Set di Sensori Infrarossi a Breve Lunghezza d’Onda CMOS – Interpretare l’Invisibile

In un nuovo studio, nuovo studio, i ricercatori hanno creato un nuovo sensore di immagine SWIR ad alte prestazioni basato su quantum dot colloidali non tossici. L’infrarosso a breve lunghezza d’onda (SWIR) è una banda di lunghezze d’onda della luce compresa tra 900 nm e 2500 nm, ben al di là dello spettro visibile che varia tra 400 nm e 700 nm. La cattura di immagini SWIR richiede sensori in grado di operare in questo intervallo. 

Mentre i sistemi convenzionali che utilizzano dispositivi a trasferimento di carica (CCD) e sensori di immagine a semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS) possono catturare immagini all’interno dello spettro visibile della luce in modo abbastanza efficace, quelli che sfruttano la tecnologia SWIR possono catturare immagini a lunghezze d’onda più profonde nello spettro infrarosso. Ciò consente ai sistemi di vedere dettagli anche al di fuori dello spettro visibile.

Le lunghezze d’onda più lunghe di quelle visibili possono essere percepite solo da sensori dedicati. E mentre la luce nella regione dell’infrarosso a breve lunghezza d’onda (SWIR) è invisibile all’occhio, questa luce interagisce con gli oggetti in modo simile alle lunghezze d’onda visibili. 

Proprio come la luce visibile, la luce SWIR rimbalza sugli oggetti ed è luce riflessa, e di conseguenza presenta ombre e contrasto nelle sue immagini. Poiché le immagini SWIR non sono a colori ma solo in bianco e nero, gli oggetti risultano facilmente riconoscibili e consentono l’identificazione individuale. La cattura di immagini SWIR ha anche la capacità di vedere attraverso il vetro.

Quindi, il SWIR ha un grande potenziale grazie alle sue dimensioni ridotte, al basso consumo energetico, all’alta sensibilità e risoluzione, e alle lenti a basso costo per lo spettro visibile, oltre alla capacità di rilevare beacon e laser che sono nascosti e nella luce della radiazione del cielo notturno.

In tal modo, l’imaging infrarosso a breve lunghezza d’onda rende possibili molte applicazioni industriali e scientifiche, tra cui l’ispezione di wafer di silicio, la profilatura di fasci laser, l’imaging medico, l’imaging per visione artificiale, il rilevamento chimico e di plastica, il monitoraggio agricolo, i sistemi di sorveglianza e l’imaging iperspettrale, oltre a essere utilizzato per l’anti-contraffazione, la rilevazione di umidità e la separazione. Inoltre, trova impiego nei sensori di riconoscimento facciale utilizzati dagli smartphone, per l’identificazione di bersagli e la rilevazione di camuffamenti in ambito difensivo, e nei veicoli autonomi in ambienti ombreggiati.

Tipicamente, i sensori InGaAs sono utilizzati nella cattura di immagini SWIR. InGaAs, o arsenide di indio e gallio, è una lega impiegata nella produzione di alcuni semiconduttori per applicazioni fotoniche. Questi sensori sono usati in applicazioni che richiedono lunghezze d’onda nell’intervallo 900‑1700 nm. Tuttavia, sono costosi e presentano difficoltà riguardo a array ad alta risoluzione, sensibilità alle variazioni di temperatura e limitato intervallo spettrale.

Clicca qui per scoprire come i laser giocheranno un ruolo fondamentale nei prossimi decenni.

Sensori di Immagine SWIR basati su Quantum Dot non tossici

Quindi, il nuovo studio ha sviluppato un nuovo sensore di immagine SWIR ad alte prestazioni basato su quantum dot colloidali non tossici. I sensori di immagine con sensibilità SWIR possono non solo operare in modo affidabile in condizioni avverse come nebbia, luce solare intensa, foschia e fumo, ma il loro intervallo fornisce anche una fonte di illuminazione sicura per gli occhi. In questo modo, il SWIR apre la possibilità di determinare le proprietà dei materiali tramite imaging molecolare. 

La tecnologia dei sensori di immagine basata su quantum dot colloidali (CQD) offre una piattaforma tecnologica promettente per fornire sensori di immagine compatibili ad alto volume nel vicino infrarosso.

I quantum dot sono minuscole particelle o cristalli su scala nanometrica creati dall’uomo, scoperti per la prima volta nel 1980, e mostrano proprietà elettroniche e ottiche uniche. Questo include la capacità di trasportare elettroni e produrre colori distintivi. Queste nanoparticelle semiconduttori sintetizzate artificialmente hanno dimensioni comprese tra 2 e 10 nanometri, circa 10‑50 atomi di diametro, e trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni, tra cui celle solari, LED e illuminazione a stato solido, display, fotovoltaico, transistor, switch ottici ultraveloci, porte logiche, marcatura biologica fluorescente, calcolo quantistico, imaging medico, biosensori e altro.

Lo studio più recente è stato pubblicato su Nature Photonics e ha coinvolto ricercatori dell’ICFO, l’Istituto di Scienze Fotoniche, che conduce esperimenti su sistemi di comunicazione classica e quantistica, e QURV, lo spin-off dell’ICFO che sviluppa tecnologie di sensori di immagine a spettro ampio per abilitare applicazioni avanzate di visione artificiale.

Lo studio ha presentato un nuovo metodo per produrre quantum dot colloidali non tossici, funzionali, di alta qualità e integrabili con la tecnologia CMOS. CMOS è la tecnologia più ampiamente utilizzata oggi nell’industria dei chip o microchip per formare circuiti integrati (IC). Questa tecnologia a semiconduttore è impiegata nelle ultime CPU e negli smartphone.

Integrando i CQD con il CMOS, è possibile accedere alla gamma SWIR, sebbene vi sia una barriera nella trasformazione di questi quantum dot sensibili al SWIR in una tecnologia commercialmente utilizzabile. Ciò è dovuto alla presenza di metalli pesanti come piombo o mercurio, soggetti alle normative della Restriction of Hazardous Substances (RoHS), una direttiva europea che regola l’uso di questi materiali nelle applicazioni elettroniche di consumo commerciali.

Mentre il team esplorava modi per sintetizzare nanocristalli di AgBiTe2 o tellururo d’argento e bismuto per estendere la copertura della tecnologia AsBiS2 al fine di aumentare le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici, ha ottenuto un sottoprodotto durante il processo, ovvero il tellururo d’argento (Ag2Te).

Ag2Te ha mostrato una forte assorbimento quantistico confinato, simile ai quantum dot, e regolabile. Quando il team ha riconosciuto il potenziale del tellururo d’argento per fotodetettori e sensori di immagine SWIR, ha spostato l’attenzione e gli sforzi per ideare un nuovo processo di sintesi di versioni di questi quantum dot Ag2Te prive di fosfina. La fosfina è stata infatti riscontrata avere un effetto dannoso sulle proprietà optoelettroniche dei quantum dot rilevanti per la fotodetenzione.

Per sintetizzare quantum dot di Ag2Te o tellururo d’argento privi di fosfina e con dimensioni regolabili, lo studio ha impiegato un nuovo metodo che ha mantenuto anche le proprietà vantaggiose dei corrispondenti tradizionali a base di metalli pesanti, ponendo le basi per la tecnologia dei quantum dot colloidali SWIR per la produzione su larga scala.

Nel nuovo metodo sintetico, i ricercatori hanno utilizzato complessi privi di fosfina, come precursori d’argento e tellurio. Ciò ha permesso di ottenere quantum dot con una distribuzione di dimensioni ben controllata e picchi eccitonici su un’ampia gamma spettrale. Questi quantum dot hanno mostrato prestazioni notevoli. Rispetto alla precedente fabbricazione di quantum dot basata su tecniche con fosfina, il team ha ottenuto un risultato senza precedenti sotto forma di picchi eccitonici distinti oltre i 1500 nm.

Utilizzando questi quantum dot privi di fosfina, il team ha poi creato un semplice fotodetettore su scala di laboratorio su un substrato di vetro ricoperto di ossido di stagno e indio (ITO), standard comune, per valutare le loro proprietà e prestazioni. 

Il team ha poi avuto un “compito impegnativo” di invertire la configurazione del dispositivo poiché i dispositivi su scala di laboratorio operano illuminando dalla loro parte inferiore. Il coautore dello studio, Yongjie Wang, ricercatore postdoc all’ICFO, ha osservato che:

“Per gli stack CQD integrati in CMOS, la luce proviene dall’alto, mentre la parte inferiore del dispositivo è occupata dall’elettronica CMOS.” 

Il fotodiodo inizialmente mostrava una bassa prestazione nella rilevazione della luce SWIR, così il team ha apportato modifiche includendo uno strato di buffer, che ha migliorato significativamente le sue prestazioni. La riprogettazione ha prodotto un fotodiodo SWIR con un intervallo spettrale da 350 nm a 1600 nm. Nel frattempo, il range dinamico lineare ha superato i 118 dB, e la larghezza di banda a -3 dB ha superato i 110 kHz. Il fotodiodo SWIR ha inoltre una detectività a temperatura ambiente dell’ordine di 10^12 Jones.

“Per quanto ne sappiamo, i fotodiodi riportati qui hanno realizzato per la prima volta fotodiodi a infrarosso a breve lunghezza d’onda processati in soluzione, non tossici, con parametri di prestazione pari a quelli di altri corrispondenti contenenti metalli pesanti.”

– ha detto il Prof. ICREA presso ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Aggiungendo, ha affermato:

“Questi risultati supportano ulteriormente il fatto che i quantum dot Ag2Te emergono come un materiale promettente conforme a RoHS per applicazioni di fotodetettori SWIR a basso costo e alte prestazioni.”

Possibili casi d’uso reali dei sensori di immagine SWIR

Dopo che i ricercatori dell’ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla e Wang, guidati da Konstantatos, hanno sviluppato con successo un fotodetettore basato su quantum dot senza metalli pesanti, hanno collaborato con i ricercatori di Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black e Julien Schreier per creare un sensore di immagine SWIR.

Parlando dello sviluppo di fotodetettori a infrarossi ad alte prestazioni e di un sensore di immagine SWIR basato su quantum dot colloidali non tossici operante a temperatura ambiente, i ricercatori hanno osservato di aver poi integrato il fotodetettore ridisegnato con un ROIC (circuito integrato di lettura) basato su CMOS (componente principale delle fotocamere, posizionato dietro i fotodetettori) FPA.

Per dimostrare il funzionamento del sensore nel SWIR, è stato testato scattando diverse foto della trasmissione di wafer di silicio sotto la luce. Il team è stato anche in grado di vedere il contenuto di bottiglie di plastica che non era osservabile nello spettro della luce visibile.

Tuttavia, non è tutto. Nel passo successivo, il team è interessato a migliorare le prestazioni del fotodiodo ingegnerizzando i diversi strati del dispositivo. Inoltre, i ricercatori intendono esplorare nuove chimiche di superficie per i quantum dot di tellururo d’argento per non solo amplificare le loro prestazioni ma anche migliorare la stabilità ambientale.

Per ora, però, la capacità del sensore di accedere al SWIR con una tecnologia a basso costo per l’elettronica di consumo, secondo Konstantatos:

“Sbloccherà il potenziale di questa gamma spettrale con una vasta gamma di applicazioni, inclusi sistemi di visione migliorati per l’industria automobilistica (auto) che consentono visione e guida in condizioni meteorologiche avverse.”

Oltre alle applicazioni automobilistiche, ha osservato che potrebbe anche fornire una finestra sicura per gli occhi, priva di luce di fondo sia di giorno che di notte, consentendo così LiDAR e imaging 3D per applicazioni di realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR).

Nel campo della robotica, questi sensori possono essere particolarmente utili per il rilevamento di oggetti e la navigazione grazie alla loro capacità di catturare immagini attraverso determinati materiali e in condizioni di scarsa illuminazione. In questo modo, possono migliorare la percezione dell’ambiente per i robot, consentendo loro di navigare più efficacemente. Inoltre, questi sensori possono essere utilizzati per l’evitamento di ostacoli anche in completa oscurità, contribuendo ulteriormente a garantire una navigazione sicura.

Sviluppo e integrazione delle tecnologie a infrarossi

FLIR Systems, che fa parte di Teledyne Technologies (TDY ), è una delle aziende che ha lavorato allo sviluppo e all’integrazione di tecnologie a infrarossi come i sensori SWIR nella robotica. Alla fine del 2023, Teledyne ha presentato il sistema di ricognizione veicolare ‘Black Recon’ (VRS) all’esposizione Defence Security and Equipment International a Londra. 

In sviluppo da quasi cinque anni, spesso in collaborazione con il Ministero della Difesa norvegese, il dispositivo è progettato per lanciarsi autonomamente. Invia immagini in tempo reale e informazioni di puntamento alle squadre dei veicoli e può essere usato per la ricerca di mine, ispezioni sotto i ponti e dispositivi esplosivi improvvisati. Vanta inoltre una ricognizione ad alta precisione, sorveglianza e acquisizione di bersagli e può anche operare in scenari privi di GPS. Per garantire una precisione “molto alta”, il dispositivo utilizza un sistema di tracciamento proprietario che impiega tecnologia LED con una fotocamera SWIR.

Altre aziende leader nel settore includono Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group e Sony.

Ora, nei veicoli elettrici (EV), il sensore di immagine SWIR può migliorare i loro sistemi di visione fornendo immagini affidabili per consentire una guida più efficiente e sicura in condizioni avverse. Questi sensori possono anche contribuire allo sviluppo di sistemi di visione notturna e aiutare a riconoscere e distinguere oggetti in diversi scenari di illuminazione, risultando vantaggiosi per i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), sempre più utilizzati nei veicoli autonomi (AV) per migliorare la sicurezza stradale.

Tecnologie di rilevamento per l’industria automobilistica

Luminar Technologies è un’azienda che lavora su tecnologie di rilevamento per l’industria automobilistica, in particolare la tecnologia LiDAR. Il produttore statunitense di LiDAR prevede di lanciare 1 milione di auto equipaggiate con Luminar in Cina nei prossimi cinque anni.

La società quotata ha una capitalizzazione di mercato di 1,657 miliardi con le azioni che scambiano a 3,23 $, in calo di circa il 3 % dall’inizio dell’anno. L’azienda ha un fatturato (TTM) di 58,791 milioni di dollari, EPS (TTM) di -1,50 e P/E (TTM) di -2,17.

Nel frattempo, aziende come Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group e Hyundai Motor guidano l’industria dei veicoli elettrici.

Realtà aumentata e realtà virtuale

Ora, nel mondo della AR e della VR, dove la percezione accurata della profondità e il riconoscimento degli oggetti sono essenziali, questi sensori SWIR possono essere molto utili per fornire esperienze AR e VR più immersive. Possono inoltre essere impiegati per mantenere la qualità dell’immagine in ambienti difficili e consentire alle applicazioni AR di sovrapporre informazioni digitali alla visuale dell’utente anche quando gli oggetti non sono direttamente visibili nello spettro della luce visibile. Essendo una tecnologia a basso costo, l’integrazione dei sensori di immagine SWIR nei dispositivi consumer può renderli accessibili a un vasto pubblico, portando a nuove applicazioni ed esperienze.

Sony è un nome di spicco nel mondo della AR che utilizza sensori di imaging, inclusa la tecnologia CMOS. Sony ha annunciato il sensore di immagine SWIR IMX992 con 5,32 megapixel effettivi e dimensione pixel di 3,45 μm per apparecchiature industriali. Per catturare la luce in modo efficiente, il sensore è dotato di una struttura pixel ottimizzata che consente imaging ad alta definizione su un ampio spettro. 

Con una capitalizzazione di mercato di 115 miliardi di dollari, le azioni di SONY sono scambiate a 91,22 $. L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di 84,834 miliardi di dollari e ha un EPS (TTM) di 4,72, P/E (TTM) di 19,33 e ROE (TTM) di 12,45 %. Sony paga anche un rendimento da dividendo dello 0,61 %.

Altri nomi di rilievo in questo settore includono Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) e Unity.

Clicca qui per l’elenco dei dieci migliori titoli di realtà aumentata e realtà virtuale.

Conclusione

Come abbiamo visto, la sensibilità dei sensori CMOS SWIR alla luce nello spettro infrarosso a breve lunghezza d’onda consente loro di catturare immagini oltre il range dei tradizionali sensori di luce visibile, rendendoli preziosi in applicazioni dove la visibilità attraverso determinati materiali o in condizioni di scarsa illuminazione è fondamentale. 

In questo modo, può offrire prestazioni e affidabilità senza precedenti in applicazioni ad alto volume, orientate alla visione artificiale, in diversi settori come automotive, robotica di servizio, AR, VR e mercati dell’elettronica di consumo. In futuro, man mano che la tecnologia continuerà ad avanzare, l’integrazione di questi sensori potrà espandersi in altri ambiti, come l’esplorazione spaziale.