реєстрації світла - буде становити лише від 30 до 40 відсотків; InGaAs датчики при цьому здатні забезпечити квантову ефективність від 80 до 90 відсотків. Він додав: "Я думаю, що InGaAs поки що залишатиметься неперевершеним щодо високої ефективності. Це не буде та сама історія, як CMOS порівняно з CCD, однак - завжди знайдеться місце і для квантових точок, і для InGaAs сенсорних технологій.

Imec планує представити свої перші активні NIR та SWIR датчики у корпусах на базі підкладки кристалу наступного року.

Комплектні камери

Технології SWIR візуалізації на основі квантових точок також доступні від американської компанії SWIR Vision Systems, яка продає свої VIS-SWIR камери Acuros з колоїдними квантовими точками (CQD) з 3 кварталу 2018 року. Камери доступні з роздільною здатністю 640 x 512 пікселів (VGA), 1280 х 1024 пікселів (1 мегапіксель) та 1920 х 1080 пікселів (Full HD), а останнім часом і з додаванням термоелектричного охолоджувача CQD-датчиків, для покращення співвідношення сигнал-шум.

"Попит на ці камери збільшується протягом 2019 року", - сказав Джордж Вілдеман (George Wildeman), генеральний директор SWIR Vision Systems, який зауважив, що модель 1920 x 1080 пікселів, яка має роздільну здатність в шість разів вище, ніж звичайний стандарт 640 x 512 пікселів InGaAs камери, є першим у своєму роді комерційно доступним. "Є кілька InGaAs камер високої роздільної здатності з сенсорними матрицями 1280 x 1024 пікселів, але це дуже велика вартість", - сказав він. "Величезний виклик масштабувати InGaAs камери на більші розміри матриць без великого збільшення їх ціни".

За словами Вілдемана, одним із основних ринків, де є потреба у використанні таких CQD камер з великою роздільною здатністю, це візуальний контроль кремнієвих мікросхем та кремнієвих пластин, де виробники хочуть виявляти дуже дрібні дефекти або тріщини на кремнієвих підкладках.

defects in semiconductor chip.jpg

Зображення SWIR високої роздільної здатності, які можуть бути зняті за допомогою датчиків з квантовими точками, можуть бути використані для ідентифікації дефектів у виробництві напівпровідникових мікросхем. Джерело: SWIR Vision Systems

Кремній прозорий для довжин хвиль SWIR. Наприклад, пара скріплених кремнієвих пластин може бути підсвічена зі зворотного боку SWIR світлом, щоб вирівняти мітки, а також перевірити наявність можливих дефектів. Це неможливо при видимому світлі для якого кремній непрозорий. "Наша пропозиція SWIR з роздільною здатністю Full HD якраз для цього підходить", - сказав Вілдеман.

Ще один напрямок, у якому очікується застосування SWIR камер з високою роздільною здатністю, - це морські знімки, де все можна буде бачити крізь імлу та інші погодні явища, що знижують видимість.

Крім того, Вілдеман очікує, що ця технологія буде представляти інтерес для профілювання лазерного променю, оптичного вирівнювання, перевірки розплавленого скла, вимірювання рівня заливки рідини та реставрації творів мистецтва. "Виявлення вологи у пиломатеріалах з деревини також є новим використанням цієї технології, якого ми спочатку не очікували", - додав він.

Подібно до Маліновського, Вілдеман вважає, що висока квантова ефективність InGaAs SWIR камер підтримуватиме домінування цієї технології у застосуваннях високого класу, крім тих, де є низька кількість фотонів - наприклад, нічне бачення. Однак SWIR Visions Systems виявила, що комбінація їхнього сенсора Full HD з інфрачервоним освітленням на основі LED або галогенових ламп здатна забезпечити отримання високоякісних зображень для більшості програм машинного зору.

Фірма планує у майбутньому перейти на пікселі менших розмірів - її перший розроблений продукт мав крок пікселя 15 мкм, а зараз компанія продемонструвала у лабораторії крок пікселя близько 3 мкм. Фірма також буде працювати над підвищенням квантової ефективності. "Квантова ефективність CQD датчиків не скоро досягне 70 відсотків, тому, ми очікуємо, що для InGaAs камер завжди знайдеться місце, особливо у менш чутливих до витрат застосуваннях", - сказав Вілдеман.

Крім того, SWIR Vision Systems працює над камерами з більш широким спектральним діапазоном. Їх камери Acuros вже охоплюють весь діапазон видимого світла та діапазон SWIR одним датчиком - від 400 нм до 1700 нм. Тепер вони розширять спектральний діапазон за межі 2 мкм, що, за словами Вілдемана, відкриє нові можливості для застосування, наприклад, у хімічному детектуванні, сортуванні пластиків, гіперспектральній візуалізації, виявленні метану та виявленні мінералів.

Підсилені графеном детектори
До камер Acuros на ринку незабаром приєднається ще один датчик VIS-SWIR з використанням квантових точок від компанії Emberion, фірми, що базується у Фінляндії та Великобританії.

Перші зразки датчика, який має роздільну здатність VGA, крок пікселя 20 мкм, частоту кадрів 100 кадрів/сек. та спектральний діапазон від 400 нм до 2000 нм, будуть доступні в червні 2020 року.
"Цей широкий спектральний діапазон є ключовою перевагою, яку має наш датчик перед стандартними InGaAs датчиками, діапазон яких зазвичай складає від 900 нм до 1700 нм", - сказав Юрі Хямяляйнен (Jyri Hämäläinen), директор з продажу та маркетингу Emberion. «Більше 1700 нм зазвичай виявляється датчиками, які називають "розширеним InGaAs", і саме тут InGaAs технологія стає дуже дорогою. У порівнянні з ними, наш датчик набагато доступніший, хоча детектує ті ж довжини хвилі."

Компанія Emberion з новим датчиком орієнтована як на монохроматичне машинне бачення, так і на виробників гіперспектральних камер - особливо тих, у кого клієнти бажають отримувати зображення у більш широкому спектральному діапазоні, ніж вони можуть досягти на даний момент. "Ми вважаємо, що цей датчик буде цікавим також тим, хто працює у видимому діапазоні довжин хвиль, і які хочуть експериментувати з іншими довжинами хвиль", - додав Хямяляйнен.

Хоча новий датчик буде доступним як окремий продукт, Emberion прагне запропонувати цю технологію як повне ядро камери, що включає всю необхідну електроніку та з'єднання, щоб забезпечити виробникам камер та інтеграторам швидший та простіший спосіб інтеграції технології у свої продукти.

Тестові зображення печива, отриманих за допомогою камери для видимого світла (ліворуч) і за допомогою Imec QD камери SWIR на основі квантових точок на 1450 нм (праворуч). На нижньому печиві була крапля води, нанесена на його поверхню, яку можна розрізнити лише за допомогою SWIR датчика. Джерело: Imec

Що відрізняє цей новий пристрій від інших технологій візуалізації на основі квантових точок, це те, що Emberion для покращення характеристик фотодіодів використали графен, що значно підвищило чутливість фотодіодів. "Підсилені графеном фотодіоди забезпечують чудову чутливість і дуже низький рівень шуму", - сказав Хямяляйнен.

Emberion отримав фінансування на розвиток цієї технології як партнер флагманської програми Graphene, дослідницької ініціативи ЄС на 1 мільярд євро, що має на меті перенести графен з лабораторій на ринок. Хямяляйнен зауважив, що графен є новим матеріалом у візуалізації, і що в даний час він не знає про будь-яку іншу комерційну діяльність, яка передбачає використання графену в датчиках машинного зору.

Залежно від відгуків клієнтів, які отримає Emberion після запуску своєї технології, фірма може вирішити розробити свій датчик більш високої роздільної здатності. "Роздільна здатність у мегапіксель може бути варіантом, але це залежатиме від попиту клієнтів", - сказав Хямяляйнен. "Ми також будемо працювати над збільшенням швидкодії та ще більшим розширенням спектрального діапазону, якщо саме це буде потрібно кінцевим споживачам."

Завдяки здатності датчика детектувати випромінювання з довжиною хвилі понад 1700 нм, його можна буде застосовувати для сортування пластиків, що мають спектральні піки в цій області. Крім того, вуглеводні в деяких продуктах харчування також мають тут спектральні піки, тобто датчик може мати застосування і в сільськогосподарській галузі. "Хоча ці застосування можуть використовувати розширену технологію InGaAs, великі витрати, пов’язані з цим, часто призводять до того, що кінцеві користувачі знаходять альтернативні рішення, які вирішують цю проблему", - коментує Хямяляйнен. "Отже, наш датчик може давати можливість цим кінцевим користувачам звертатися до таких застосувань, не потребуючи альтернативи. Ми бачимо, що тут безумовно є інтерес".

Як додатковий проект, протягом наступних кількох років Emberion також буде працювати над розробкою широкосмугового датчика візуалізації, що зможе охоплювати все, від видимого світла до довгохвильового інфрачервоного випромінювання.
За словами Хямяляйнена, перші дослідні зразки цієї технології вже існують. "Ми віримо, що це принесе абсолютно інший вимір у отримання зображеннь, включаючи нові можливості в машинному зорі", - зауважив він. "Ми хочемо почути від компаній, які були б зацікавлені в цій технології, щоб вони сказали нам, що їм потрібно, і тоді ми можемо спрямувати свої зусилля на досягнення необхідних характеристик."

Новий погляд на короткохвильові інфрачервоні світлодіоди

У трирічному дослідницькому проекті, проведеному з Французьким інститутом оптики, фірма Effilux, що виробляє джерела світла для машинного зору, також із Франції, розробила світлодіодне джерело SWIR випромінювання, яке, за їх словами, усуває недоліки серійних SWIR світлодіодів на ринку.

Арно Местів'є (Arnaud Mestivier), менеджер з продажу Effilux, пояснив, що незважаючи на переваги світлодіодів - тривалий термін експлуатації, надійність і менше розсіювання тепла - ті з них, що забезпечують SWIR освітлення, випромінюють меншу потужність і коштують дорожче, ніж стандартні світлодіоди. У той час, як світлодіоди видимого діапазону випромінюють близько 1 Вт оптичної потужності, світлодіоди SWIR діапазону випромінюють лише приблизно від 20 до 50 мВт. Тому за словами Местів'є, самим дешевим рішенням для SWIR освітлення, що здатне забезпечити найбільшу оптичну потужність, раніше були галогенові лампи, які забезпечують у 100 разів більшу оптичну потужність, ніж SWIR світлодіоди.

Однак зараз, у результаті спільного дослідницького проекту, Effilux та Французький інститут оптики розробили SWIR світлодіодне джерело високої оптичної потужності. За словами Местів'є, технологія зберігає всі переваги світлодіодів над галогенними лампами, але при цьому забезпечує також значне підвищення потужності і гнучкість у випромінюванні як високо сфокусованих SWIR променів, так і рівномірного SWIR освітлення великої площі.

Нове джерело використовує недорогі світлодіоди, що випромінюють на 940 нм, для накачування кристалу, який випромінює вже на 1550 нм, який - за аналогічною ціною - випромінює в 10 разів більше світла, ніж SWIR світлодіод на 1550 нм. Крім того, Местів'є заявив, що один чіп цієї технології здатен випромінювати світловий потік, порівняний з галогеновою лампою потужністю 50 Вт.
Як результат, багато дорогих SWIR світлодіодів тепер можна буде замінити одним SWIR чіпом високої оптичної потужності, що призведе до зниження витрат виробників систем, які потребують SWIR освітлення.

Такий світлодіодний чіп забезпечує приблизно 50000 годин роботи, високу стабільність і надійність, швидкий імпульсний режим, компактний розмір, відсутність надмірного нагріву та низьке енергоспоживання. При цьому, він повністю безпечний для очей.

Джерело: Imaging & Machine Vision Europe

Пов'язані товари

Повернутися