Set Sensor Inframerah Gelombang Pendek CMOS – Menafsirkan yang Tidak Terlihat

Dalam sebuah studi baru, peneliti menciptakan sensor gambar SWIR berperforma tinggi berbasis quantum dot koloidal yang tidak beracun. Inframerah gelombang pendek atau SWIR adalah pita panjang gelombang cahaya antara 900 nm dan 2500 nm jauh di luar spektrum tampak yang berkisar antara 400nm hingga 700nm. Pencitraan SWIR memerlukan sensor yang mampu beroperasi dalam rentang ini. 

Sementara sistem konvensional yang menggunakan charge-coupled devices (CCD) dan complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) sensor gambar dapat menangkap gambar dalam spektrum cahaya tampak dengan cukup efektif, sistem yang memanfaatkan teknologi SWIR dapat menangkap gambar pada panjang gelombang yang lebih dalam dalam spektrum inframerah. Hal ini memungkinkan sistem melihat detail bahkan di luar spektrum tampak.

Panjang gelombang yang lebih panjang daripada yang tampak hanya dapat dilihat oleh sensor khusus. Dan meskipun cahaya di wilayah inframerah gelombang pendek (SWIR) tidak terlihat oleh mata, cahaya ini berinteraksi dengan objek dengan cara yang mirip dengan panjang gelombang tampak. 

Serupa dengan cahaya tampak, cahaya SWIR memantul dari objek dan merupakan cahaya reflektif, sehingga menghasilkan bayangan dan kontras dalam gambarannya. Karena gambar SWIR tidak berwarna melainkan hanya hitam putih, objek menjadi mudah dikenali dan memungkinkan identifikasi individu. Pencitraan SWIR juga memiliki kemampuan untuk menembus kaca.

Jadi, SWIR memiliki banyak potensi karena ukurannya yang kecil, daya rendah, sensitivitas dan resolusi tinggi, serta lensa spektrum tampak yang berbiaya rendah, bersama dengan kemampuan melihat sinyal beacon dan laser yang tersembunyi serta dalam cahaya radiasi langit malam.

Dengan demikian, pencitraan inframerah gelombang pendek memungkinkan banyak hal dalam aplikasi industri dan ilmiah, termasuk inspeksi wafer silikon, profilasi berkas laser, pencitraan medis, pencitraan visi mesin, deteksi kimia dan plastik, deteksi pertanian, sistem pengawasan, dan pencitraan hiperspektral selain digunakan untuk anti-pemalsuan, deteksi kelembaban, dan pemilahan. Selain itu, teknologi ini juga digunakan dalam sensor pengenalan wajah pada ponsel, untuk identifikasi target & deteksi kamuflase dalam pertahanan, serta oleh kendaraan otonom di lingkungan yang teduh.

Biasanya, sensor InGaAs digunakan dalam pencitraan SWIR. InGaAs, atau indium gallium arsenide, adalah paduan yang digunakan dalam pembuatan semikonduktor tertentu untuk aplikasi fotonik. Sensor ini dipakai dalam aplikasi yang memerlukan panjang gelombang antara 900-1700 nm. Namun, sensor ini mahal dan menghadapi tantangan terkait array resolusi tinggi, sensitivitas terhadap variasi suhu, serta rentang spektral yang terbatas.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana laser akan memainkan peran penting dalam dekade-dekade mendatang.

Sensor Gambar SWIR Berbasis Quantum Dot Tidak Beracun

Jadi, studi baru tersebut mengembangkan sensor gambar SWIR berperforma tinggi berbasis quantum dot koloidal yang tidak beracun. Sensor gambar dengan sensitivitas SWIR tidak hanya dapat beroperasi secara andal di kondisi buruk seperti kabut, sinar matahari terang, kabut asap, dan asap, tetapi jangkauannya juga menyediakan sumber pencahayaan yang aman bagi mata. Dengan cara ini, SWIR membuka kemungkinan menentukan kualitas material melalui pencitraan molekuler. 

Teknologi sensor gambar berbasis quantum dot koloidal (CQD) di sini menawarkan platform teknologi yang menjanjikan untuk menyediakan sensor gambar yang kompatibel dengan produksi volume tinggi dalam spektrum inframerah dekat.

Quantum dot adalah partikel kecil buatan manusia atau kristal nanoskopik yang pertama kali ditemukan pada tahun 1980 dan memiliki sifat elektronik serta optik yang unik. Ini termasuk kemampuan mengangkut elektron dan menghasilkan warna yang khas. Nanopartikel semikonduktor yang disintesis secara artifisial ini berukuran antara 2 hingga 10 nanometer, sekitar 10-50 atom dalam diameter, dan memiliki berbagai aplikasi, termasuk sel surya, LED dan pencahayaan solid-state, tampilan, fotovoltaik, transistor, saklar optik ultra cepat, gerbang logika, pelabelan biologis fluoresen, komputasi kuantum, pencitraan medis, biosensor, dan banyak lagi.

Studi terbaru tersebut dipublikasikan dalam Nature Photonics dan melibatkan peneliti dari ICFO, Institut Ilmu Fotonik, yang melakukan eksperimen pada sistem komunikasi klasik dan kuantum, serta QURV, spin-off ICFO yang mengembangkan teknologi sensor gambar spektrum luas untuk memungkinkan aplikasi visi komputer yang ditingkatkan.

Studi tersebut memperkenalkan metode baru untuk memproduksi quantum dot koloidal yang tidak beracun, fungsional, berkualitas tinggi, dan dapat diintegrasikan dengan teknologi CMOS. CMOS adalah teknologi yang paling luas digunakan saat ini dalam industri chip atau mikrochip untuk membentuk sirkuit terintegrasi (IC). Teknologi semikonduktor ini digunakan oleh CPU dan smartphone terbaru.

Dengan mengintegrasikan CQD dengan CMOS, rentang SWIR dapat diakses, meskipun ada hambatan untuk mengubah quantum dot sensitif SWIR ini menjadi teknologi yang dapat digunakan secara komersial. Hal ini disebabkan oleh keberadaan logam berat seperti timbal atau merkuri, yang tunduk pada regulasi Restriction of Hazardous Substances (RoHS), peraturan Eropa yang mengatur penggunaan bahan-bahan tersebut dalam aplikasi elektronik konsumen komersial.

Sementara tim sedang mengeksplorasi cara mensintesis nanokristal AgBiTe2 atau silver bismuth telluride untuk memperluas cakupan teknologi AsBiS2 dengan tujuan meningkatkan kinerja perangkat fotovoltaik, mereka memperoleh produk sampingan selama proses tersebut, yaitu silver telluride (Ag2Te).

Ag2Te menunjukkan absorpsi terkuantisasi kuat, mirip dengan quantum dot, yang dapat disesuaikan. Ketika tim menyadari potensi silver telluride untuk fotodetektor SWIR dan sensor gambar, mereka mengalihkan fokus dan upaya untuk merancang proses baru mensintesis versi quantum dot Ag2Te bebas fosfin. Fosfin ternyata memiliki efek merusak pada sifat optoelektronik quantum dot yang relevan dengan fotodeteksi.

Untuk mensintesis quantum dot Ag2Te atau silver telluride yang tidak mengandung fosfin dan dapat disesuaikan ukurannya, studi tersebut menggunakan metode baru yang juga mempertahankan sifat menguntungkan dari rekan logam berat tradisional, yang menjadi dasar teknologi quantum dot koloidal SWIR untuk produksi skala besar.

Dalam metode sintesis baru, peneliti menggunakan kompleks bebas fosfin seperti prekursor perak dan tellurium. Hal ini memungkinkan mereka menghasilkan quantum dot dengan distribusi ukuran yang terkontrol baik dan puncak eksitoni yang meluas pada rentang spektrum yang sangat luas. Quantum dot ini menunjukkan kinerja luar biasa. Dibandingkan dengan fabrikasi quantum dot sebelumnya yang menggunakan teknik berbasis fosfin, tim mencapai prestasi belum pernah terjadi sebelumnya berupa puncak eksitoni yang jelas di atas 1500 nm.

Dengan menggunakan quantum dot bebas fosfin ini, tim kemudian membuat fotodetektor skala laboratorium sederhana pada substrat kaca yang dilapisi Indium Tin Oxide (ITO), standar umum, untuk menilai sifat dan kinerjanya. 

Tim kemudian menghadapi “tugas menantang” untuk mengubah pengaturan perangkat karena perangkat skala laboratorium beroperasi dengan menyorot cahaya dari bagian bawah. Co-author studi, Yongjie Wang, peneliti postdoc di ICFO, mencatat bahwa:

“Untuk tumpukan CQD terintegrasi CMOS, cahaya datang dari atas, sedangkan bagian bawah perangkat diambil oleh elektronik CMOS.” 

Fotodioda pada awalnya menunjukkan kinerja rendah dalam mendeteksi cahaya SWIR, sehingga tim melakukan penyesuaian dengan menambahkan lapisan penyangga, yang secara signifikan meningkatkan kinerjanya. Redesign tersebut menghasilkan fotodioda SWIR dengan rentang spektral dari 350 nm hingga 1600 nm. Sementara itu, rentang dinamis linier melebihi 118 dB, dan lebar pita -3dB melampaui 110 kHz. Fotodioda SWIR juga memiliki detektivitas pada suhu ruangan sekitar 1012 Jones.

“Sejauh pengetahuan kami, fotodioda yang dilaporkan di sini untuk pertama kalinya mewujudkan fotodioda inframerah gelombang pendek yang diproses dengan solusi, tidak beracun, dengan angka kinerja sebanding dengan rekan-rekan yang mengandung logam berat.”

– kata Prof. ICREA di ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Selain itu, dia berkata:

“Hasil ini lebih mendukung fakta bahwa quantum dot Ag2Te muncul sebagai material yang mematuhi RoHS menjanjikan untuk aplikasi fotodetektor SWIR berbiaya rendah dan berperforma tinggi.”

Potensi Kasus Penggunaan Dunia Nyata Sensor Gambar SWIR

Setelah peneliti ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla, dan Wang, dipimpin oleh Konstantatos, berhasil mengembangkan fotodetektor berbasis quantum dot bebas logam berat, mereka berkolaborasi dengan peneliti Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black, dan Julien Schreier untuk menciptakan sensor gambar SWIR.

Berbicara tentang pengembangan fotodetektor inframerah berperforma tinggi dan sensor gambar SWIR berbasis quantum dot koloidal tidak beracun yang beroperasi pada suhu ruangan, para peneliti mencatat bahwa mereka kemudian mengintegrasikan fotodetektor yang telah didesain ulang dengan ROIC berbasis CMOS (read-out integrated circuit adalah komponen utama kamera dan terletak di belakang fotodetektor) FPA.

Untuk membuktikan operasi sensor dalam SWIR, sensor tersebut diuji dengan mengambil beberapa foto transmisi wafer silikon di bawah cahaya. Tim juga dapat melihat isi botol plastik yang tidak dapat diamati dalam rentang cahaya tampak.

Namun itu belum semuanya. Pada langkah selanjutnya, tim tertarik meningkatkan kinerja fotodioda dengan merekayasa lapisan-lapisan perangkat yang berbeda. Selain itu, para peneliti berniat menyelidiki kimia permukaan baru untuk quantum dot silver telluride guna tidak hanya meningkatkan kinerjanya tetapi juga memperbaiki stabilitas lingkungan.

Untuk saat ini, kemampuan sensor mengakses SWIR dengan teknologi berbiaya rendah untuk elektronik konsumen, menurut Konstantatos:

“Akan membuka potensi rentang spektral ini dengan beragam aplikasi termasuk sistem visi yang ditingkatkan untuk industri otomotif (mobil) memungkinkan penglihatan dan mengemudi dalam kondisi cuaca buruk.”

Selain aplikasi otomotif, dia mencatat bahwa sensor ini juga dapat menyediakan jendela yang aman bagi mata, bebas dari cahaya latar baik pada siang maupun malam, sehingga memungkinkan LiDAR dan pencitraan 3D untuk aplikasi realitas tertambah (AR) dan realitas virtual (VR).

Dalam bidang robotika, sensor ini dapat sangat membantu deteksi objek dan navigasi karena kemampuannya menangkap gambar melalui material tertentu dan kondisi cahaya rendah. Dengan cara ini, mereka dapat meningkatkan persepsi lingkungan bagi robot, memungkinkan navigasi yang lebih efektif. Selain itu, sensor ini juga dapat digunakan untuk menghindari rintangan bahkan dalam kegelapan total, lebih lanjut membantu memastikan navigasi yang aman.

Pengembangan dan Integrasi Teknologi Inframerah

FLIR Systems, yang merupakan bagian dari Teledyne Technologies (TDY ), adalah salah satu perusahaan yang telah bekerja pada pengembangan dan integrasi teknologi inframerah seperti sensor SWIR dalam robotika. Pada akhir 2023, Teledyne meluncurkan ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) di pameran Defence Security and Equipment International di London. 

Dalam pengembangan selama hampir lima tahun, sering bekerja sama dengan Kementerian Pertahanan Norwegia, perangkat ini dirancang untuk diluncurkan secara otonom. Ia mengirimkan citra langsung dan informasi penargetan kembali ke kru kendaraan dan dapat digunakan untuk penyapuan ranjau, inspeksi di bawah jembatan, dan perangkat peledak improvisasi. Ia juga menawarkan rekonsiliasi presisi tinggi, pengawasan, dan akuisisi target serta dapat melakukan operasi tanpa GPS. Untuk memastikan presisi “sangat tinggi”, perangkat ini menggunakan sistem pelacakan proprietari yang memanfaatkan teknologi LED dengan kamera SWIR.

Perusahaan lain yang memimpin bidang ini termasuk Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group, dan Sony.

Sekarang, pada Kendaraan Listrik (EV), sensor gambar SWIR dapat meningkatkan sistem visi mereka dengan menyediakan pencitraan yang dapat diandalkan untuk memungkinkan mengemudi yang lebih efisien dan aman dalam kondisi buruk. Sensor ini juga dapat berkontribusi pada pengembangan sistem penglihatan malam dan membantu mengenali serta membedakan objek dalam skenario pencahayaan yang berbeda, menjadikannya bermanfaat bagi sistem bantuan pengemudi canggih (ADAS), yang semakin banyak digunakan dalam kendaraan otonom (AV) untuk meningkatkan keselamatan jalan.

Teknologi Sensor untuk Industri Otomotif

Luminar Technologies adalah perusahaan yang bekerja pada teknologi sensor untuk industri otomotif, khususnya teknologi LiDAR. Pembuat LiDAR asal AS ini berencana meluncurkan 1 juta mobil yang dilengkapi Luminar di China dalam lima tahun ke depan.

Perusahaan publik ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar 1,657 miliar dengan saham diperdagangkan pada $3,23, turun sekitar 3% tahun ini hingga saat ini. Perusahaan memiliki pendapatan (TTM) sebesar $58,791 juta, EPS (TTM) sebesar -1,50, dan P/E (TTM) sebesar -2,17.

Sementara itu, perusahaan-perusahaan seperti Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group, dan Hyundai Motor memimpin industri EV.

Realitas Tertambah dan Realitas Virtual

Sekarang, dalam dunia AR dan VR, di mana persepsi kedalaman yang akurat dan pengenalan objek sangat penting, sensor SWIR ini dapat sangat bermanfaat untuk memberikan pengalaman AR dan VR yang lebih imersif. Mereka dapat lebih lanjut digunakan untuk mempertahankan kualitas gambar dalam lingkungan menantang dan memungkinkan aplikasi AR menumpangkan informasi digital ke pandangan pengguna bahkan ketika objek tidak terlihat langsung dalam spektrum cahaya tampak. Karena merupakan teknologi berbiaya rendah, dengan mengintegrasikan sensor gambar SWIR ke dalam perangkat konsumen, mereka dapat dijangkau oleh audiens luas, menghasilkan aplikasi dan pengalaman baru.

Sony adalah nama terkemuka dalam dunia AR yang menggunakan sensor pencitraan, termasuk teknologi CMOS. Beberapa bulan lalu, Sony mengumumkan sensor gambar SWIR IMX992 dengan 5,32 megapiksel efektif dan ukuran piksel 3,45 μm untuk peralatan industri. Untuk menangkap cahaya secara efisien, sensor ini dilengkapi dengan struktur piksel yang dioptimalkan yang memungkinkan pencitraan definisi tinggi di seluruh spektrum yang luas. 

Dengan kapitalisasi pasar $115 miliar, saham SONY diperdagangkan pada $91,22. Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $84,834 miliar dan memiliki EPS (TTM) sebesar 4,72, P/E (TTM) sebesar 19,33, dan ROE (TTM) sebesar 12,45%. Sony juga membayar dividen sebesar 0,61%.

Nama-nama terkemuka lain dalam bidang ini termasuk Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ), dan Unity.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham AR & VR terbaik.

Kesimpulan

Seperti yang telah kita lihat, sensitivitas sensor CMOS SWIR terhadap cahaya dalam spektrum inframerah gelombang pendek memungkinkan mereka menangkap gambar di luar jangkauan sensor cahaya tampak tradisional, menjadikannya berharga dalam aplikasi di mana visibilitas melalui material tertentu atau dalam kondisi cahaya rendah sangat penting. 

Dengan cara ini, ia dapat memberikan kinerja dan keandalan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam aplikasi volume tinggi yang mengutamakan visi komputer di berbagai industri seperti otomotif, robotika layanan, AR, VR, dan pasar elektronik konsumen. Di masa depan, seiring teknologi terus berkembang, integrasi sensor ini dapat meluas ke bidang lain, seperti eksplorasi luar angkasa, juga.