Computación
Conjunto de Sensores CMOS de Infrarrojo de Onda Corta – Interpretando lo Invisible
En un nuevo estudio, los investigadores crearon un nuevo sensor de imagen SWIR de alto rendimiento basado en puntos cuánticos coloidales no tóxicos. El infrarrojo de onda corta o SWIR es una banda de longitud de onda de luz entre 900 nm y 2500 nm, muy más allá del espectro visible que abarca entre 400nm a 700nm. La imaginería SWIR requiere sensores capaces de operar en este rango.
Mientras que los sistemas convencionales que utilizan dispositivos de carga acoplada (CCD) y sensores de imagen de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) pueden capturar imágenes dentro del espectro visible de la luz de manera bastante eficaz, aquellos que aprovechan la tecnología SWIR pueden capturar imágenes en longitudes de onda más profundas dentro del espectro infrarrojo. Esto permite que los sistemas vean detalles incluso fuera del espectro visible.
Las longitudes de onda que son más largas que las visibles solo pueden ser detectadas por sensores dedicados. Y aunque la luz en la región del infrarrojo de onda corta (SWIR) es invisible al ojo, esta luz interactúa con los objetos de manera similar a las longitudes de onda visibles.
Al igual que la luz visible, la luz SWIR rebota en los objetos y es luz reflectante, y como resultado, presenta sombras y contraste en sus imágenes. Debido a que las imágenes SWIR no son en color sino solo en blanco y negro, facilitan el reconocimiento de objetos y permiten la identificación individual. La imaginería SWIR también tiene la capacidad de ver a través del vidrio.
Por lo tanto, SWIR tiene mucho potencial debido a su pequeño tamaño, bajo consumo, alta sensibilidad y resolución, y lentes de espectro visible de bajo costo, junto con la capacidad de detectar balizas y láseres que son encubiertos y en la radiación de la luz del cielo nocturno.
Como tal, la imaginería infrarroja de onda corta hace posible muchas cosas en aplicaciones industriales y científicas, incluyendo inspección de obleas de silicio, perfilado de haces láser, imaginería médica, visión artificial, detección química y de plásticos, detección agrícola, sistemas de vigilancia y imaginería hiperespectral, además de usarse para anti-falsificación, detección de humedad y clasificación. Además, también encuentra aplicación en sensores de reconocimiento facial usados por teléfonos móviles, para identificación de objetivos y detección de camuflaje en defensa, y por vehículos autónomos en entornos sombreados.
Normalmente, se utilizan sensores InGaAs en la imaginería SWIR. InGaAs, o arseniuro de indio y galio, es una aleación usada en la fabricación de ciertos semiconductores para aplicaciones fotónicas. Estos sensores se usan en aplicaciones que requieren longitudes de onda en el rango de 900-1700 nm. Sin embargo, son costosos y presentan desafíos en cuanto a matrices de mayor resolución, sensibilidad a variaciones de temperatura y rango espectral limitado.
Sensores de Imagen SWIR basados en Puntos Cuánticos No Tóxicos
Así, el nuevo estudio desarrolló un nuevo sensor de imagen SWIR de alto rendimiento basado en puntos cuánticos coloidales no tóxicos. Los sensores de imagen con sensibilidad SWIR pueden no solo operar de manera fiable bajo condiciones adversas como niebla, luz solar intensa, neblina y humo, sino que su rango también proporciona una fuente de iluminación segura para los ojos. De esta manera, SWIR abre la posibilidad de determinar las cualidades de los materiales mediante imaginería molecular.
La tecnología de sensores de imagen basada en puntos cuánticos coloidales (CQD) ofrece una plataforma tecnológica prometedora para proporcionar sensores de imagen compatibles con alta producción en el cercano infrarrojo.
Los puntos cuánticos son diminutas partículas o cristales a nanoescala creados por el ser humano que fueron descubiertos por primera vez en 1980 y presentan propiedades electrónicas y ópticas únicas. Esto incluye la capacidad de transportar electrones y producir colores distintivos. Estos nanopartículas semiconductoras sintetizadas artificialmente tienen un tamaño entre 2 y 10 nanómetros, aproximadamente 10-50 átomos de diámetro, y poseen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo células solares, LEDs y iluminación de estado sólido, pantallas, fotovoltaica, transistores, conmutadores ópticos ultrarrápidos, puertas lógicas, etiquetado biológico fluorescente, computación cuántica, imaginería médica, biosensores y más.
El estudio más reciente se publicó en Nature Photonics e involucró a investigadores de ICFO, el Instituto de Ciencias Fotónicas, que realiza experimentos en sistemas de comunicación clásica y cuántica, y QURV, que es la spin‑off de ICFO que desarrolla tecnologías de sensores de imagen de amplio espectro para habilitar aplicaciones de visión por computadora mejoradas.
El estudio presentó un nuevo método para fabricar puntos cuánticos coloidales no tóxicos que son funcionales, de alta calidad e integrables con la tecnología CMOS. CMOS es la tecnología más ampliamente utilizada hoy en día en la industria de chips o microchips para formar circuitos integrados (IC). Esta tecnología de semiconductores es usada por los últimos CPUs y teléfonos inteligentes.
Al integrar CQD con CMOS, se puede acceder al rango SWIR, aunque existe una barrera para transformar estos puntos cuánticos sensibles al SWIR en una tecnología que pueda usarse comercialmente. Esto se debe a la presencia de metales pesados como el plomo o el mercurio, que están sujetos a regulaciones por la Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS), una normativa europea que regula el uso de estos materiales en aplicaciones electrónicas de consumo comercial.
Mientras el equipo exploraba formas de sintetizar nanocristales de AgBiTe2 o telururo de bismuto y plata para ampliar la cobertura de la tecnología AsBiS2 con el fin de aumentar el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos, obtuvieron un subproducto durante el proceso, que fue telururo de plata (Ag2Te).
Ag2Te demostró una fuerte absorción cuántica confinada, muy similar a los puntos cuánticos, la cual es ajustable. Al darse cuenta del potencial del telururo de plata para fotodetectores e sensores de imagen SWIR, el equipo cambió su enfoque y esfuerzos para idear un nuevo proceso que sintetice versiones libres de fosfina de estos puntos cuánticos Ag2Te. Se descubrió que la fosfina tiene un efecto dañino sobre las propiedades optoelectrónicas de los puntos cuánticos relevantes para la fotodetección.
Para sintetizar puntos cuánticos de Ag2Te o telururo de plata que no contengan fosfina y cuya tamaño sea ajustable, el estudio utilizó un nuevo método que también conservó las propiedades ventajosas de los contrapartes tradicionales de metales pesados, lo que sentó las bases para la tecnología de puntos cuánticos coloidales SWIR para producción a gran escala.
En el nuevo método sintético, los investigadores usaron complejos libres de fosfina como precursores de plata y telurio. Esto les permitió obtener puntos cuánticos con una distribución de tamaño bien controlada y picos excitónicos en un rango muy amplio del espectro. Estos puntos cuánticos mostraron rendimientos notables. Comparado con la fabricación previa de puntos cuánticos usando técnicas basadas en fosfina, el equipo logró un hito sin precedentes en forma de picos excitónicos distintos por encima de 1500 nm.
Usando estos puntos cuánticos libres de fosfina, el equipo luego creó un fotodetector de escala de laboratorio simple sobre un sustrato de vidrio cubierto con óxido de indio y estaño (ITO), que es un estándar común, con el fin de evaluar sus propiedades y rendimiento.
El equipo luego tuvo una “tarea desafiante” de revertir la configuración del dispositivo ya que los dispositivos de escala de laboratorio operan iluminando desde su parte inferior. El coautor del estudio, Yongjie Wang, investigador postdoctoral en ICFO, señaló que:
“Para pilas de CQD integradas en CMOS, la luz proviene de la parte superior, mientras que la parte inferior del dispositivo es ocupada por la electrónica CMOS.”
El fotodiodo inicialmente mostró un bajo rendimiento en la detección de luz SWIR, por lo que el equipo realizó ajustes para incluir una capa intermedia, lo que mejoró su rendimiento significativamente. El rediseño resultó en un fotodiodo SWIR que demuestra un rango espectral de 350 nm a 1600 nm. Mientras tanto, el rango dinámico lineal superó los 118 dB, y el ancho de banda de -3 dB excedió los 110 kHz. El fotodiodo SWIR también tuvo una detectividad a temperatura ambiente del orden de 1012 Jones.
“Hasta donde sabemos, los fotodiodos reportados aquí han logrado por primera vez fotodiodos de infrarrojo de onda corta procesados en solución y no tóxicos con métricas comparables a las de otros contrapartes que contienen metales pesados.”
– dijo el Prof. ICREA en ICFO, Gerasimos Konstantatos.
Añadiendo más, él dijo:
“Estos resultados respaldan aún más el hecho de que los puntos cuánticos Ag2Te emergen como un material prometedor compatible con RoHS para aplicaciones de fotodetectores SWIR de bajo costo y alto rendimiento.”
Casos de Uso del Mundo Real de los Sensores de Imagen SWIR
Después de que los investigadores de ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla y Wang, liderados por Konstantatos, desarrollaran con éxito un fotodetector basado en puntos cuánticos libre de metales pesados, colaboraron con los investigadores de Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black y Julien Schreier para crear un sensor de imagen SWIR.
Al hablar del desarrollo de fotodetectores infrarrojos de alto rendimiento y de un sensor de imagen SWIR basado en puntos cuánticos coloidales no tóxicos que opera a temperatura ambiente, los investigadores señalaron que luego integraron el fotodetector rediseñado con un ROIC (circuito integrado de lectura) basado en CMOS (el circuito integrado de lectura es el componente principal de las cámaras y está ubicado detrás de los fotodetectores) FPA.
Para demostrar el funcionamiento del sensor en el SWIR, se probó tomando varias fotografías de la transmisión de obleas de silicio bajo la luz. El equipo también pudo ver el contenido de botellas de plástico que no era observable en el rango de luz visible.
Sin embargo, eso no es todo. En el siguiente paso, el equipo está interesado en mejorar el rendimiento del fotodiodo mediante la ingeniería de las diferentes capas del dispositivo. Además, los investigadores pretenden investigar nuevas químicas de superficie para los puntos cuánticos de telururo de plata con el fin de no solo amplificar su rendimiento sino también mejorar su estabilidad ambiental.
Por ahora, sin embargo, la capacidad del sensor para acceder al SWIR con una tecnología de bajo costo para electrónica de consumo, según Konstantatos:
“Desatará el potencial de este rango espectral con una enorme variedad de aplicaciones, incluyendo sistemas de visión mejorados para la industria automotriz (coches) que permiten la visión y conducción bajo condiciones climáticas adversas.”
Además de las aplicaciones automotrices, él señaló que también podría proporcionar una ventana segura para los ojos, libre de luz de fondo tanto de día como de noche, lo que permite el uso de LiDAR e imaginería 3D para aplicaciones de realidad aumentada (AR) y realidad virtual (VR).
En el campo de la robótica, estos sensores pueden ser particularmente útiles para la detección de objetos y la navegación debido a su capacidad de capturar imágenes a través de ciertos materiales y en condiciones de poca luz. De esta manera, pueden mejorar la percepción del entorno para los robots, permitiéndoles navegarlo de manera más eficaz. Además, estos sensores también pueden usarse para la evasión de obstáculos incluso en completa oscuridad, ayudando aún más a garantizar una navegación segura.
Desarrollo e Integración de Tecnologías Infrarrojas
FLIR Systems, que forma parte de Teledyne Technologies, es una empresa que ha estado trabajando en el desarrollo e integración de tecnologías infrarrojas como los sensores SWIR en robótica. A finales de 2023, Teledyne presentó el ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) en la exposición Defence Security and Equipment International en Londres.
En desarrollo durante casi cinco años, a menudo en cooperación con el Ministerio de Defensa de Noruega, el dispositivo está diseñado para lanzarse de forma autónoma. Envía imágenes en vivo e información de objetivo de regreso a las tripulaciones de los vehículos y puede usarse para la detección de minas, inspecciones bajo puentes y dispositivos explosivos improvisados. También cuenta con reconocimiento de alta precisión, vigilancia y adquisición de objetivos, y puede realizar operaciones sin GPS. Para garantizar una precisión “muy alta”, el dispositivo utiliza un sistema de seguimiento propietario que emplea tecnología LED con una cámara SWIR.
Otras empresas líderes en el sector incluyen Rockwell Automation, iRobot, ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group y Sony.
Ahora, en los Vehículos Eléctricos (EVs), el sensor de imagen SWIR puede mejorar sus sistemas de visión al proporcionar imágenes fiables que permitan una conducción más eficiente y segura bajo condiciones adversas. Estos sensores también pueden contribuir al desarrollo de sistemas de visión nocturna y ayudar a reconocer y distinguir objetos en diferentes escenarios de iluminación, lo que resulta beneficioso para los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), que se están utilizando cada vez más en vehículos autónomos (AVs) para mejorar la seguridad vial.
Tecnologías de Detección para la Industria Automotriz
Luminar Technologies es una empresa que trabaja en tecnologías de detección para la industria automotriz, especialmente la tecnología LiDAR. El fabricante estadounidense de lidar planea lanzar 1 millón de automóviles equipados con Luminar en China en los próximos cinco años.
(LAZR )
La empresa pública tiene una capitalización de mercado de 1.657 mil millones con sus acciones cotizando a $3.23, una caída de aproximadamente 3% en lo que va del año. La compañía tiene unos ingresos (TTM) de $58.791 millones, EPS (TTM) de -1.50, y P/E (TTM) de -2.17.
Mientras tanto, empresas como Tesla, VW Group, GM, BMW Group y Hyundai Motor lideran la industria de los EV.
Realidad Aumentada y Realidad Virtual
Ahora, en el mundo de AR y VR, donde la percepción precisa de profundidad y el reconocimiento de objetos son esenciales, estos sensores SWIR pueden ser muy beneficiosos para proporcionar experiencias AR y VR más inmersivas. También pueden utilizarse para mantener la calidad de imagen en entornos desafiantes y permitir que las aplicaciones AR superpongan información digital sobre la vista del usuario incluso cuando los objetos no son directamente visibles en el espectro de luz visible. Al ser una tecnología de bajo costo, la integración de sensores de imagen SWIR en dispositivos de consumo puede llevarlos a una amplia audiencia, generando nuevas aplicaciones y experiencias.
Sony es un nombre destacado en el mundo AR que utiliza sensores de imagen, incluida la tecnología CMOS. Hace unos meses, Sony anunció el sensor de imagen SWIR IMX992 con 5.32 megapíxeles efectivos y un tamaño de píxel de 3.45 μm para equipos industriales. Para capturar la luz de manera eficiente, el sensor cuenta con una estructura de píxeles optimizada que permite una imaginería de alta definición a lo largo de un amplio espectro.
(SONY )
Con una capitalización de mercado de $115 mil millones, las acciones de SONY cotizan a $91.22. La compañía reportó ingresos (TTM) de $84.834 mil millones y tiene EPS (TTM) de 4.72, P/E (TTM) de 19.33, y ROE (TTM) de 12.45%. Sony también paga un rendimiento de dividendo del 0.61%.
Otros nombres prominentes en este campo incluyen Microsoft, Google, AMD, NVIDIA, Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms y Unity.
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Conclusión
Como vimos, la sensibilidad de los sensores CMOS SWIR a la luz en el espectro de infrarrojo de onda corta les permite capturar imágenes más allá del rango de los sensores de luz visible tradicionales, lo que los hace valiosos en aplicaciones donde la visibilidad a través de ciertos materiales o en condiciones de poca luz es crítica.
De esta manera, pueden ofrecer un rendimiento y fiabilidad sin precedentes en aplicaciones de visión por computadora de alto volumen en diferentes industrias como la automotriz, la robótica de servicio, AR, VR y los mercados de electrónica de consumo. En el futuro, a medida que la tecnología continúe avanzando, la integración de estos sensores puede expandirse a otras áreas, como la exploración espacial, también.
