Ensemble de capteurs CMOS à infrarouge 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 longueurs d’onde de lumière entre 900 nm et 2500 nm, bien au‑delà du spectre visible qui s’étend de 400 nm à 700 nm. L’imagerie SWIR nécessite des capteurs capables de fonctionner dans cette gamme. 

Alors que les systèmes conventionnels utilisant des dispositifs à transfert de charge (CCD) et des capteurs d’image à semi-conducteur 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 à des longueurs d’onde plus profondes du spectre infrarouge. Cela permet aux systèmes de voir des détails même en dehors du spectre visible.

Les longueurs d’onde supérieures à celles du visible ne peuvent être perçues que par des capteurs dédiés. Et bien que la lumière dans la région de l’infrarouge à ondes courtes (SWIR) soit invisible à l’œil, elle interagit avec les objets de manière similaire aux longueurs d’onde visibles. 

Tout comme la lumière visible, la lumière SWIR rebondit sur les objets et constitue une lumière réfléchie, ce qui crée des ombres et du contraste dans ses images. 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 possède également la capacité de voir à travers le verre.

Ainsi, le SWIR possède un grand potentiel grâce à sa petite taille, sa faible consommation, sa haute sensibilité et résolution, ainsi que ses lentilles à spectre visible à faible coût, en plus de la capacité de détecter des balises et des lasers qui sont discrets et dans la radiance du ciel nocturne.

Ainsi, l’imagerie infrarouge à ondes courtes rend possible de nombreuses applications industrielles et scientifiques, notamment l’inspection de plaquettes de silicium, le profilage de faisceaux laser, l’imagerie médicale, la vision industrielle, la détection chimique et plastique, la détection agricole, les systèmes de surveillance et l’imagerie hyperspectrale, en plus d’être utilisée pour la lutte contre la contrefaçon, la détection d’humidité et le tri. De plus, elle trouve également son utilité dans les capteurs de reconnaissance faciale des téléphones portables, pour l’identification de cibles et la détection de camouflage dans la défense, ainsi que dans les véhicules autonomes évoluant dans des environnements ombragés.

Typiquement, les capteurs InGaAs sont utilisés en imagerie SWIR. L’InGaAs, ou arsenure d’indium et de gallium, est un alliage utilisé dans la fabrication de certains semi-conducteurs pour les applications photoniques. Ces capteurs sont employés dans des applications nécessitant des longueurs d’onde de 900 à 1700 nm. Cependant, ils sont coûteux et rencontrent des défis concernant les matrices à haute résolution, la sensibilité aux variations de température et la gamme spectrale limitée.

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Capteurs d’image SWIR à base de points quantiques non toxiques

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’image sensibles au SWIR peuvent non seulement fonctionner de manière fiable dans des conditions défavorables telles que le brouillard, le soleil éclatant, le brouillard atmosphérique et la fumée, mais leur gamme fournit également une source d’illumination sûre pour les yeux. De cette façon, le SWIR ouvre la possibilité de déterminer les propriétés des matériaux grâce à l’imagerie moléculaire. 

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

Les points quantiques sont de minuscules particules artificielles ou cristaux nanométriques découverts pour la première fois en 1980 et présentent des propriétés électroniques et optiques uniques. Cela inclut la capacité de transporter des électrons et de produire des couleurs distinctives. Ces nanoparticules semi-conductrices synthétisées artificiellement mesurent entre 2 et 10 nanomètres, soit environ 10 à 50 atomes de diamètre, et possèdent une large gamme d’applications, notamment les cellules solaires, les LED et l’éclairage à semi-conducteur, les écrans, le photovoltaïque, les transistors, les commutateurs tout-optique ultra-rapides, les portes logiques, le marquage biologique fluorescent, l’informatique quantique, l’imagerie médicale, les biocapteurs, et bien plus encore.

La dernière étude a été publiée dans Nature Photonics et a impliqué des chercheurs d’ICFO, l’Institut des Sciences Photoniques, qui mène des expériences sur les systèmes de communication classiques et quantiques, ainsi que de QURV, la spin‑off d’ICFO qui développe des technologies de capteurs d’image à large spectre afin de 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. Le CMOS est la technologie la plus largement utilisée aujourd’hui dans l’industrie du puce ou micro‑puce pour former des circuits intégrés (CI). Cette technologie semi‑conductrice est utilisée par les derniers processeurs et smartphones.

En intégrant les CQD au CMOS, la gamme SWIR devient accessible, bien qu’il existe un obstacle à la transformation de ces points quantiques sensibles au SWIR en une technologie commercialisable. Cela est dû à la présence de métaux lourds tels que le plomb ou le mercure, qui sont soumis aux réglementations de la Restriction of Hazardous Substances (RoHS), une législation européenne qui régule l’utilisation de ces matériaux dans les applications électroniques grand public commerciales.

Alors que l’équipe explorait des méthodes pour synthétiser des nanocristaux d’AgBiTe2 ou de tellurure d’argent et de bismuth afin d’étendre la couverture de la technologie AsBiS2 dans le but d’augmenter les performances des dispositifs photovoltaïques, elle a obtenu un sous‑produit au cours du processus, à savoir le tellurure d’argent (Ag2Te).

Le Ag2Te a montré une absorption fortement confinée quantiquement, similaire aux points quantiques, et réglable. Lorsque l’équipe a réalisé le potentiel du tellurure d’argent pour les photodétecteurs et capteurs d’image SWIR, elle a réorienté son attention et ses efforts afin de concevoir un nouveau procédé de synthèse de versions sans phosphine de ces points quantiques Ag2Te. La phosphine s’est avérée avoir un effet néfaste sur les propriétés optoélectroniques des points quantiques pertinentes pour la photodétection.

Pour synthétiser des points quantiques d’Ag2Te ou de tellurure d’argent dépourvus de phosphine et dont la taille est réglable, l’étude a utilisé une nouvelle méthode qui a également conservé les propriétés avantageuses des homologues traditionnels à métaux lourds, posant ainsi les bases de la technologie de points quantiques colloïdaux SWIR pour la 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 du spectre. Ces points quantiques ont montré des performances remarquables. Comparé à la fabrication précédente de points quantiques utilisant des techniques à base de phosphine, l’équipe a réalisé une avancée sans précédent sous la forme de pics excitoniques distincts au‑delà de 1500 nm.

En utilisant ces points quantiques sans phosphine, l’équipe a ensuite créé un photodétecteur simple à l’échelle du laboratoire sur un substrat en verre recouvert d’oxyde d’indium-étain (ITO), qui est une norme courante, afin d’évaluer leurs propriétés et performances. 

L’équipe a ensuite eu une « tâche difficile » de renverser la configuration du dispositif, car les appareils à l’échelle du laboratoire fonctionnent en éclairant la lumière depuis le bas. Le co‑auteur de l’étude, Yongjie Wang, chercheur post‑doctoral à l’ICFO, a noté que:

« Pour les piles CQD intégrées au CMOS, la lumière provient du haut, tandis que la partie inférieure du dispositif est occupée par l’électronique CMOS. » 

Le photodiode a d’abord montré une faible performance dans la détection de la lumière SWIR, ainsi l’équipe a apporté des ajustements en incluant une couche tampon, ce qui a considérablement amélioré ses performances. La refonte a abouti à un photodiode SWIR présentant une gamme spectrale de 350 nm à 1600 nm. Par ailleurs, la plage dynamique linéaire a dépassé 118 dB, et la bande passante à -3 dB a dépassé 110 kHz. Le photodiode SWIR affichait également une détectivité à température ambiante de l’ordre de 10^12 Jones.

« À notre connaissance, les photodiodes présentées ici ont, pour la première fois, réalisé des photodiodes à infrarouge à ondes courtes non toxiques traités par solution, avec des figures de mérite comparables à celles des homologues contenant des métaux lourds. »

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

En ajoutant, il a déclaré:

« Ces résultats soutiennent davantage le fait que les points quantiques Ag2Te apparaissent comme un matériau conforme RoHS prometteur pour des applications de photodétecteurs SWIR à faible coût et haute performance. »

Cas d’utilisation réels potentiels des capteurs d’image SWIR

Après que les chercheurs d’ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla et Wang, dirigés par Konstantatos, aient développé avec succès un photodétecteur à base de points quantiques sans métaux lourds, ils ont collaboré avec les chercheurs de Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black et Julien Schreier pour créer un capteur d’image SWIR.

En parlant du développement de photodétecteurs infrarouges haute performance et d’un capteur d’image SWIR à base de points quantiques colloïdaux non toxiques fonctionnant à température ambiante, les chercheurs ont indiqué qu’ils ont ensuite intégré le photodétecteur repensé avec un ROIC (circuit intégré de lecture) basé sur CMOS (composant principal des caméras et placé derrière les photodétecteurs) FPA.

Pour prouver le fonctionnement du capteur en SWIR, il a été testé en prenant plusieurs photos de la transmission de plaquettes de silicium sous la lumière. L’équipe a également pu voir le contenu de bouteilles en plastique qui n’étaient pas observables dans le spectre de lumière visible.

Ce n’est pas tout, cependant. Dans l’étape suivante, l’équipe souhaite améliorer les performances du photodiode en ingénierie les différentes couches du dispositif. De plus, les chercheurs envisagent d’examiner de nouvelles chimies de surface pour les points quantiques de tellurure d’argent afin non seulement d’amplifier leurs performances, mais aussi d’améliorer leur stabilité environnementale.

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

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

En plus des applications automobiles, il a noté que cela pourrait également fournir une fenêtre sûre pour les yeux, dépourvue de lumière de fond tant le jour que la nuit, permettant ainsi le LiDAR et l’imagerie 3D pour les applications de réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR).

Dans le domaine de la robotique, ces capteurs peuvent être particulièrement utiles pour la détection d’objets et la navigation grâce à leur capacité à capturer des images à travers certains matériaux et dans des conditions de faible luminosité. Ainsi, ils peuvent améliorer la perception de l’environnement pour les robots, leur permettant de le parcourir plus efficacement. De plus, ces capteurs peuvent également être utilisés pour l’évitement d’obstacles même dans l’obscurité totale, contribuant davantage à assurer une navigation sûre.

Développement et intégration des technologies infrarouges

FLIR Systems, qui fait partie de Teledyne Technologies (TDY ), est une entreprise qui travaille sur le développement et l’intégration de technologies infrarouges comme les capteurs SWIR dans la robotique. Fin 2023, Teledyne a présenté le système de reconnaissance de véhicules « Black Recon » (VRS) au salon Defence Security and Equipment International à Londres. 

En cours de développement depuis près de cinq ans, souvent en coopération avec le ministère norvégien de la Défense, le dispositif est conçu pour être lancé de façon autonome. Il transmet des images en direct et des informations de ciblage aux équipes du véhicule et peut être utilisé pour le dépistage de mines, les inspections sous les ponts et les engins explosifs improvisés. Il se vante également d’une reconnaissance de haute précision, de surveillance et d’acquisition de cibles, et peut également fonctionner sans GPS. Pour garantir une précision « très élevée », le dispositif utilise un système de suivi propriétaire qui exploite la technologie LED avec une caméra SWIR.

D’autres entreprises leaders dans ce domaine incluent Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group et Sony.

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

Technologies de détection pour l’industrie automobile

Luminar Technologies est une entreprise qui travaille sur les technologies de détection pour l’industrie automobile, notamment la technologie LiDAR. Le fabricant américain de LiDAR prévoit de lancer un million de voitures équipées de Luminar en Chine au cours des cinq prochaines années.

La société cotée a une capitalisation boursière de 1,657 milliard avec ses actions s’échangeant à 3,23 $, en baisse d’environ 3 % depuis le début de l’année. L’entreprise affiche un chiffre d’affaires (TTM) de 58,791 millions de dollars, un BPA (TTM) de -1,50 et un PER (TTM) de -2,17.

Parallèlement, des entreprises telles que Tesla (TSLA ), le groupe VW, GM, le groupe BMW 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 RA et de la RV, où la perception précise de la profondeur et la reconnaissance d’objets sont essentielles, ces capteurs SWIR peuvent être très bénéfiques pour offrir des expériences de RA et de RV plus immersives. Ils peuvent également être utilisés pour maintenir la qualité d’image dans des environnements difficiles et permettre aux applications de RA de superposer des informations numériques sur la vue de l’utilisateur même lorsque les objets ne sont pas directement visibles dans le spectre de lumière visible. En étant une technologie à faible coût, l’intégration de capteurs d’image SWIR dans les appareils grand public les rend accessibles à un large public, ouvrant la voie à de nouvelles applications et expériences.

Sony est un nom de premier plan dans le monde de la RA qui utilise des capteurs d’imagerie, y compris la technologie CMOS. Il y a quelques mois, Sony a annoncé le capteur d’image SWIR IMX992 avec 5,32 mégapixels effectifs et une taille de pixel de 3,45 μm pour les équipements industriels. Pour capturer la lumière efficacement, le capteur est doté d’une structure de pixel optimisée qui permet une imagerie haute définition sur un large spectre. 

Avec une capitalisation boursière de 115 milliards de dollars, les actions de SONY s’échangent à 91,22 $. L’entreprise a affiché un chiffre d’affaires (TTM) de 84,834 milliards de dollars et possède un BPA (TTM) de 4,72, un PER (TTM) de 19,33 et un ROE (TTM) de 12,45 %. Sony verse également un rendement du dividende de 0,61 %.

D’autres noms de premier plan dans ce domaine incluent Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) 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 en conditions de faible luminosité est cruciale. 

De cette manière, ils peuvent offrir des performances et une fiabilité sans précédent dans des applications à fort volume, axées sur la vision par ordinateur, dans différents secteurs tels que l’automobile, la robotique de service, la RA, la RV et les marchés de l’électronique grand public. À l’avenir, à mesure que la technologie progresse, l’intégration de ces capteurs pourra s’étendre à d’autres domaines, comme l’exploration spatiale.