CMOS Lyhytaaltoinen Infrapunasensoreiden Sarja – Näkymättömän Tulkinta

Uudessa uusi tutkimus, tutkijat loivat uuden korkean suorituskyvyn SWIR-kuva-anturim, joka perustuu ei-myrkyllisiin kolloidisiin kvanttipisteisiin. Lyhytaaltoinen infrapuna tai SWIR on valon aallonpituusalue 900 nm – 2500 nm, joka on kaukana näkyvän valon spektristä (400–700 nm). SWIR-kuvantamiseen tarvitaan antureita, jotka pystyvät toimimaan tällä alueella. 

Vaikka perinteiset järjestelmät, jotka käyttävät varauskytkentäisiä laitteita (CCD) ja komplementaarisia metallinoksidi-semikonduktori (CMOS) kuva-antureita, voivat tallentaa kuvia näkyvän valon spektrissä melko tehokkaasti, SWIR-teknologiaa hyödyntävät voivat tallentaa kuvia syvemmillä infrapunan aallonpituuksilla. Tämä mahdollistaa järjestelmien nähdä yksityiskohtia jopa näkyvän spektrin ulkopuolella.

Pitkät aallonpituudet, jotka ylittävät näkyvät, voidaan havaita vain omistettujen antureiden avulla. Vaikka lyhytaaltoisen infrapunan (SWIR) valo on silmälle näkymätöntä, se vuorovaikuttaa kohteiden kanssa samalla tavalla kuin näkyvät aallonpituudet.

Kuten näkyvä valo, myös SWIR-valo heijastuu kohteista ja on heijastavaa valoa, minkä seurauksena kuvissa on varjoja ja kontrastia. Koska SWIR-kuvat eivät ole värillisiä vaan pelkästään mustavalkoisia, kohteet ovat helposti tunnistettavissa ja mahdollistavat yksilöllisen tunnistuksen. SWIR-kuvantaminen pystyy myös kuvaamaan lasin läpi.

SWIR:llä on siis suuri potentiaali sen pienen koon, alhaisen virrankulutuksen, korkean herkkyyden ja tarkkuuden sekä edullisten näkyvän spektrin linssien ansiosta, lisäksi se pystyy havaitsemaan piilotettuja majakoita ja laseja yön taivaan säteilyn valossa.

Sen vuoksi lyhytaaltoinen infrapuna-kuvantaminen mahdollistaa monia sovelluksia teollisuudessa ja tieteessä, kuten piisirun tarkastus, laser-säteen profilointi, lääketieteellinen kuvantaminen, konevision kuvantaminen, kemikaalien ja muovien tunnistus, maatalouden sensorit, valvontajärjestelmät ja hyperspektrinen kuvantaminen, lisäksi sitä käytetään väärennösten torjunnassa, kosteuden havaitsemisessa ja lajittelussa. Lisäksi sitä hyödynnetään kasvojentunnistussensoreissa matkapuhelimissa, kohteiden tunnistuksessa ja naamiointitunnistuksessa puolustuksessa sekä autonomisissa ajoneuvoissa varjoisissa ympäristöissä.

Tyypillisesti SWIR-kuvantamiseen käytetään InGaAs-antureita. InGaAs, eli indium-gallium-arsenidi, on seos, jota käytetään tiettyjen fotoniikkasovellusten puolijohteiden valmistuksessa. Näitä antureita käytetään sovelluksissa, jotka vaativat 900–1700 nm aallonpituuksia. Ne ovat kuitenkin kalliita ja kohtaavat haasteita korkeamman resoluution matriiseissa, lämpötilavaihteluihin herkkyydessä ja rajoitetussa spektrialueessa.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten laserit tulevat näyttelemään keskeistä roolia tulevina vuosikymmeninä.

Ei-myrkyllisiin kvanttipisteisiin perustuvat SWIR-kuva-anturit

Uusi tutkimus kehitti siis uuden ei-myrkyllisen kolloidisen kvanttipisteisiin perustuvan korkean suorituskyvyn SWIR-kuva-anturim. SWIR-herkkyydellä varustetut kuva-anturit voivat toimia luotettavasti myös haastavissa olosuhteissa, kuten sumussa, kirkkaassa auringonvalossa, hämyssä ja savussa, ja niiden kantama tarjoaa myös silmille turvallisen valonlähteen. Näin SWIR avaa mahdollisuuden määrittää materiaalien ominaisuuksia molekyylikuvantamisen avulla.

Kolloidipohjainen kvanttipiste (CQD) -kuva-anturitynologia tarjoaa lupaavan teknisen alustan tuottaa suurta volyymia varten yhteensopivia kuva-antureita lähi-infrapunaspektrissä.

Kvanttipisteet ovat ihmisen valmistamia pieniä hiukkasia tai nanoskaalaisia kristalleja, jotka löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1980 ja joilla on ainutlaatuisia sähköisiä ja optisia ominaisuuksia. Näihin kuuluu kyky kuljettaa elektroneja ja tuottaa erottuvia värejä. Nämä keinotekoisesti synteesatut puolijohdenanopartikkelit ovat kooltaan 2–10 nanometriä, noin 10–50 atomia läpimitassa, ja niitä käytetään laajasti, kuten aurinkokennoissa, LED- ja kiinteätilavalaistuksessa, näytöissä, fotovoltaiikassa, transistoreissa, erittäin nopeissa kaikki‑optisissa kytkimissä, loogisissa porteissa, fluoresoivassa biologisessa merkinnässä, kvanttilaskennassa, lääketieteellisessä kuvantamisessa, biosensoreissa ja muissa.

Viimeisin tutkimus julkaistiin Nature Photonics -lehdessä ja siihen osallistui ICFO:n (Institute of Photonic Sciences) tutkijoita, jotka tekevät kokeita klassisissa ja kvantti‑viestintäjärjestelmissä, sekä QURV, ICFO:n spin‑off, joka kehittää laajaa spektriä kattavia kuva-anturitynologioita parantaakseen tietokonevisio‑sovelluksia.

Tutkimus esitteli uuden menetelmän ei-myrkyllisten kolloidisten kvanttipisteiden valmistamiseksi, jotka ovat toimivia, korkealaatuisia ja integroitavissa CMOS‑tekniikkaan. CMOS on tänä päivänä laajimmin käytetty tekniikka siru‑ tai mikrosiruteollisuudessa integroitujen piirikorttien (IC) muodostamiseksi. Tätä puolijohdeteollisuutta käytetään uusimmissa CPU:issa ja älypuhelimissa.

Kun CQD:t integroidaan CMOS:iin, SWIR-alue on saavutettavissa, mutta SWIR-herkkiä kvanttipisteitä on vaikea muuttaa kaupallisesti käyttökelpoiseksi teknologiaksi. Tämä johtuu raskasmetallien, kuten lyijyn tai elohopean, läsnäolosta, jotka kuuluvat RoHS‑säädöksen (Restriction of Hazardous Substances) piiriin, eurooppalaisen asetuksen, joka rajoittaa näiden materiaalien käyttöä kuluttaja‑elektroniikassa.

Kun tiimi tutki tapoja synteettisesti valmistaa AgBiTe2‑ tai hopea‑bismutti‑teluridi‑nanokiteitä laajentaakseen AsBiS2‑tekniikan kattavuutta aurinkokennojen suorituskyvyn parantamiseksi, he saivat prosessin aikana sivutuotteena hopea‑teluridia (Ag2Te).

Ag2Te osoitti vahvaa kvantti‑rajoitettua absorptiota, samankaltaista kuin kvanttipisteillä, ja se on säädettävissä. Kun tiimi havaitsi hopea‑teluridin potentiaalin SWIR‑valodetektoreissa ja kuva-antureissa, he siirsivät fokuksen ja ponnistelut kehittämään uuden prosessin synteettisesti valmistaa fosfiinia sisältämättömiä versioita näistä Ag2Te‑kvanttipisteistä. Fosfiinin havaittiin aiheuttavan haitallisen vaikutuksen kvanttipisteiden optoelektronisiin ominaisuuksiin, jotka ovat olennaisia valodetektiolle.

Synteesiä varten Ag2Te‑tai hopea‑teluridi‑kvanttipisteitä ilman fosfiinia ja koon säädettävyyttä, tutkimus käytti uutta menetelmää, joka säilytti perinteisten raskasmetallivastaavien edut, ja loi perustan SWIR‑kolloidisten kvanttipisteiden teknologialle massatuotantoa varten.

Uudessa synteettisessä menetelmässä tutkijat käyttivät fosfiinittomia komplekseja, kuten hopea‑esiasteita ja telluuria. Tämä mahdollisti kvanttipisteiden valmistamisen tarkasti hallitulla kokojakaumalla ja eksitonisista huipuista laajalla spektrialueella. Nämä kvanttipisteet osoittivat merkittäviä suorituskykyjä. Verrattuna aiempaan fosfiinia sisältävään kvanttipisteiden valmistukseen, tiimi saavutti ennennäkemättömän tuloksen, jossa eksitonihuiput ulottuivat yli 1500 nm.

Käyttäen näitä fosfiinittomia kvanttipisteitä tiimi rakensi yksinkertaisen laboratoriotason valodetektorin lasialustalle, jonka päälle oli peitetty Indium Tin Oxide (ITO), yleinen standardi, arvioidakseen niiden ominaisuuksia ja suorituskykyä.

Tiimillä oli sitten “haastava tehtävä” kääntää laitteiston asennus, koska laboratoriomittakaavan laitteet toimivat valoa kohdistamalla alhaalta. Tutkimuksen yhteiskirjoittaja Yongjie Wang, ICFO:n postdoc-tutkija, totesi:

“CMOS‑integroiduissa CQD‑pinnoissa valo tulee ylhäältä, kun taas laitteen alareunan ottaa CMOS‑elektroniikka.”

Aluksi valodiodi osoitti heikkoa suorituskykyä SWIR‑valon havaitsemisessa, joten tiimi teki säätöjä lisätäkseen puskurikerroksen, mikä paransi suorituskykyä merkittävästi. Uudelleensuunnittelu tuotti SWIR‑valodiodin, jonka spektrialue oli 350–1600 nm. Samanaikaisesti lineaarinen dynaaminen alue ylitti 118 dB, ja -3 dB kaistanleveys ylitti 110 kHz. SWIR‑valodiodilla oli myös huoneenlämpötilassa havaintokykyä, jonka suuruusluokka oli 10^12 Jones.

“Parhaan tietämyksemme mukaan tässä raportoituja valodioideja on ensimmäistä kertaa toteutettu liuosprosessoinnilla, eivät-myrkyllisillä lyhytaaltoisilla infrapuna‑valodiodilla, jonka suorituskykyluvut ovat vertailukelpoisia muiden raskasmetallipitoisten vastineiden kanssa.”

– sanoi ICREA-professori ICFO:ssa, Gerasimos Konstantatos. 

Lisäksi hän sanoi:

“Nämä tulokset vahvistavat edelleen sen, että Ag2Te‑kvanttipisteet nousevat lupaavaksi RoHS‑yhteensopivaksi materiaaliksi edullisiin, korkean suorituskyvyn SWIR‑valodetektorisovelluksiin.”

SWIR-kuva-antureiden potentiaaliset todelliset käyttötapaukset

Kun ICFO:n tutkijat Lucheng Peng, Aditya Malla ja Wang, Konstantatosin johdolla, kehittivät menestyksekkäästi raskasmetallittoman kvanttipisteisiin perustuvan valodetektorin, he tekivät yhteistyötä Qurv:n tutkijoiden Stijn Goossensin, Yu Bin, Andres Blackin ja Julien Schreierin kanssa luodakseen SWIR-kuva-anturin.

Keskustellessaan korkean suorituskyvyn infrapuna‑valodetektorien ja ei-myrkyllisen kolloidisen kvanttipisteisiin perustuvan SWIR-kuva-anturin kehittämisestä huoneenlämpötilassa, tutkijat totesivat, että he integroiduivat uudelleensuunnitellun valodetektorin CMOS‑pohjaiseen ROIC:iin (read‑out integrated circuit, kameran pääkomponentti, joka sijaitsee valodetektorien takana) FPA:han.

Vahvistaakseen anturin toiminnan SWIR‑alueella, sitä testattiin ottamalla useita kuvia piisirun läpäisyvalosta. Tiimi pystyi myös näkemään muovipullojen sisällön, joka ei ollut havaittavissa näkyvän valon spektrissä.

Tämä ei kuitenkaan ole kaikki. Seuraavassa vaiheessa tiimi pyrkii parantamaan valodiodin suorituskykyä suunnittelemalla laitteen eri kerroksia. Lisäksi tutkijat aikovat tutkia uusia pintakemiaa hopea‑teluridi‑kvanttipisteille, jotta niiden suorituskykyä voidaan vahvistaa ja ympäristönkestävyys parantaa.

Tällä hetkellä sensorin kyky käyttää SWIR:ää edullisella tekniikalla kuluttaja‑elektroniikassa, Konstantatosin mukaan:

“Vapauttaa tämän spektrialueen potentiaalin laajalla sovellusvalikoimalla, mukaan lukien parannetut näköjärjestelmät autoteollisuudelle (autot), jotka mahdollistavat näön ja ajon haastavissa sääolosuhteissa.”

Autoteollisuuden sovellusten lisäksi hän totesi, että se voisi tarjota silmille turvallisen ikkunan, ilman taustavaloa sekä päivällä että yöllä, mahdollistaen näin LiDAR- ja 3D‑kuvantamisen lisätyn todellisuuden (AR) ja virtuaalitodellisuuden (VR) sovelluksissa.

Robotiikan alalla nämä anturit voivat olla erityisen hyödyllisiä kohteiden havaitsemisessa ja navigoinnissa, koska ne pystyvät tallentamaan kuvia tiettyjen materiaalien läpi ja heikossa valaistuksessa. Näin ne parantavat robotin ympäristön havaitsemista, mahdollistaen tehokkaamman navigoinnin. Lisäksi antureita voidaan käyttää esteiden välttämiseen jopa täydellisessä pimeydessä, mikä lisää turvallista navigointia.

Kehitys ja infrapunateknologioiden integrointi

FLIR Systems, joka on osa Teledyne Technologiesia, on yksi yritys, joka on työskennellyt infrapunateknologioiden, kuten SWIR‑antureiden, kehittämisen ja integroinnin parissa robotiikassa. Vuoden 2023 lopulla Teledyne esitteli ‘Black Recon’ -ajoneuvorekonnointijärjestelmän (VRS) Defence Security and Equipment International -messussa Lontoossa. 

Laitetta on kehitetty lähes viiden vuoden ajan, usein yhteistyössä Norjan puolustusministeriön kanssa, ja se on suunniteltu käynnistymään autonomisesti. Se lähettää reaaliaikaista kuvamateriaalia ja kohdistustietoja ajoneuvon miehistölle, ja sitä voidaan käyttää miinan etsintään, siltojen alla tapahtuvaan tarkastukseen sekä improvisoituihin räjähteisiin. Se tarjoaa myös tarkkaa tiedustelua, valvontaa ja kohteen havaitsemista, ja pystyy toimimaan GPS‑puuttuvissa operaatioissa. “Erittäin korkean” tarkkuuden varmistamiseksi laite käyttää omaa seurantajärjestelmää, jossa hyödynnetään LED‑tekniikkaa SWIR‑kameran kanssa.

Muita alalla johtavia yrityksiä ovat Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group ja Sony.

Nyt sähköajoneuvoissa (EV) SWIR-kuva-anturi voi parantaa niiden näköjärjestelmiä tarjoamalla luotettavaa kuvantamista, mikä mahdollistaa tehokkaamman ja turvallisemman ajon haastavissa olosuhteissa. Nämä anturit voivat myös edistää yövision järjestelmien kehittämistä ja auttaa tunnistamaan ja erottamaan kohteita eri valaistusolosuhteissa, mikä on hyödyllistä kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS), joita käytetään yhä enemmän autonomisissa ajoneuvoissa (AV) liikenneturvallisuuden parantamiseksi.

Anturiteknologiat autoteollisuudelle

Luminar Technologies on yritys, joka kehittää anturiteknologioita autoteollisuudelle, erityisesti LiDAR‑tekniikkaa. Yhdysvaltalainen LiDAR‑valmistaja aikoo lanseerata seuraavan viiden vuoden aikana miljoona Luminar‑varustettua autoa Kiinassa.

Julkisella yhtiöllä on markkina-arvo 1,657 miljardia dollaria, osakkeet kaupankäynnissä hintaan 3,23 dollaria, noin 3 % alhaisempi vuoden alusta. Yhtiön liikevaihto (TTM) on 58,791 miljoonaa dollaria, EPS (TTM) -1,50 ja P/E (TTM) -2,17.

Sillä välin Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group ja Hyundai Motor johtavat EV‑teollisuutta.

Lisätty todellisuus ja virtuaalitodellisuus

Nyt AR‑ ja VR‑maailmassa, jossa tarkka syvyysnäkökyky ja kohteiden tunnistus ovat olennaisia, nämä SWIR‑anturit voivat olla erittäin hyödyllisiä tarjoamaan immersiivisempiä AR‑ ja VR‑kokemuksia. Niitä voidaan käyttää myös kuvanlaadun ylläpitämiseen haastavissa ympäristöissä ja mahdollistamaan AR‑sovellusten asettaa digitaalista tietoa käyttäjän näkymään, vaikka kohteet eivät ole suoraan näkyvissä näkyvän valon spektrissä. Edullinen teknologia tarkoittaa, että SWIR‑kuva-antureiden integrointi kuluttajalaitteisiin voi tavoittaa laajan yleisön, luoden uusia sovelluksia ja kokemuksia.

Sony on merkittävä nimi AR‑maailmassa, joka hyödyntää kuva-antureita, mukaan lukien CMOS‑tekniikkaa. Muutama kuukausi sitten, Sony ilmoitti IMX992 SWIR-kuva-anturin, jossa on 5,32 tehokasta megapikseliä ja 3,45 μm pikselikoko teollisuuskäyttöön. Valon tehokkaaseen keräämiseen anturi sisältää optimoidun pikselirakenteen, joka mahdollistaa tarkkuuskuvanlaadun laajalla spektrillä. 

Markkina-arvo on 115 miljardia dollaria, SONY:n osakkeet kaupankäynnissä hintaan 91,22 dollaria. Yhtiön liikevaihto (TTM) oli 84,834 miljardia dollaria, EPS (TTM) 4,72, P/E (TTM) 19,33 ja ROE (TTM) 12,45 %. Sony maksaa myös osinkotuoton 0,61 %.

Muita merkittäviä nimiä tällä alalla ovat Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) ja Unity.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta lisätyn todellisuuden ja virtuaalitodellisuuden osakkeesta.

Päätelmä

Kuten näimme, CMOS‑SWIR‑antureiden herkkyys lyhytaaltoisen infrapunan valoon mahdollistaa kuvien tallentamisen perinteisten näkyvän valon antureiden ulkopuolella, mikä tekee niistä arvokkaita sovelluksissa, joissa läpinäkyvyys tiettyjen materiaalien läpi tai heikko valaistus on kriittistä.

Tällä tavoin se voi tarjota ennennäkemättömän suorituskyvyn ja luotettavuuden suurten volyymien, tietokonevision ensisijaisissa sovelluksissa eri teollisuudenaloilla, kuten autoteollisuudessa, palvelurobotisa, AR‑, VR‑ ja kuluttaja‑elektroniikkamarkkinoilla. Tulevaisuudessa, teknologian kehittyessä, näiden antureiden integrointi voi laajentua myös muihin alueisiin, kuten avaruustutkimukseen.