Computing
CMOS Shortwave Infrared Sensors Set – Pag-unawa sa Hindi Nakikita
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Sa isang bagong pag-aaral, lumikha ang mga mananaliksik ng isang bagong mataas na pagganap na SWIR image sensor batay sa hindi nakakalason na colloidal quantum dots. Ang shortwave infrared o SWIR ay isang banda ng haba ng alon ng liwanag mula 900 nm hanggang 2500 nm, malayo sa nakikitang spectrum na sumasaklaw mula 400nm hanggang 700nm. Ang imaging ng SWIR ay nangangailangan ng mga sensor na kayang mag-operate sa saklaw na ito.
Habang ang mga tradisyunal na sistema na gumagamit ng charge-coupled devices (CCD) at complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensors ay maaaring kumuha ng mga larawan sa loob ng nakikitang spectrum ng liwanag nang epektibo, ang mga gumagamit ng teknolohiyang SWIR ay maaaring kumuha ng mga larawan sa mas malalim na haba ng alon sa infrared spectrum. Pinapayagan nito ang mga sistema na makita ang mga detalye kahit labas ng nakikitang spectrum.
Ang mga haba ng alon na mas mahaba kaysa sa nakikita ay maaaring makita lamang ng mga dedikadong sensor. At habang ang liwanag sa shortwave infrared (SWIR) na rehiyon ay hindi nakikita ng mata, ang liwanag na ito ay nakikipag-ugnayan sa mga bagay sa katulad na paraan ng mga nakikitang haba ng alon.
Katulad ng nakikitang liwanag, ang liwanag ng SWIR ay nagbabalik mula sa mga bagay at ito ay reflective light, kaya nagkakaroon ito ng mga anino at contrast sa mga imahe. Dahil ang mga imahe ng SWIR ay hindi kulay kundi itim at puti lamang, madaling makilala ang mga bagay at nagbibigay-daan sa indibidwal na pagkakakilanlan. May kakayahan din ang imaging ng SWIR na tumingin sa pamamagitan ng salamin.
Kaya, maraming potensyal ang SWIR dahil sa maliit nitong sukat, mababang konsumo ng enerhiya, mataas na sensitivity at resolusyon, at murang visible spectrum lenses, pati na rin ang kakayahang makita ang mga beacon at laser na nakatago at nasa liwanag ng gabi.
Bilang resulta, ang softwave infrared imaging ay nagpapahintulot ng maraming posibilidad sa mga industriyal at siyentipikong aplikasyon, kabilang ang inspeksyon ng silicon wafer, laser beam profiling, medikal na imaging, machine vision imaging, chemical at plastics sensing, agricultural sensing, surveillance systems, at hyperspectral imaging bukod pa sa paggamit para sa anti-counterfeiting, moisture detection, at pag-uuri. Bukod pa rito, ito ay ginagamit din sa mga facial recognition sensor na ginagamit ng mga cell phone, para sa target identification at camouflage detection sa depensa, at ng mga autonomous vehicle sa mga aninong kapaligiran.
Karaniwan, ginagamit ang InGaAs sensors sa SWIR imaging. Ang InGaAs, o indium gallium arsenide, ay isang alloy na ginagamit sa paggawa ng ilang semiconductor para sa photonics. Ang mga sensor na ito ay ginagamit sa mga aplikasyon na nangangailangan ng haba ng alon mula 900-1700 nm. Gayunpaman, ito ay mahal at may mga hamon kaugnay ng mas mataas na resolution arrays, sensitivity sa pagbabago ng temperatura, at limitadong spectral range.
Hindi nakakalason na Quantum Dots-based SWIR Image Sensors
Kaya, ang bagong pag-aaral ay nag-develop ng isang bagong hindi nakakalason na colloidal quantum dots-based na mataas na pagganap na SWIR image sensor. Ang mga image sensor na may sensitivity sa SWIR ay hindi lamang maaasahang gumagana sa mga hindi kanais-nais na kondisyon tulad ng hamog, maliwanag na sikat ng araw, haze, at usok, kundi nagbibigay din ng ilaw na ligtas para sa mga mata. Sa ganitong paraan, binubuksan ng SWIR ang posibilidad ng pagtukoy sa mga katangian ng materyal sa pamamagitan ng molecular imaging.
Ang teknolohiyang image sensor na batay sa colloidal quantum dots (CQD) ay nag-aalok ng isang promising tech platform upang magbigay ng high-volume compatible na image sensors sa near-infrared.
Ang quantum dots ay mga gawa ng tao na maliliit na particle o nanoscale crystals na unang natuklasan noong 1980 at nagpapakita ng natatanging electronic at optical properties. Kabilang dito ang kakayahang mag-transport ng mga electron at lumikha ng kakaibang kulay. Ang mga artipisyal na sinintetisang semiconductor nanoparticles ay may sukat mula 2 hanggang 10 nanometer, humigit-kumulang 10-50 atoms ang diameter, at may malawak na hanay ng aplikasyon, kabilang ang solar cells, LEDs at solid-state lighting, displays, photovoltaics, transistors, ultrafast all-optical switches, logic gates, fluorescent biological labeling, quantum computing, medical imaging, biosensors, at iba pa.
Ang pinakabagong pag-aaral ay inilathala sa Nature Photonics at kinasasangkutan ng mga mananaliksik mula sa ICFO, ang Institute of Photonic Sciences, na nagsasagawa ng mga eksperimento sa classical at quantum communication systems, at QURV, na isang spin-off ng ICFO na nagde-develop ng wide-spectrum image sensor technologies upang mapahusay ang mga aplikasyon ng computer vision.
Ipinakita ng pag-aaral ang isang bagong paraan ng paggawa ng hindi nakakalason na colloidal quantum dots na functional, mataas ang kalidad, at maaaring isama sa CMOS technology. Ang CMOS ay ang teknolohiyang pinakamalawak na ginagamit ngayon sa industriya ng chip o microchip upang bumuo ng integrated circuits (ICs). Ang semiconductor technology na ito ay ginagamit ng pinakabagong CPUs at smartphones.
Sa pamamagitan ng pagsasama ng CQDs sa CMOS, maaaring ma-access ang saklaw ng SWIR, subalit may hadlang sa pag-transform ng mga SWIR-sensitive quantum dots sa teknolohiyang maaaring magamit sa komersyo. Ito ay dahil sa presensya ng mabibigat na metal tulad ng lead o mercury, na nasasaklaw ng regulasyon ng Restriction of Hazardous Substances (RoHS), isang patakaran sa Europa na nagreregula ng paggamit ng mga materyales na ito sa mga komersyal na consumer electronic applications.
Habang ini-explore ng koponan ang mga paraan upang magsintetisa ng AgBiTe2 o silver bismuth telluride nanocrystals upang palawakin ang saklaw ng AsBiS2 tech para sa layuning mapataas ang performance ng mga photovoltaic device, nakakuha sila ng by-product sa proseso, na silver telluride (Ag2Te).
Ipinakita ng Ag2Te ang malakas na quantum-confined absorption, katulad ng quantum dots, na maaaring i-adjust. Nang mapagtanto ng koponan ang potensyal ng silver telluride para sa SWIR photodetectors at image sensors, inilipat nila ang kanilang pokus at pagsisikap upang lumikha ng bagong proseso sa pagsintetisa ng phosphine-free na bersyon ng mga Ag2Te quantum dots. Natuklasan na ang phosphine ay may nakakasirang epekto sa optoelectronic properties ng quantum dots na may kinalaman sa photodetection.
Upang magsintetisa ng quantum dots ng Ag2Te o silver telluride na walang phosphine at maaaring i-adjust ang sukat, gumamit ang pag-aaral ng bagong pamamaraan na pinanatili rin ang mga kapaki-pakinabang na katangian ng tradisyonal na heavy-metal counterparts, na naglatag ng pundasyon para sa SWIR colloidal quantum dot tech para sa malakihang produksyon.
Sa bagong synthetic method, gumamit ang mga mananaliksik ng phosphine-free complexes tulad ng silver precursors at tellurium. Pinahintulutan nito na magkaroon sila ng quantum dots na may maayos na kontroladong size distribution at excitonic peaks sa napakalawak na saklaw ng spectrum. Ipinakita ng mga quantum dots na ito ang kahanga-hangang performance. Kumpara sa naunang paggawa ng quantum dot gamit ang phosphine-based techniques, nagkaroon ang koponan ng walang kapantay na tagumpay sa anyo ng distinct excitonic peaks na lampas sa 1500 nm.
Gamit ang mga phosphine-free quantum dots na ito, lumikha ang koponan ng isang simpleng laboratory-scale photodetector sa glass substrate na may takip na Indium Tin Oxide (ITO), na isang karaniwang pamantayan, upang suriin ang kanilang mga katangian at performance.
Kailangan ng koponan ng isang “hamong gawain” na ibalik ang setup ng device dahil ang mga lab‑scale na device ay gumagana sa pamamagitan ng pag‑ilaw mula sa kanilang ibaba. Binanggit ng co‑author ng pag-aaral na si Yongjie Wang, isang postdoc researcher sa ICFO, na:
“Para sa CMOS integrated CQD stacks, ang liwanag ay nagmumula sa itaas, samantalang ang ibabang bahagi ng device ay kinukuha ng CMOS electronics.”
Ang photodiode ay unang nagpakita ng mababang performance sa pagsensing ng SWIR light, kaya nag-adjust ang koponan upang magdagdag ng buffer layer, na nagpaganda nang malaki sa performance nito. Ang muling disenyo ay nagresulta sa isang SWIR photodiode na nagpapakita ng spectral range mula 350 nm hanggang 1600 nm. Samantala, ang linear dynamic range ay lumagpas sa 118 dB, at ang -3dB bandwidth ay lumagpas sa 110 kHz. Ang SWIR photodiode ay mayroon ding room temperature detectivity na nasa order na 10^12 Jones.
“Sa aming kaalaman, ang mga photodiode na iniulat dito ay unang nakamit ang solution-processed, non-toxic shortwave infrared photodiodes na may mga figure of merit na katumbas ng iba pang heavy-metal containing counterparts.”
– sabi ng ICREI Prof. sa ICFO, Gerasimos Konstantatos.
Dagdag pa, sinabi niya:
“Ang mga resulta ay higit pang sumusuporta sa katotohanang ang Ag2Te quantum dots ay lumilitaw bilang isang promising RoHS-compliant material para sa low-cost, high-performance na mga aplikasyon ng SWIR photodetectors.”
Potensyal na Real-World Use-cases ng SWIR Image Sensors
Pagkatapos ng mga mananaliksik ng ICFO na sina Lucheng Peng, Aditya Malla, at Wang, na pinamunuan ni Konstantatos, na matagumpay na nakabuo ng heavy-metal-free quantum dot-based photodetector, nakipagtulungan sila sa mga mananaliksik ng Qurv na sina Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black, at Julien Schreier upang lumikha ng isang SWIR image sensor.
Sa pagtalakay sa pag-develop ng high-performance infrared photodetectors at isang non-toxic colloidal quantum dots-based na SWIR image sensor na gumagana sa room temperature, binigyang-diin ng mga mananaliksik na isinama nila ang muling dinisenyong photodetector sa isang CMOS-based ROIC (read-out integrated circuit na pangunahing bahagi ng mga kamera at nakapuwesto sa likod ng mga photodetectors) FPA.
Upang patunayan ang operasyon ng sensor sa SWIR, sinubukan ito sa pamamagitan ng pagkuha ng ilang larawan ng transmission ng silicon wafers sa ilalim ng ilaw. Nakita rin ng koponan ang nilalaman ng mga plastik na bote na hindi nakikita sa saklaw ng nakikitang liwanag.
Hindi pa ito lahat. Sa susunod na hakbang, interesado ang koponan na mapabuti ang performance ng photodiode sa pamamagitan ng pag-engineer ng iba’t ibang layer ng device. Bukod pa rito, plano ng mga mananaliksik na pag-aralan ang mga bagong surface chemistry para sa silver telluride quantum dots upang hindi lamang mapalakas ang kanilang performance kundi pati na rin mapabuti ang kanilang environmental stability.
Sa ngayon, gayunpaman, ang kakayahan ng sensor na ma-access ang SWIR gamit ang low-cost na teknolohiya para sa consumer electronics, ayon kay Konstantatos:
“Magbubukas ito ng potensyal ng saklaw na ito ng spectrum na may napakalawak na hanay ng mga aplikasyon kabilang ang pinahusay na vision systems para sa industriya ng automotive (mga sasakyan) na nagpapahintulot ng vision at pagmamaneho sa ilalim ng hindi kanais-nais na kondisyon ng panahon.”
Bilang karagdagan sa mga aplikasyon sa automotive, binanggit niya na maaari rin itong magbigay ng eye-safe window, walang background light sa parehong araw at gabi, kaya nagbibigay-daan sa LiDAR at 3D imaging para sa augmented reality (AR) at virtual reality (VR) na mga aplikasyon.
Sa larangan ng robotics, ang mga sensor na ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa object detection at navigation dahil sa kanilang kakayahang kumuha ng mga imahe sa pamamagitan ng ilang materyales at sa mababang liwanag. Sa ganitong paraan, mapapabuti nila ang perception ng kapaligiran para sa mga robot, na nagpapahintulot sa kanila na mag-navigate nang mas epektibo. Bukod pa rito, maaaring gamitin ang mga sensor na ito para sa obstacle avoidance kahit sa ganap na kadiliman, na higit pang tumutulong upang matiyak ang ligtas na pag-navigate.
Pag-unlad at Integrasyon ng Infrared Technologies
FLIR Systems, na bahagi ng Teledyne Technologies (TDY ), ay isang kumpanya na nagtrabaho sa pag-unlad at integrasyon ng infrared technologies tulad ng SWIR sensors sa robotics. Sa huling bahagi ng 2023, inilunsad ng Teledyne ang ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) sa Defence Security and Equipment International expo sa London.
Sa halos limang taon ng pag-develop, madalas sa pakikipagtulungan sa Norwegian Ministry of Defense, dinisenyo ang device upang mag-launch nang autonomously. Nagpapadala ito ng live imagery at impormasyon ng target pabalik sa mga crew ng sasakyan at maaaring gamitin para sa pag-scan ng mga mina, inspeksyon sa ilalim ng mga tulay, at improvised explosive devices. Nag-aalok din ito ng mataas na precision recon, surveillance, at target acquisition at maaaring magsagawa ng GPS-denied operations. Upang matiyak ang “napakataas” na precision, gumagamit ang device ng proprietary tracking system na gumagamit ng LED technology na may SWIR camera.
Ang iba pang mga kumpanya na nangunguna sa larangang ito ay kinabibilangan ng Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group, at Sony.
Ngayon, sa mga Electric Vehicles (EVs), maaaring mapabuti ng SWIR image sensor ang kanilang vision systems sa pamamagitan ng pagbibigay ng maaasahang imaging upang mapadali ang mas epektibo at mas ligtas na pagmamaneho sa ilalim ng hindi kanais-nais na kondisyon. Ang mga sensor na ito ay maaari ring mag-ambag sa pag-develop ng night vision systems at tumulong sa pagkilala at pag-diferensiya ng mga bagay sa iba’t ibang lighting scenarios, na kapaki-pakinabang para sa advanced driver assistance systems (ADAS), na patuloy na ginagamit sa autonomous vehicles (AVs) upang mapabuti ang kaligtasan sa kalsada.
Sensing Technologies para sa Automotive Industry
Ang Luminar Technologies ay isang kumpanya na nagtatrabaho sa sensing technologies para sa automotive industry, lalo na sa LiDAR technology. Ang US lidar maker ay nagbabalak na ilunsad ang 1 milyong Luminar-equipped na sasakyan sa China sa susunod na limang taon.
LAZR Tsart ng Presyo
Ang pampublikong kumpanya ay may market cap na 1.657 bilyon na ang mga shares ay nagte-trade sa $3.23, bumaba ng halos 3% ngayong taon. Ang kumpanya ay may revenue (TTM) na $58.791 milyon, EPS (TTM) na -1.50, at P/E (TTM) na -2.17.
Samantala, ang mga tulad ng Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group, at Hyundai Motor ay nangunguna sa industriya ng EV.
Augmented Reality at Virtual Reality
Ngayon, sa mundo ng AR at VR, kung saan mahalaga ang tumpak na depth perception at object recognition, ang mga SWIR sensor na ito ay maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang para magbigay ng mas nakaka-immerse na AR at VR experiences. Maaari rin itong magamit upang mapanatili ang kalidad ng imahe sa mga hamong kapaligiran at pahintulutan ang AR applications na mag-overlay ng digital na impormasyon sa view ng gumagamit kahit na ang mga bagay ay hindi direktang nakikita sa visible light spectrum. Bilang isang low-cost na teknolohiya, nangangahulugan ito na sa pamamagitan ng pagsasama ng SWIR image sensors sa consumer devices, maaari itong maabot ng malawak na audience, na magdudulot ng mga bagong aplikasyon at karanasan.
Sony ay isang kilalang pangalan sa mundo ng AR na gumagamit ng imaging sensors, kabilang ang CMOS technology. Ilang buwan na ang nakalipas, inanunsyo ng Sony ang IMX992 SWIR image sensor na may 5.32 effective megapixels at 3.45 μm pixel size para sa industrial equipment. Upang epektibong makuha ang liwanag, ang sensor ay may optimized pixel structure na nagpapahintulot ng high-definition imaging sa malawak na spectrum.
SONY Tsart ng Presyo
Sa market cap na $115 bilyon, ang mga shares ng SONY ay nagte-trade sa $91.22. Ang kumpanya ay nag-post ng revenue (TTM) na $84.834 bilyon at may EPS (TTM) na 4.72, P/E (TTM) na 19.33, at ROE (TTM) na 12.45%. Nagbabayad din ang Sony ng dividend yield na 0.61%.
Ang iba pang kilalang pangalan sa larangang ito ay kinabibilangan ng Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ), at Unity.
Konklusyon
Tulad ng ating nakita, ang sensitivity ng CMOS SWIR sensors sa liwanag sa shortwave infrared spectrum ay nagpapahintulot sa kanila na kumuha ng mga larawan lampas sa saklaw ng tradisyunal na visible light sensors, na ginagawang mahalaga ang mga ito sa mga aplikasyon kung saan ang visibility sa pamamagitan ng ilang materyales o sa mababang liwanag ay kritikal.
Sa ganitong paraan, maaari itong magbigay ng hindi pa nagagawang performance at reliability sa high-volume, computer vision-first na mga aplikasyon sa iba’t ibang industriya tulad ng automotive, service robotics, AR, VR, at consumer electronics markets. Sa hinaharap, habang patuloy na umuunlad ang teknolohiya, ang integrasyon ng mga sensor na ito ay maaaring lumawak sa iba pang larangan, tulad ng space exploration, din.
