為什麼SWIR成像好用卻不常見?

作者 : IDTechEx

如果SWIR成像提供諸多優勢,為什麼並不常見?原來目前SWIR成像主要採用昂貴的砷化銦鎵(InGaAs )感測器——由於透過蒸汽沉積、低製造良率和有限的密度來生產InGaAs 層,其成本可能超過較現有標準矽光電探測器方案更大幅增加…

機器視覺(machine vision)的廣泛採用使得能夠探測到可見光譜之外光源的影像感測器變得越來越有用,因為其目的是增強人類的視力,而非加以複製。例如,對短波紅外光(short-wave infra-red;SWIR)光譜區域(從1000到2000nm)進行成像,可提供補充傳統相機功能等多種優勢。

為什麼要用SWIR成像?

SWIR區域最吸引的成像特性是較長的光波長之光散射減少,這種現象使得落日變紅,因為潮濕的霧氣在光線穿過大氣層的時會散射藍光。減少散射意味著車輛和無人機上的SWIR攝影機能夠透視霧和塵雲,從而大幅提高能見度,以便提高安全性。

SWIR成像的另一個好處是區分視覺上相似的材料,這些材料在可見區域可能具有類似的吸收(因此具有反射)光譜,但在SWIR區域中具有顯著差異。這種能力對於工業過程中的品質控制等應用非常有價值,例如,它使不需要的物品(如岩石和金屬)能夠在食品生產中被發現,以及分類回收利用。

其他好處包括對溫度在200℃到500℃之間的物品進行熱成像,以及能透視哪些對可見光不透明、但對SWIR透明的材料。矽就是一個很好的例子,能夠借助SWIR成像來檢查晶圓附件的品質。

為什麼SWIR不常見?怪InGaAs

如果SWIR成像提供了這麼多的好處,為什麼並不常見?答案是,目前短波紅外線(SWIR,1000-2000nm)成像主要採用昂貴的砷化銦鎵(InGaAs)感測器——這種感測器可以吸收高達1800nm左右的光。由於透過蒸汽沉積、低製造良率和有限的畫素密度來生產InGaAs層的費用,這些成本可能超過 10,000 美元,比起現有的標準矽光電探測器方案增加了材料消耗。

新興的SWIR影像感測技術

商業上理想的屬性和昂貴的現有技術相結合,為顛覆性的低成本替代方案創造了一個明顯的機會。因此,業界正在開發用於SWIR成像的多種競爭方法。

一種方法是透過增加矽光子的厚度和結構,將矽光子的靈敏度擴展到通常的 1000nm之外。由於這種「擴展矽」的方法可以利用現有的CMOS製造技術,因此它可能是一種耐用且成本相對較低的替代方案,非常適用於自動駕駛車輛和 先進駕駛輔助系統(ADAS)。然而,由於該技術基於矽,因此最適合檢測SWIR光譜區域下端的光線。

另一種方法,可能比「擴展矽」生產成本更高,但能在更長的波長下成像。該途徑使用混合結構,包括安裝在CMOS讀取積體電路(ROIC)上的量子點。量子點具有高度可調諧的吸收光譜,可以經由改變直徑加以控制,並可以吸收高達2000nm的光。這使得其在工業成像應用和潛在的高光譜成像方面特別具有發展前景。

下圖比較競爭的SWIR成像技術的技術和商業成熟度。

新興SWIR成像技術的技術和商業成熟度。(資料來源:IDTechEx – Emerging Image Sensor Technologies 2021-2031: Applications and Markets)

本文原刊登於EDN China網站,胡安編譯

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