Ensemble de capteurs infrarouges CMOS à ondes courtes – Interpréter l'invisible

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont créé un nouveau capteur d'image SWIR haute performance basé sur des points quantiques colloïdaux non toxiques. L'infrarouge à ondes courtes ou SWIR est une bande de longueur d'onde de lumière comprise entre 900 nm et 2500 400 nm, bien au-delà du spectre visible qui s'étend entre 700 nm et XNUMX nm. L'imagerie SWIR nécessite des capteurs capables de fonctionner dans cette plage. 

Alors que les systèmes conventionnels utilisant des dispositifs à couplage de charge (CCD) et des capteurs d'images à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) peuvent capturer des images dans le spectre visible de la lumière de manière assez efficace, ceux qui exploitent la technologie SWIR peuvent capturer des images dans des longueurs d'onde plus profondes dans le spectre infrarouge. Cela permet aux systèmes de voir les détails même en dehors du spectre visible.

Les longueurs d'onde plus longues que celles visibles ne peuvent être vues que par des capteurs dédiés. Et bien que la lumière dans la région infrarouge à ondes courtes (SWIR) soit invisible à l’œil, cette lumière interagit avec les objets de la même manière que les longueurs d’onde visibles. 

Tout comme la lumière visible, la lumière SWIR rebondit sur les objets et est une lumière réfléchissante, et par conséquent, ses images présentent des ombres et du contraste. Étant donné que les images SWIR ne sont pas en couleur mais uniquement en noir et blanc, elles rendent les objets facilement reconnaissables et permettent une identification individuelle. L'imagerie SWIR a également la capacité d'imager à travers le verre.

Ainsi, SWIR a beaucoup de potentiel en raison de sa petite taille, de sa faible consommation, de sa sensibilité et de sa résolution élevées, de ses lentilles à spectre visible à faible coût, ainsi que de sa capacité à voir les balises et les lasers qui sont secrets et à la lumière du rayonnement du ciel nocturne. .

En tant que telle, l'imagerie infrarouge à ondes douces rend beaucoup de choses possibles dans les applications industrielles et scientifiques, notamment l'inspection de plaquettes de silicium, le profilage de faisceaux laser, l'imagerie médicale, l'imagerie de vision industrielle, la détection chimique et plastique, la détection agricole, les systèmes de surveillance et l'imagerie hyperspectrale. à être utilisé pour la lutte contre la contrefaçon, la détection de l'humidité et le tri. En outre, il trouve également son application dans les capteurs de reconnaissance faciale utilisés par les téléphones portables, pour l'identification de cibles et la détection de camouflage dans le cadre de la défense, ainsi que par les véhicules autonomes dans des environnements ombragés.

Généralement, les capteurs InGaAs sont utilisés en imagerie SWIR. L'InGaAs, ou arséniure d'indium et de gallium, est un alliage utilisé dans la fabrication de certains semi-conducteurs destinés à la photonique. Ces capteurs sont utilisés dans des applications nécessitant des longueurs d'onde comprises entre 900 et 1700 XNUMX nm. Cependant, ils sont coûteux et rencontrent des défis en ce qui concerne les réseaux à plus haute résolution, la sensibilité aux variations de température et la plage spectrale limitée.

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Capteurs d'image SWIR non toxiques basés sur des points quantiques

Ainsi, la nouvelle étude a développé un nouveau capteur d’image SWIR haute performance basé sur des points quantiques colloïdaux non toxiques. Les capteurs d'images dotés de la sensibilité SWIR peuvent non seulement fonctionner de manière fiable dans des conditions défavorables telles que le brouillard, la lumière du soleil, la brume et la fumée, mais leur portée fournit également une source d'éclairage sans danger pour les yeux. SWIR ouvre ainsi la possibilité de déterminer les qualités d’un matériau grâce à l’imagerie moléculaire. 

La technologie de capteur d’image basée sur les points quantiques colloïdaux (CQD) offre ici une plate-forme technologique prometteuse pour fournir des capteurs d’image compatibles à haut volume dans le proche infrarouge.

Les points quantiques sont de minuscules particules ou cristaux nanométriques fabriqués par l'homme, découverts en 1980. Ils présentent des propriétés électroniques et optiques uniques. Ils peuvent notamment transporter des électrons et produire des couleurs distinctives. Ces nanoparticules semi-conductrices, synthétisées artificiellement, mesurent entre 2 et 10 nanomètres, soit environ 10 à 50 atomes de diamètre. Elles sont utilisées dans un large éventail d'applications, notamment les cellules solaires, les LED et l'éclairage à semi-conducteurs, les écrans, le photovoltaïque, les transistors, les commutateurs tout optiques ultrarapides, les portes logiques, le marquage biologique fluorescent, l'informatique quantique, l'imagerie médicale, les biocapteurs, etc.

La dernière étude a été publiée dans Nature Photonics et a impliqué des chercheurs de l'ICFO, l'Institut des sciences photoniques, qui mène des expériences sur les systèmes de communication classiques et quantiques, et de QURV, qui est le spin-off de l'ICFO qui développe des technologies de capteurs d'images à large spectre pour permettre des applications de vision par ordinateur améliorées.

L’étude a présenté une nouvelle méthode de fabrication de points quantiques colloïdaux non toxiques, fonctionnels, de haute qualité et intégrables à la technologie CMOS. CMOS est la technologie la plus largement utilisée aujourd'hui dans le puce ou micropuce l’industrie pour former des circuits intégrés (CI). Cette technologie semi-conductrice est utilisée par les derniers processeurs et smartphones.

L'intégration des CQD au CMOS permet d'accéder à la gamme SWIR. Cependant, la transformation de ces points quantiques sensibles au SWIR en une technologie commerciale se heurte à un obstacle. Ceci est dû à la présence de métaux lourds comme le plomb ou le mercure, soumis à la réglementation RoHS (Restriction of Hazardous Substances), une directive européenne qui encadre l'utilisation de ces matériaux dans les applications électroniques grand public.

Alors que l'équipe explorait des moyens de synthétiser des nanocristaux d'AgBiTe2 ou de tellurure d'argent-bismuth afin d'étendre la couverture de la technologie AsBiS2 dans le but d'augmenter les performances des dispositifs photovoltaïques, ils ont acquis un sous-produit au cours du processus, qui était le tellurure d'argent (Ag2Te).

L'Ag2Te a démontré une forte absorption quantique confinée, similaire aux boîtes quantiques, et ajustable. Consciente du potentiel du tellurure d'argent pour les photodétecteurs et capteurs d'images SWIR, l'équipe a orienté ses efforts vers la conception d'un nouveau procédé de synthèse de versions sans phosphine de ces boîtes quantiques Ag2Te. Il a été constaté que la phosphine avait un effet néfaste sur les propriétés optoélectroniques des boîtes quantiques, importantes pour la photodétection.

Pour synthétiser des points quantiques d'Ag2Te ou de tellurure d'argent qui ne contiennent pas de phosphine et dont la taille est réglable, l'étude a utilisé une nouvelle méthode qui a également conservé les propriétés avantageuses de ses homologues traditionnels en métaux lourds, ce qui a jeté les bases de la technologie des points quantiques colloïdaux SWIR pour une production à grande échelle.

Dans la nouvelle méthode de synthèse, les chercheurs ont utilisé des complexes sans phosphine tels que des précurseurs d'argent et du tellure. Cela leur a permis d’obtenir des points quantiques avec une distribution de taille bien contrôlée et des pics excitoniques sur une très large gamme de spectre. Ces points quantiques ont montré des performances remarquables. Par rapport à la précédente fabrication de points quantiques utilisant des techniques à base de phosphine, l’équipe a obtenu un résultat sans précédent sous la forme de pics excitoniques distincts supérieurs à 1500 XNUMX nm.

À l’aide de ces points quantiques sans phosphine, l’équipe a ensuite créé un simple photodétecteur à l’échelle du laboratoire sur un substrat de verre recouvert d’oxyde d’indium et d’étain (ITO), qui est un standard courant, afin d’évaluer leurs propriétés et leurs performances. 

L'équipe a ensuite dû relever le défi de rétablir la configuration des dispositifs, car les appareils de laboratoire fonctionnent grâce à la lumière projetée par leur base. Yongjie Wang, co-auteur de l'étude et chercheur postdoctoral à l'ICFO, a souligné que :

"Pour les piles CQD intégrées CMOS, la lumière vient du haut, tandis que la partie inférieure de l'appareil est captée par l'électronique CMOS." 

La photodiode a initialement démontré de faibles performances en matière de détection de la lumière SWIR. L'équipe a donc procédé à des ajustements pour inclure une couche tampon, ce qui a considérablement amélioré ses performances. La refonte a abouti à une photodiode SWIR démontrant une plage spectrale de 350 nm à 1600 118 nm. Pendant ce temps, la plage dynamique linéaire a dépassé 3 dB et une bande passante de -110 dB a dépassé 1012 kHz. La photodiode SWIR avait également une détectivité à température ambiante de l'ordre XNUMX Jones.

"Au meilleur de nos connaissances, les photodiodes rapportées ici ont pour la première fois réalisé des photodiodes infrarouges à ondes courtes non toxiques, traitées en solution, avec des valeurs de mérite comparables à celles d'autres homologues contenant des métaux lourds."

– a déclaré Gerasimos Konstantatos, professeur à l’ICREA à l’ICFO. 

Ajoutant plus loin, il a déclaré :

"Ces résultats confirment en outre le fait que les points quantiques Ag2Te apparaissent comme un matériau prometteur conforme à la directive RoHS pour les applications de photodétecteurs SWIR à faible coût et hautes performances."

Cas d'utilisation potentiels des capteurs d'images SWIR dans le monde réel

Après que les chercheurs de l'ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla et Wang, dirigés par Konstantatos, aient développé avec succès un photodétecteur basé sur des points quantiques sans métaux lourds, ils ont collaboré avec les chercheurs du Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black et Julien Schreier pour créer un Capteur d'images SWIR.

S'exprimant sur le développement de photodétecteurs infrarouges hautes performances et d'un capteur d'image SWIR non toxique basé sur des points quantiques colloïdaux fonctionnant à température ambiante, les chercheurs ont noté qu'ils avaient ensuite intégré le photodétecteur repensé avec un ROIC basé sur CMOS (circuit intégré de lecture). est le composant principal des caméras et positionné derrière les photodétecteurs) FPA.

Pour prouver le fonctionnement du capteur dans le SWIR, plusieurs images de la transmission de wafers de silicium ont été prises sous la lumière. L'équipe a également pu observer le contenu de bouteilles en plastique, invisible dans le visible.

Mais ce n'est pas tout. Dans une prochaine étape, l'équipe souhaite améliorer les performances des photodiodes en modifiant les différentes couches du dispositif. De plus, les chercheurs prévoient d'étudier de nouvelles chimies de surface pour les points quantiques en tellurure d'argent afin non seulement d'améliorer leurs performances, mais aussi leur stabilité environnementale.

Pour l’instant, cependant, la capacité du capteur à accéder au SWIR avec une technologie peu coûteuse pour l’électronique grand public, selon Konstantatos :

« Libérera le potentiel de cette gamme spectrale avec une vaste gamme d’applications, notamment des systèmes de vision améliorés pour l’industrie automobile (voitures), permettant la vision et la conduite dans des conditions météorologiques défavorables. »

En plus des applications automobiles, il a noté qu'il pourrait également fournir une fenêtre de sécurité pour les yeux, sans lumière de fond, de jour comme de nuit, permettant ainsi l'imagerie LiDAR et 3D pour les applications de réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR) comme Bien.

Dans le domaine de la robotique, ces capteurs peuvent être particulièrement utiles pour la détection d'objets et la navigation en raison de leur capacité à capturer des images à travers certains matériaux et dans des conditions de faible luminosité. De cette façon, ils peuvent améliorer la perception de l’environnement pour les robots, leur permettant ainsi de s’y retrouver plus efficacement. De plus, ces capteurs peuvent également être utilisés pour éviter les obstacles même dans l’obscurité totale, contribuant ainsi à garantir une navigation sûre.

Développement et intégration de technologies infrarouges

FLIR Systems, filiale de Teledyne Technologies, est une entreprise qui travaille au développement et à l'intégration de technologies infrarouges comme les capteurs SWIR en robotique. Fin 2023, Teledyne a dévoilé le système de reconnaissance de véhicule (VRS) « Black Recon » lors du salon Defence Security and Equipment International de Londres. 

En développement depuis près de cinq ans, souvent en coopération avec le ministère norvégien de la Défense, l'appareil est conçu pour se lancer de manière autonome. Il renvoie des images en direct et des informations de ciblage aux équipages des véhicules et peut être utilisé pour détecter les mines, effectuer des inspections sous les ponts et des engins explosifs improvisés. Il se vante également d’une reconnaissance, d’une surveillance et d’une acquisition de cibles de haute précision et peut également effectuer des opérations refusées par GPS. Pour garantir une « très haute » précision, l’appareil utilise un système de suivi exclusif qui utilise la technologie LED avec une caméra SWIR.

Parmi les autres sociétés leaders dans ce domaine figurent Rockwell Automation, iRobot, ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group et Sony.

Désormais, dans les véhicules électriques (VE), le capteur d'image SWIR peut améliorer leurs systèmes de vision en fournissant une imagerie fiable pour permettre une conduite plus efficace et plus sûre dans des conditions défavorables. Ces capteurs peuvent également contribuer au développement de systèmes de vision nocturne et aider à reconnaître et à distinguer des objets dans différents scénarios d'éclairage, ce qui les rend utiles pour les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), de plus en plus utilisés dans les véhicules autonomes (AV) pour améliorer la sécurité routière. .

Technologies de détection pour l'industrie automobile

Luminar Technologies est une entreprise spécialisée dans les technologies de détection pour l'industrie automobile, notamment la technologie LiDAR. Ce fabricant américain de systèmes LiDAR prévoit de commercialiser un million de véhicules équipés de systèmes Luminar en Chine au cours des cinq prochaines années.

La société publique a une capitalisation boursière de 1.657 milliard et ses actions se négocient à 3.23 dollars, en baisse d'environ 3 % depuis le début de l'année. La société a un chiffre d'affaires (TTM) de 58.791 millions de dollars, un BPA (TTM) de -1.50 et un P/E (TTM) de -2.17.

Pendant ce temps, des sociétés comme Tesla, VW Group, GM, BMW Group et Hyundai Motor sont à la tête de l’industrie des véhicules électriques.

Réalité augmentée et réalité virtuelle

Aujourd'hui, dans le monde de la réalité augmentée et de la réalité virtuelle, où la perception précise de la profondeur et la reconnaissance des objets sont essentielles, ces capteurs SWIR peuvent s'avérer très utiles pour offrir des expériences de réalité augmentée et de réalité virtuelle plus immersives. Ils permettent également de maintenir la qualité d'image dans des environnements difficiles et permettent aux applications de réalité augmentée de superposer des informations numériques à la vue de l'utilisateur, même lorsque les objets ne sont pas directement visibles dans le spectre de la lumière visible. Grâce à leur faible coût, les capteurs SWIR intégrés aux appareils grand public peuvent être accessibles à un large public, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications et expériences.

Sony est un nom important dans le monde de la réalité augmentée qui utilise des capteurs d'imagerie, notamment la technologie CMOS. Il y a quelques mois, Sony a annoncé le capteur d'image IMX992 SWIR avec 5.32 mégapixels effectifs et une taille de pixel de 3.45 μm pour les équipements industriels. Pour capturer efficacement la lumière, le capteur est doté d’une structure de pixels optimisée qui permet une imagerie haute définition sur un large spectre. 

Avec une capitalisation boursière de 115 milliards de dollars, l'action SONY s'échange à 91.22 dollars. La société a enregistré un chiffre d'affaires (sur trois ans) de 84.834 milliards de dollars, un BPA (sur trois ans) de 4.72, un PER (sur trois ans) de 19.33 et un ROE (sur trois ans) de 12.45 %. Sony verse également un dividende de 0.61 %.

D'autres noms éminents dans ce domaine incluent Microsoft, Google, AMD, NVIDIA, Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms et Unity.

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Conclusion

Comme nous l'avons vu, la sensibilité des capteurs CMOS SWIR à la lumière dans le spectre infrarouge à ondes courtes leur permet de capturer des images au-delà de la portée des capteurs de lumière visible traditionnels, ce qui les rend précieux dans les applications où la visibilité à travers certains matériaux ou dans des conditions de faible luminosité est essentielle. 

De cette façon, il peut offrir des performances et une fiabilité sans précédent dans des applications à grand volume axées sur la vision par ordinateur dans différents secteurs tels que les marchés de l'automobile, de la robotique de service, de la réalité augmentée, de la réalité virtuelle et de l'électronique grand public. À l’avenir, à mesure que la technologie continue de progresser, l’intégration de ces capteurs pourra également s’étendre à d’autres domaines, comme l’exploration spatiale.