QIS與QDIS的技術路線有何不同?

作者 : 趙娟,EDN China

我認為最大的性能突破在於在室溫下不需要利用電子雪崩效應實現精準的單光子探測和光子計數,在實現千萬高畫素的同時不影響功耗和畫幅幀數...

量子影像感測器(Quanta Image Sensor,QIS)開發業者Gigajot Technology日前發表首批QIS產品,不僅被譽為象徵著固態成像新時代的來臨,並有望取代傳統的CMOS影像感測器。

早在2011年,Gigajot聯合創辦人Eric Fossum剛發表量子感測器的研究時,即有人預測在5年內手機就會採用量子影像感測器,CMOS或將成為歷史,現在回過頭來看這個預測還是過於樂觀了一些。

針對消費級量子影像感測器,早在2017年,蘋果(Apple)即收購了號稱替代CMOS的量子薄膜攝影機業者InVisage Technology,試圖開發自家相機模組。雖然收購價並未被披露,但所獲得的融資總規模超過上億美元,突破當時的業界歷史記錄,投資者還包括中國泛海控股集團美國子公司。

InVisage是宣稱採用量子薄膜(Quantum Film)、而非矽材料來捕捉光線的影像感測器廠商,推出的是量子點影像感測器(Quantum dot images sensor;QDIS)。筆者恰巧在2015年代表EDN參觀InVisage在台灣的工廠,當時InVisage的感測器得到很大的關注,但在2017年被Apple收購後似乎就銷聲匿跡了。

雖然Apple始終沒有公開過相關的技術進展,但業界還是認為「Apple決定停止開發QDIS,因為它對於大規模生產來說太貴了。」一些蛛絲馬跡也驗證了該消息的可靠性,例如InVisage CEO在2017年7月到2019年1月之間在Apple從事了一段時間「特殊項目的併購整合」後,也離開了Apple。

自此量子薄膜攝影機就再也沒有任何消息。這是連Apple都放棄了的技術路線嗎?此次Gigajot推出的QIS是否是基於同樣的技術路線?這批商業化的QIS能否獲得商業市場的接納?

技術路線:QIS vs QDIS

EDN記者聯繫到了Gigajot技術長Jiaju Ma,他指出「我們做的QIS和Invisage所做的量子點(Quantum dot)是基於完全不同的技術概念。量子點的主要創新在於新材料與新製程,而我們的創新是基於CMOS傳統製程,但在半導體儀器和電路的設計上實現了革新與突破。」

【注:Gigajot由研究人員Saleh Masoodian (CEO)和Jiaju Ma (CTO)在美國新罕布夏州Dartmouth College的Thayer工程學院分拆出來後共同創立。Gigajot團隊早在2017年公司成立之前就發明並開發了QIS。】

關於QIS的概念早在2005年即已提出,但真正的研究則始於2011年Gigajot的創始團隊在Dartmouth College展開的博士研究。

Gigajot是第一家使QIS產品化的公司,但Ma仍然向EDN分享了在學術界其他做類似研究與開發的團隊,「例如瑞士EPFL團隊在做基於SPAD的QIS,荷蘭University of Delft有團隊在做相似概念的極低雜訊的影像感測器。近期在Hamamastu(日本濱松)也推出了類似QIS概念的相機產品。」

此次Gigajot推出QIS的一個重要的突破是,可以在室溫下實現精準光子計數。 Ma說:「我認為最大的性能突破在於室溫下不需要利用電子雪崩效應實現精準的單光子探測和光子計數,在實現千萬高畫素的同時,也不至於影響功耗和影格數。光子是光訊號的最小單元,能準確的計量光子代表在極暗光照條件下也能實現高品質的成像。」

以往,光子計數和可靠的光子數分辨(PNR),在高度受控的實驗室環境中只有利用深度製冷EMCCD技術才能部份實現,而現在Gigajot得以使用在室溫下工作的緊湊型量子相機來實現,並具有更高的解析度和速度。

針對這一突破,羅徹斯特理工學院探測器中心和未來光子計劃主任Don Figer的評價是:「在室溫下進行光子計數的能力,改變了我們在天體物理學和量子資訊科學方面的研究工作遊戲規則(game changer)。」

在判定QIS商用前景之前,我們先了解一下該技術原理。

什麼是量子影像感測器(QIS)

傳統的CMOS影像感測器透過使用光電二極體和光電晶體將入射光轉換為電訊號,然後這些訊號被放大並透過軟體轉換成畫素。傳統的影像感測器最大的缺點之一是感測器內部雜訊過大。

在低照度條件下,光子產生的電訊號極弱,從而會被感測器的內部雜訊覆蓋而無法被準確地呈現。

量子影像感測(Quanta Image Sensor,QIS)是不同的。

量子影像感測利用創新的半導體儀器設計在每個畫素中實現極小的輸出電容,從而盡可能地放大每個光子產生的電訊號。

由於這種極高的訊號放大率,與CMOS感測器相較,QIS的相對雜訊降低了5到10倍,從而在室溫條件下實現準確的單光子探測和光子數解析度。

圖1:QIS成像過程。QIS的基本成像原理由彩色濾波器陣列、光子帕松(Poisson)分佈、讀取雜訊和類比數位轉換器(ADC)組成。

QIS能以比其他CMOS技術更高的傳真度在更小的畫素架構中記錄低光環境。

QIS晶片中的最小單元稱為「映像點」(jots)——這或許也是Gigajot得名的原因,而不是「畫素」(pixels),每個映像點都可以探測到單個光子。

第一代QIS原型由Ma及Gigajot的創始團隊於2017年發表。但是,QIS之前僅限於實驗室設置。

此次推出的兩款影像感測器是世界上第一個可實現室溫光子計數的商用CMOS影像感測器。這些感測器聲稱具有業界領先的暗電流和讀取雜訊參數規範,這對低照度成像和高動態範圍成像至關重要。 

Gigajot QIS性能

這批基於CMOS的QIS採用Gigajot專利感測器結構和畫素設計,實現了低雜訊,從而能夠準確探測單個光子。在室溫下以全速工作狀態進行光子計數,並具有高動態範圍。

與傳統的小畫素CMOS影像感測器相較,這批QIS的讀出雜訊性能提升了5~10倍,可實現以往無法實現的超低照度成像,可以針對高性能成像應用,例如科學、醫療、國防、工業和航天。

1600萬畫素的GJ01611產品採用1.1微米畫素,實現室溫下0.19電子(e-)的讀出雜訊和0.09電子/畫素/秒(e-/pix/s)的暗電流,而另外一款400萬畫素GJ00422產品採用2.2微米畫素,實現0.27e-的讀出雜訊,單次曝光高動態範圍為100dB。

圖2:來自具有0.12 e-rms讀取雜訊和2.3e-/畫素平均訊號電平的畫素的光子計數直方圖,顯示出明顯離散的光電子數。感測器數據與理論帕松-高斯模型非常匹配。

利用先進的堆疊式CMOS背照式(BSI)感測器製程技術,QIS能夠在室溫下進行光子計數,而無需複雜的冷卻系統,能在更小的畫素尺寸下具有更高的靈敏度,並且比正面照明製造效率更高。

圖3:QIS產品在0.01lux的極低照度條件下彩色樣圖。圖片來自Ma等人。

此外,單次曝光高動態範圍減輕了由傳統的多曝光HDR技術產生的運動偽影。

Gigajot相機開發工具套件(QIS CDK)支援GJ01611和GJ00422兩款產品評估和相機開發。QIS CDK現已上市,具有SuperSpeed USB 3.0介面和用戶友善的軟體,並且外形小巧。

QIS CDK具有「開箱即用」的真正光子計數功能,可在數分鐘內完成設置,以進行評估或直接整合到客戶系統中。

量產、製程與目標應用

QIS現可小規模量產,採用TSMC stacked CMOS影像感測器製程。

QIS生產所用的製程與傳統的CIS十分類似,所以生產的成本並沒有差距。通常,產品價格還取決於具體的應用領域和生產量。

Ma表示,「半導體晶片的製造成本往往與產量直接掛鉤,目前推出的產品主要用於高性能小眾應用,因為較消費電子產量小,成本也較高,這一點與同級CIS產品類似。」

「那QIS會用於消費電子,如手機嗎?」這是我提出的最後一個問題。

Ma表示,「我認為最終QIS會用於民用消費電子,例如手機。現有的技術和性能可被轉化到民用級消費電子產品中,因為產量很大,成本自然會降低到與同級CIS類似,同時提供卓越的夜光照相和高動態範圍性能。」

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