مجموعة حساسات الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة CMOS – تفسير ما لا يُرى

في دراسة جديدة،دراسة جديدة، أنشأ الباحثون حساس صور SWIR عالي الأداء يعتمد على نقاط كمية كولويدية غير سامة. الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة أو SWIR هي نطاق طول موجي للضوء يتراوح بين 900 نانومتر و2500 نانومتر، وهو أبعد بكثير من الطيف المرئي الذي يتراوح بين 400 نانومتر إلى 700 نانومتر. يتطلب تصوير SWIR حساسات قادرة على العمل في هذا النطاق. 

في حين أن الأنظمة التقليدية التي تستخدم أجهزة CCD (جهاز نقل الشحنة) وحساسات CMOS (مكملات أكسيد المعادن) يمكنها التقاط الصور ضمن الطيف المرئي للضوء بفعالية، فإن الأنظمة التي تستفيد من تقنية SWIR يمكنها التقاط الصور في أطوال موجية أعمق ضمن الطيف تحت الأحمر. وهذا يسمح للأنظمة برؤية التفاصيل حتى خارج الطيف المرئي.

الأطوال الموجية التي تتجاوز تلك المرئية لا يمكن رؤيتها إلا بواسطة حساسات مخصصة. وعلى الرغم من أن الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR) غير مرئي للعين، إلا أن هذا الضوء يتفاعل مع الأجسام بطريقة مشابهة للأطوال الموجية المرئية. 

مثل الضوء المرئي، ينعكس ضوء SWIR عن الأجسام وهو ضوء انعكاسي، وبالتالي ينتج عنه ظلال وتباين في صوره. وبما أن صور SWIR ليست ملونة بل بالأبيض والأسود فقط، فإن ذلك يجعل الأجسام سهلة التعرف عليها ويسمح بالتحديد الفردي. كما أن تصوير SWIR يمتلك القدرة على التصوير عبر الزجاج.

لذلك، يتمتع SWIR بإمكانات كبيرة بفضل حجمه الصغير، واستهلاكه المنخفض للطاقة، وحساسيته العالية ودقته، والعدسات منخفضة التكلفة للطيف المرئي، بالإضافة إلى القدرة على رؤية الإشارات والليزر المخفي في ضوء سماء الليل.

وبالتالي، يتيح تصوير الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة إمكانيات عديدة في التطبيقات الصناعية والعلمية، بما في ذلك فحص رقاقة السيليكون، وتحليل شعاع الليزر، والتصوير الطبي، وتصوير الرؤية الآلية، واستشعار المواد الكيميائية والبلاستيك، والاستشعار الزراعي، وأنظمة المراقبة، والتصوير الطيفي الفائق، بالإضافة إلى استخدامها في مكافحة التزوير، واكتشاف الرطوبة، والفرز. علاوة على ذلك، تُستَخدم في حساسات التعرف على الوجوه في الهواتف المحمولة، وللتعرف على الأهداف واكتشاف التمويه في الدفاع، وكذلك في المركبات الذاتية القيادة في البيئات المظللة.

عادةً ما تُستخدم حساسات InGaAs في تصوير SWIR. إن InGaAs، أو إنديوم غاليوم أرسينيد، هو سبيكة تُستَخدم في تصنيع بعض أشباه الموصلات لتطبيقات الفوتونيات. تُستخدم هذه الحساسات في التطبيقات التي تتطلب أطوال موجية في نطاق 900-1700 نانومتر. ومع ذلك، فهي مكلفة وتواجه تحديات فيما يتعلق بمصفوفات ذات دقة أعلى، وحساسية لتقلبات الحرارة، ونطاق طيفي محدود.

انقر هنا لتعرف كيف ستلعب الليزر دورًا محوريًا في العقود القادمة.

حساسات صور SWIR القائمة على نقاط كمية غير سامة

لذلك، طورت الدراسة الجديدة حساس صور SWIR عالي الأداء يعتمد على نقاط كمية كولويدية غير سامة. يمكن لحساسات الصور ذات حساسية SWIR أن تعمل بموثوقية تحت ظروف صعبة مثل الضباب، وضوء الشمس الساطع، والضبابية، والدخان، كما أن نطاقها يوفر مصدر إضاءة آمن للعينين. بهذه الطريقة، يفتح SWIR إمكانية تحديد خصائص المواد من خلال التصوير الجزيئي. 

توفر تقنية حساسات الصور القائمة على نقاط كمية كولويدية (CQD) منصة تقنية واعدة لتوفير حساسات صور متوافقة مع الإنتاج الضخم في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

النقاط الكمية هي جسيمات صغيرة صُنعت من قبل الإنسان أو بلورات نانوية تم اكتشافها لأول مرة في عام 1980 وتظهر خصائص إلكترونية وبصرية فريدة. تشمل هذه القدرة على نقل الإلكترونات وإنتاج ألوان مميزة. حجم هذه الجسيمات النانوية شبه الموصلة يتراوح بين 2 إلى 10 نانومتر، أي حوالي 10-50 ذرة في القطر، ولها مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الخلايا الشمسية، والصمامات الثنائية المضيئة (LEDs) والإضاءة الصلبة، والشاشات، والطاقة الضوئية، والترانزستورات، والمفاتيح البصرية الفائقة السرعة، وبوابات المنطق، والوسم البيولوجي الفلوري، والحوسبة الكمية، والتصوير الطبي، وأجهزة الاستشعار الحيوية، وغيرها.

نُشرت الدراسة الأخيرة في مجلة Nature Photonics وشملت باحثين من معهد ICFO للعلوم الضوئية، الذي يجري تجارب في أنظمة الاتصالات الكلاسيكية والكمية، ومن QURV، وهي شركة فرعية من ICFO تطور تقنيات حساسات صور واسعة الطيف لتمكين تطبيقات رؤية حاسوبية محسنة.

قدمت الدراسة طريقة جديدة لتصنيع نقاط كمية كولويدية غير سامة تكون وظيفية وعالية الجودة وقابلة للدمج مع تقنية CMOS. تُعد تقنية CMOS هي التقنية الأكثر انتشارًا اليوم في صناعة الرقاقة أو الميكرو رقاقة لتكوين الدوائر المتكاملة (ICs). تُستخدم هذه التقنية شبه الموصلة في أحدث المعالجات المركزية والهواتف الذكية.

من خلال دمج نقاط CQD مع CMOS، يمكن الوصول إلى نطاق SWIR، إلا أن هناك عائقًا أمام تحويل هذه النقاط الكمية الحساسة لـ SWIR إلى تقنية يمكن استخدامها تجاريًا. يعود ذلك إلى وجود معادن ثقيلة مثل الرصاص أو الزئبق، التي تخضع لتنظيمات قيود المواد الخطرة (RoHS)، وهو قرار أوروبي ينظم استخدام هذه المواد في التطبيقات الإلكترونية الاستهلاكية التجارية.

أثناء استكشاف الفريق لطرق تصنيع بلورات نانوية من AgBiTe2 أو سيلينيد البزموت الفضي لتوسيع تغطية تقنية AsBiS2 بهدف تحسين أداء الأجهزة الضوئية، حصلوا على منتج فرعي خلال العملية، وهو سيلينيد الفضة (Ag2Te).

أظهر Ag2Te امتصاصًا قويًا محصورًا كميًا، مشابهًا للنقاط الكمية، ويمكن ضبطه. عندما أدرك الفريق إمكانات سيلينيد الفضة لمستشعرات الضوء والصور في نطاق SWIR، حولوا تركيزهم وجهودهم لتطوير عملية جديدة لتصنيع إصدارات خالية من الفوسفين من هذه النقاط الكمية Ag2Te. وقد تبين أن الفوسفين يسبب تأثيرًا ضارًا على الخصائص الضوئية الإلكترونية للنقاط الكمية المتعلقة بالكشف الضوئي.

لتصنيع نقاط كمية من Ag2Te أو سيلينيد الفضة خالية من الفوسفين وقابلة لتعديل الحجم، استخدمت الدراسة طريقة جديدة حافظت أيضًا على الخصائص المفيدة للبدائل التقليدية التي تحتوي على معادن ثقيلة، مما وضع الأساس لتقنية النقاط الكمية الكولويدية لـ SWIR للإنتاج على نطاق واسع.

في الطريقة التركيبية الجديدة، استخدم الباحثون مركبات خالية من الفوسفين مثل سوابق الفضة والتيلوريوم. مكنهم ذلك من الحصول على نقاط كمية ذات توزيع حجم محكم وقمم إكسيتونية عبر نطاق واسع جدًا من الطيف. أظهرت هذه النقاط الكمية أداءً ملحوظًا. مقارنةً بتصنيع النقاط الكمية السابق باستخدام تقنيات تعتمد على الفوسفين، حقق الفريق إنجازًا غير مسبوق في شكل قمم إكسيتونية مميزة فوق 1500 نانومتر.

باستخدام هذه النقاط الكمية الخالية من الفوسفين، أنشأ الفريق بعد ذلك كاشف ضوئي بسيط على نطاق مختبري على ركيزة زجاجية مغطاة بأكسيد القصدير والإنديوم (ITO)، وهو معيار شائع، لتقييم خصائصها وأدائها. 

ثم واجه الفريق “مهمة صعبة” في عكس إعداد الجهاز حيث أن الأجهزة على نطاق المختبر تعمل بإضاءة الضوء من أسفلها. أشار مؤلف الدراسة المشارك يونغجيه وانغ، الباحث ما بعد الدكتوراه في ICFO، إلى أن:

“بالنسبة لتراكمات CQD المتكاملة مع CMOS، يأتي الضوء من الأعلى، بينما الجزء السفلي من الجهاز يُستَخدم من قبل إلكترونيات CMOS.” 

أظهر الفوتوديود في البداية أداءً منخفضًا في استشعار ضوء SWIR، لذا قام الفريق بإجراء تعديلات لإضافة طبقة عازلة، مما حسّن أدائه بشكل كبير. أدى إعادة التصميم إلى فوتوديود SWIR يُظهر نطاقًا طيفيًا من 350 نانومتر إلى 1600 نانومتر. في الوقت نفسه، تجاوز النطاق الديناميكي الخطي 118 ديسيبل، وتجاوز عرض النطاق الترددي -3 ديسيبل 110 كيلوهرتز. كما كان للفوتوديود SWIR حساسية عند درجة حرارة الغرفة من رتبة 10^12 جول.

“حسب علمنا، فإن الفوتوديودات المذكورة هنا هي الأولى التي حققت فوتوديودات تحت حمراء قصيرة الموجة غير سامة ومعالجة بالحل، وتتمتع بمقاييس أداء مماثلة للبدائل التي تحتوي على معادن ثقيلة.”

– قال البروفيسور في ICREA في ICFO، جيراسيموس كونستانتوس. 

وأضاف، قال:

“هذه النتائج تدعم أكثر حقيقة أن نقاط كمية Ag2Te تظهر كمواد واعدة متوافقة مع RoHS لتطبيقات كاشفات ضوئية SWIR منخفضة التكلفة وعالية الأداء.”

حالات الاستخدام الواقعية المحتملة لحساسات صور SWIR

بعد أن نجح باحثو ICFO لوتشينغ بنغ، أديتيا مالا، ووانغ، بقيادة كونستانتوس، في تطوير كاشف ضوئي قائم على نقاط كمية خالية من المعادن الثقيلة، تعاونوا مع باحثي Qurv ستاين جوسينس، يو بي، أندريس بلاك، وجوليان شراير لإنشاء حساس صور SWIR.

عند الحديث عن تطوير كاشفات تحت حمراء عالية الأداء وحساس صور SWIR قائم على نقاط كمية كولويدية غير سامة يعمل في درجة حرارة الغرفة، أشار الباحثون إلى أنهم دمجوا بعد ذلك الكاشف الضوئي المعاد تصميمه مع دائرة قراءة مدمجة (ROIC) تعتمد على CMOS (وهي المكوّن الرئيسي للكاميرات وتوضع خلف الكاشفات) FPA.

لإثبات عمل الحساس في نطاق SWIR، تم اختباره بأخذ عدة صور لنقل رقاقة السيليكون تحت الضوء. كما تمكن الفريق من رؤية محتوى زجاجات البلاستيك التي لم تكن مرئية في نطاق الضوء المرئي.

هذا ليس كل شيء، ومع ذلك. في الخطوة التالية، يهتم الفريق بتحسين أداء الفوتوديود من خلال هندسة الطبقات المختلفة للجهاز. علاوة على ذلك، يعتزم الباحثون دراسة كيمياء سطح جديدة لنقاط كمية سيلينيد الفضة ليس فقط لتعزيز أدائها بل أيضًا لتحسين استقرارها البيئي.

في الوقت الحالي، ومع ذلك، فإن قدرة الحساس على الوصول إلى نطاق SWIR بتقنية منخفضة التكلفة للإلكترونيات الاستهلاكية، وفقًا لكونستانتوس:

“ستطلق إمكانات هذا النطاق الطيفي مع مجموعة هائلة من التطبيقات بما في ذلك تحسين أنظمة الرؤية لصناعة السيارات (السيارات) مما يتيح الرؤية والقيادة تحت ظروف الطقس القاسية.”

بالإضافة إلى تطبيقات السيارات، أشار إلى أنه يمكن أن يوفر نافذة آمنة للعين، خالية من الضوء الخلفي في ظروف النهار والليل على حد سواء، وبالتالي تمكين تقنية LiDAR والتصوير ثلاثي الأبعاد لتطبيقات الواقع المعزز (AR) والواقع الافتراضي (VR).

في مجال الروبوتات، يمكن أن تكون هذه الحساسات مفيدة بشكل خاص للكشف عن الأجسام والملاحة بفضل قدرتها على التقاط الصور عبر مواد معينة وفي ظروف إضاءة منخفضة. بهذه الطريقة، يمكنها تعزيز إدراك البيئة للروبوتات، مما يسمح لها بالتنقل فيها بفعالية أكبر. علاوة على ذلك، يمكن استخدام هذه الحساسات لتجنب العقبات حتى في الظلام الكامل، مما يساعد على ضمان ملاحة آمنة.

تطوير وتكامل تقنيات الأشعة تحت الحمراء

FLIR Systems، التي هي جزء من Teledyne Technologies (TDY ) ، هي إحدى الشركات التي تعمل على تطوير وتكامل تقنيات الأشعة تحت الحمراء مثل حساسات SWIR في الروبوتات. في أواخر عام 2023، كشفت Teledyne عن نظام الاستطلاع ‘Black Recon’ للمركبات (VRS) في معرض الدفاع والأمن والمعدات الدولي في لندن. 

تم تطويره لمدة تقارب الخمس سنوات، غالبًا بالتعاون مع وزارة الدفاع النرويجية، تم تصميم الجهاز لإطلاقه بشكل ذاتي. يرسل صورًا مباشرة ومعلومات استهداف إلى طواقم المركبة ويمكن استخدامه لكشف الألغام، وإجراء فحوصات تحت الجسور، والأجهزة المتفجرة المرتجلة. كما يتميز بقدرات استطلاع دقيقة، ومراقبة، واكتساب أهداف، ويمكنه أيضًا تنفيذ عمليات بدون إشارة GPS. لضمان دقة “عالية جدًا”، يستخدم الجهاز نظام تتبع مملوك يعتمد على تقنية LED مع كاميرا SWIR.

تشمل الشركات الرائدة الأخرى في هذا المجال Rockwell Automation (ROK ) ، iRobot ، ABB، Yaskawa، Fanuc، Yamaha Motor، Midea Group، وSony.

الآن، في المركبات الكهربائية (EVs)، يمكن لحساس صور SWIR تحسين أنظمة الرؤية لديها من خلال توفير تصوير موثوق يتيح قيادة أكثر كفاءة وأمانًا تحت ظروف صعبة. يمكن لهذه الحساسات أيضًا المساهمة في تطوير أنظمة الرؤية الليلية ومساعدة على التعرف على الأشياء وتمييزها في سيناريوهات إضاءة مختلفة، مما يجعلها مفيدة لأنظمة المساعدة المتقدمة للسائق (ADAS) التي تُستخدم بشكل متزايد في المركبات الذاتية (AVs) لتعزيز سلامة الطرق.

تقنيات الاستشعار لصناعة السيارات

Luminar Technologies هي شركة تعمل على تقنيات الاستشعار لصناعة السيارات، خاصة تقنية LiDAR. تخطط شركة LiDAR الأمريكية لإطلاق مليون سيارة مزودة بتقنية Luminar في الصين خلال الخمس سنوات القادمة.

الشركة العامة لديها قيمة سوقية قدرها 1.657 مليار وتُتداول أسهمها بسعر 3.23 دولار، بانخفاض حوالي 3٪ منذ بداية العام. تمتلك الشركة إيرادات (TTM) قدرها 58.791 مليون دولار، وربحية السهم (EPS) (TTM) تبلغ -1.50، ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) يساوي -2.17.

في الوقت نفسه، تقود شركات مثل Tesla (TSLA ) ، مجموعة VW، GM، مجموعة BMW، وHyundai Motor صناعة المركبات الكهربائية.

الواقع المعزز والواقع الافتراضي

الآن، في عالم الواقع المعزز (AR) والواقع الافتراضي (VR)، حيث الإدراك الدقيق للعمق والتعرف على الأجسام أمر أساسي، يمكن أن تكون هذه الحساسات SWIR مفيدة جدًا لتوفير تجارب AR وVR أكثر غمرًا. يمكن استخدامها أيضًا للحفاظ على جودة الصورة في بيئات صعبة والسماح لتطبيقات AR بدمج المعلومات الرقمية على رؤية المستخدم حتى عندما لا تكون الأجسام مرئية مباشرة في الطيف الضوئي المرئي. كونها تقنية منخفضة التكلفة يعني أن دمج حساسات صور SWIR في الأجهزة الاستهلاكية يمكن أن يتيحها لجمهور واسع، مما يؤدي إلى تطبيقات وتجارب جديدة.

Sony هي اسم بارز في عالم AR يستخدم حساسات التصوير، بما في ذلك تقنية CMOS. قبل بضعة أشهر، أعلنت Sonyحساس صور IMX992 SWIR مع 5.32 ميغابكسل فعّال وحجم بكسل 3.45 ميكرومتر للمعدات الصناعية. لالتقاط الضوء بكفاءة، يأتي الحساس بهيكل بكسل مُحسّن يسمح بتصوير عالي الدقة عبر طيف واسع. 

مع قيمة سوقية قدرها 115 مليار دولار، تُتداول أسهم SONY بسعر 91.22 دولار. سجلت الشركة إيرادات (TTM) قدرها 84.834 مليار دولار وتملك ربحية السهم (EPS) (TTM) 4.72، ومعدل السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 19.33، والعائد على حقوق الملكية (ROE) (TTM) 12.45٪. كما تدفع Sony عائد توزيعات بنسبة 0.61٪.

تشمل الأسماء البارزة الأخرى في هذا المجال Microsoft (MSFT ) ، Google، AMD، NVIDIA (NVDA ) ، Samsung، AMD، Magic Leap، Meta Platforms (META ) ، وUnity.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم للواقع المعزز والواقع الافتراضي.

الخلاصة

كما رأينا، تسمح حساسات CMOS SWIR بحساسيتها للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة بالتقاط صور تتجاوز نطاق حساسات الضوء المرئي التقليدية، مما يجعلها ذات قيمة في التطبيقات التي تكون فيها القدرة على الرؤية عبر مواد معينة أو في ظروف إضاءة منخفضة أمرًا حاسمًا. 

بهذه الطريقة، يمكن أن تحقق أداءً وموثوقية غير مسبوقة في تطبيقات الرؤية الحاسوبية عالية الحجم في صناعات مختلفة مثل السيارات، الروبوتات الخدمية، AR، VR، وأسواق الإلكترونيات الاستهلاكية. في المستقبل، مع استمرار تقدم التكنولوجيا، يمكن أن يتوسع دمج هذه الحساسات إلى مجالات أخرى، مثل استكشاف الفضاء أيضًا.