CMOS Kısa Dalga Kızılötesi Sensör Seti – Görünmeyeni Yorumlamak

Yeni bir yeni çalışma, araştırmacılar toksik olmayan kolloidal kuantum noktalarına dayalı yeni bir yüksek performanslı SWIR görüntü sensörü geliştirdiler. Kısa dalga kızılötesi ya da SWIR, 900 nm ile 2500 nm arasında, görünür spektrumun (400 nm ile 700 nm) çok ötesinde bir ışık dalga boyu bandıdır. SWIR görüntüleme, bu aralıkta çalışabilen sensörler gerektirir. 

Yüksek verimli CCD (yüksek yüklü cihaz) ve CMOS (tamamlayıcı metal-oksit yarı iletken) görüntü sensörleri kullanan geleneksel sistemler, görünür ışık spektrumunda görüntüleri oldukça etkili bir şekilde yakalayabilirken, SWIR teknolojisini kullanan sistemler, kızılötesi spektrumda daha derin dalga boylarında görüntüler yakalayabilir. Bu, sistemlerin görünür spektrumun dışındaki detayları da görmesini sağlar.

Görünür dalga boylarından daha uzun dalga boyları yalnızca özel sensörler tarafından görülebilir. Kısa dalga kızılötesi (SWIR) bölgesindeki ışık gözle görülmez olsa da, bu ışık nesnelerle görünür dalga boyları gibi etkileşir.

Görünür ışık gibi, SWIR ışığı da nesnelerden yansır ve yansıtıcı bir ışıktır; bu nedenle görüntülerinde gölgeler ve kontrast bulunur. SWIR görüntüleri renkli değil sadece siyah beyaz olduğu için nesneler kolayca tanınabilir ve bireysel tanımlama sağlanır. SWIR görüntüleme ayrıca camdan da görüntü alabilme yeteneğine sahiptir.

Bu nedenle, SWIR küçük boyutu, düşük gücü, yüksek duyarlılığı ve çözünürlüğü, düşük maliyetli görünür spektrum lensleri ve gizli ışık kaynakları ile gece gökyüzü ışınımında çalışan beacon ve lazerleri görme yeteneği sayesinde büyük bir potansiyele sahiptir.

Bu şekilde, kısa dalga kızılötesi görüntüleme, silikon wafer denetimi, lazer ışını profili, tıbbi görüntüleme, makine görüşü görüntüleme, kimyasal ve plastik algılama, tarımsal algılama, gözetim sistemleri ve hiperspektral görüntüleme gibi endüstriyel ve bilimsel uygulamalarda birçok şeyi mümkün kılar; ayrıca sahtecilik önleme, nem tespiti ve sınıflandırma için de kullanılır. Dahası, cep telefonlarında kullanılan yüz tanıma sensörlerinde, savunma alanında hedef tanımlama ve kamuflaj tespiti ve gölgeli ortamlarda otonom araçlarda da kullanılmaktadır.

Genellikle, SWIR görüntülemede InGaAs sensörleri kullanılır. InGaAs, yani indiyum galyum arsenid, fotonik uygulamalar için belirli yarı iletkenlerin üretiminde kullanılan bir alaşımdır. Bu sensörler 900-1700 nm dalga boyu aralığını gerektiren uygulamalarda kullanılır. Ancak, maliyetli olup daha yüksek çözünürlüklü diziler, sıcaklık değişimlerine duyarlılık ve sınırlı spektral aralık gibi zorluklarla karşılaşırlar.

Gelecek on yıllarda lazerlerin kritik bir rol oynayacağını öğrenmek için buraya tıklayın.

Toksik Olmayan Kuantum Noktalarına Dayalı SWIR Görüntü Sensörleri

Bu yeni çalışma, toksik olmayan kolloidal kuantum noktalarına dayalı yeni bir yüksek performanslı SWIR görüntü sensörü geliştirdi. SWIR duyarlılığına sahip görüntü sensörleri, sis, parlak güneş ışığı, pus ve duman gibi olumsuz koşularda güvenilir bir şekilde çalışabilmekle kalmaz, aynı zamanda gözler için güvenli bir aydınlatma kaynağı sağlar. Bu sayede, SWIR moleküler görüntüleme yoluyla malzemenin özelliklerini belirleme imkanı sunar.

Kolloidal kuantum noktalarına (CQD) dayalı görüntü sensör teknolojisi, yakın kızılötesinde yüksek hacimli uyumlu görüntü sensörleri sunabilecek umut vaat eden bir teknoloji platformu sunar.

Kuantum noktaları, 1980 yılında keşfedilen ve benzersiz elektronik ve optik özellikler gösteren insan yapımı çok küçük parçacıklar veya nanoskalalı kristallerdir. Bu özellikler arasında elektron taşıma yeteneği ve özgün renkler üretme bulunur. Yapay olarak sentezlenen bu yarı iletken nanopartiküllerin boyutu 2 ila 10 nanometre arasındadır, yani çapı yaklaşık 10-50 atomdur ve güneş hücreleri, LED’ler ve katı hal aydınlatması, ekranlar, fotovoltaikler, transistörler, ultra hızlı tüm-optik anahtarlar, mantık kapıları, floresan biyolojik etiketleme, kuantum hesaplama, tıbbi görüntüleme, biyosensörler ve daha birçok alanda kullanılmaktadır.

En son çalışma Nature Photonics dergisinde yayınlandı ve ICFO, Fotonik Bilimleri Enstitüsü’nden araştırmacıların, klasik ve kuantum iletişim sistemleri üzerinde deneyler yapan ve QURV adlı, ICFO’nun görüntü sensör teknolojilerini geniş spektrumda geliştiren yan kuruluşunun katılımıyla gerçekleştirildi.

Çalışma, fonksiyonel, yüksek kaliteli ve CMOS teknolojisiyle bütünleştirilebilir toksik olmayan kolloidal kuantum noktalarının yeni bir üretim yöntemini sundu. CMOS, bugün çip veya mikroçip endüstrisinde entegre devreler (IC’ler) oluşturmak için en yaygın kullanılan teknolojidir. Bu yarı iletken teknoloji, en yeni CPU’lar ve akıllı telefonlar tarafından kullanılmaktadır.

CQD’leri CMOS ile bütünleştirerek SWIR aralığına erişilebilse de, bu SWIR duyarlı kuantum noktalarını ticari olarak kullanılabilir bir teknolojiye dönüştürmede bir engel bulunmaktadır. Bu, kurşun veya cıva gibi ağır metallere sahip olmalarından kaynaklanmaktadır; bu maddeler, Avrupa’nın Tehlikeli Maddelerin Kullanımını Kısıtlayan (RoHS) yönetmeliği kapsamında düzenlemelere tabidir ve tüketici elektroniği uygulamalarında kullanılmalarını sınırlamaktadır.

Ekip, fotovoltaik cihazların performansını artırmak amacıyla AsBiS2 teknolojisinin kapsamını genişletmek için gümüş bizmut tellürit (AgBiTe2) nanokristallerini sentezleme yollarını araştırırken, süreç sırasında yan ürün olarak gümüş tellürit (Ag2Te) elde etti.

Ag2Te, kuantum noktalara benzer şekilde ayarlanabilir güçlü bir kuantum sınırlı absorpsiyon gösterdi. Ekip, gümüş tellüritin SWIR fotodetektörleri ve görüntü sensörleri için potansiyelini fark ettikçe, bu Ag2Te kuantum noktalarının fosfin içermeyen versiyonlarını sentezlemek için yeni bir süreç geliştirmeye odaklandı. Fosfin, kuantum noktalarının fotodeteksiyonla ilgili optoelektronik özelliklerine zarar veriyordu.

Fosfin içermeyen Ag2Te veya gümüş tellürit kuantum noktalarını, fosfin olmadan ve boyutu ayarlanabilir şekilde sentezlemek için çalışma, geleneksel ağır metal muadillerinin avantajlı özelliklerini koruyan yeni bir yöntem kullandı; bu, büyük ölçekli üretim için SWIR kolloidal kuantum nokta teknolojisinin temelini attı.

Yeni sentez yönteminde, araştırmacılar fosfin içermeyen kompleksler, örneğin gümüş öncülleri ve tellüriyum kullandılar. Bu, çok geniş bir spektrum aralığında iyi kontrol edilen boyut dağılımı ve eksitonik zirveler elde etmelerini sağladı. Bu kuantum noktalar olağanüstü performans gösterdi. Fosfin bazlı tekniklerle önceki kuantum nokta üretimine kıyasla, ekip 1500 nm üzerindeki belirgin eksitonik zirvelerle benzeri görülmemiş bir başarı elde etti.

Bu fosfin içermeyen kuantum noktaları kullanılarak ekip, Indium Tin Oxide (ITO) ile kaplı bir cam alt tabakası üzerine basit bir laboratuvar ölçeğinde fotodetektör oluşturdu; bu, özelliklerini ve performansını değerlendirmek için yaygın bir standarttır.

Ekip, laboratuvar ölçeğindeki cihazların ışığı altlarından yansıtarak çalıştığı cihaz düzenini tersine çevirmek gibi “zor bir görev”le karşılaştı. Çalışmanın ortak yazarı, ICFO’da postdoc araştırmacısı Yongjie Wang, şu şekilde belirtti:

“CMOS entegre CQD yığınları için ışık üstten gelir, cihazın alt kısmı ise CMOS elektronikleri tarafından alınır.”

Fotodiyot başlangıçta SWIR ışığını algılamada düşük performans gösterdi, bu yüzden ekip bir tampon katman ekleyerek performansı önemli ölçüde artırdı. Yeniden tasarım, 350 nm ile 1600 nm arasında spektral aralık gösteren bir SWIR fotodiyot üretti. Aynı zamanda lineer dinamik aralık 118 dB’yi aştı ve -3 dB bant genişliği 110 kHz’i geçti. SWIR fotodiyot ayrıca oda sıcaklığında 10^12 Jones mertebesinde bir algılanabilirliğe sahipti.

“Bilgimize göre, burada rapor edilen fotodiyotlar, çözüm işlenmiş, toksik olmayan kısa dalga kızılötesi fotodiyotları ilk kez, ağır metal içeren muadillerle eşdeğer performans göstergeleriyle gerçekleştirmiştir.”

– ICFO’da ICREA Profesörü Gerasimos Konstantatos tarafından söylendi. 

Ek olarak, şunları söyledi:

“Bu sonuçlar, Ag2Te kuantum noktalarının düşük maliyetli, yüksek performanslı SWIR fotodetektör uygulamaları için vaat eden RoHS uyumlu bir malzeme olduğunu daha da desteklemektedir.”

SWIR Görüntü Sensörlerinin Potansiyel Gerçek Dünya Kullanım Alanları

ICFO araştırmacıları Lucheng Peng, Aditya Malla ve Wang, Konstantatos liderliğinde, ağır metal içermeyen kuantum nokta tabanlı bir fotodetektör geliştirdikten sonra, Qurv araştırmacıları Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black ve Julien Schreier ile iş birliği yaparak bir SWIR görüntü sensörü oluşturdu.

Kısa dalga kızılötesi fotodetektörlerin yüksek performanslı geliştirilmesi ve oda sıcaklığında çalışan toksik olmayan kolloidal kuantum noktalarına dayalı bir SWIR görüntü sensörünün entegrasyonu hakkında konuşan araştırmacılar, yeniden tasarlanan fotodetektörü CMOS tabanlı bir ROIC (okuma entegre devresi, kameraların ana bileşeni olup fotodetektörlerin arkasında konumlanır) FPA ile birleştirdiklerini belirtti.

Sensörün SWIR’de çalışmasını kanıtlamak için, silikon wafer’ların ışık altındaki iletimini gösteren birkaç fotoğraf çekildi. Ekip ayrıca, görünür ışık aralığında gözlemlenemeyen plastik şişelerin içeriğini de görebildi.

Bu sadece başlangıç değil. Bir sonraki adımda ekip, fotodiyot performansını cihazın farklı katmanlarını mühendislik yaparak artırmak istiyor. Ayrıca, araştırmacılar gümüş tellürit kuantum noktaları için yeni yüzey kimyalarına bakarak sadece performansı artırmakla kalmayıp, aynı zamanda çevresel stabilitesini de iyileştirmeyi amaçlıyor.

Şu an için, sensörün düşük maliyetli bir teknolojiyle tüketici elektroniği için SWIR erişimini sağlaması, Konstantatos’un şu sözleriyle özetlenebilir:

“Bu, düşük maliyetli bir teknolojiyle tüketici elektroniği için SWIR erişimini sağlayarak, otomotiv endüstrisi (arabalar) için gelişmiş görüş sistemlerini, olumsuz hava koşullarında sürüş ve görüşi mümkün kılacak geniş bir uygulama yelpazesini ortaya çıkaracaktır.”

Otomotiv uygulamalarının yanı sıra, gün ve gece koşullarında arka plan ışığından arındırılmış, göz güvenli bir pencere sağlayabileceğini ve böylece artırılmış gerçeklik (AR) ve sanal gerçeklik (VR) uygulamaları için LiDAR ve 3D görüntülemeyi mümkün kılacağını belirtti.

Robotik alanında, bu sensörler nesne tespiti ve navigasyon için özellikle faydalıdır; çünkü belirli malzemeler ve düşük ışık koşulları üzerinden görüntü alabilirler. Bu sayede robotların çevre algısını artırarak daha etkili bir şekilde gezinmelerini sağlar. Ayrıca, bu sensörler tam karanlıkta bile engel kaçınma için kullanılabilir, böylece güvenli navigasyonu destekler.

Kızılötesi Teknolojilerin Geliştirilmesi ve Entegrasyonu

FLIR Systems, Teledyne Technologies’ (TDY ) in bir parçası olarak, robotikte SWIR sensörleri gibi kızılötesi teknolojilerin geliştirilmesi ve entegrasyonu üzerinde çalışan şirketlerden biridir. 2023’ün sonlarında, Teledyne, Londra’daki Defence Security and Equipment International fuarında ‘Black Recon’ Araç Keşif Sistemi (VRS)’yi tanıttı. 

Neredeyse beş yıldır, genellikle Norveç Savunma Bakanlığı iş birliğiyle geliştirilen cihaz, otonom olarak fırlatılmak üzere tasarlanmıştır. Canlı görüntü ve hedefleme bilgilerini araç ekiplerine gönderir ve mayın taraması, köprü altı denetimleri ve el yapımı patlayıcı cihazların tespiti için kullanılabilir. Ayrıca yüksek hassasiyetli keşif, gözetim ve hedef edinimi sunar ve GPS’siz operasyonlar da gerçekleştirebilir. “Çok yüksek” hassasiyeti sağlamak için cihaz, LED teknolojisi ve SWIR kamerası kullanan özel bir izleme sistemi kullanır.

Bu alanda önde gelen diğer şirketler arasında Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group ve Sony yer almaktadır.

Şimdi, Elektrikli Araçlarda (EV’ler), SWIR görüntü sensörü, zorlu koşullarda daha verimli ve güvenli sürüş sağlayan güvenilir görüntüleme sunarak görüş sistemlerini iyileştirebilir. Bu sensörler ayrıca gece görüş sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunabilir ve farklı aydınlatma senaryolarında nesneleri tanıma ve ayırt etme yeteneği sayesinde gelişmiş sürücü destek sistemleri (ADAS) için faydalıdır; bu sistemler otonom araçlarda (AV) yol güvenliğini artırmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Otomotiv Endüstrisi için Algılama Teknolojileri

Luminar Technologies, özellikle LiDAR teknolojisi üzerine odaklanan, otomotiv endüstrisi için algılama teknolojileri geliştiren bir şirkettir. ABD’li lidar üreticisi, önümüzdeki beş yıl içinde Çin’de 1 milyon Luminar donanımlı araç piyasaya sürmeyi planlamaktadır.

Şirketin piyasa değeri 1,657 milyar dolar ve hisseleri şu anda hisse başına 3,23 $ seviyesinde, yılbaşından bu yana yaklaşık %3 düşüş gösteriyor. Şirketin gelir (TTM) 58,791 milyon dolar, EPS (TTM) -1,50 ve P/E (TTM) -2,17.

Bu arada, Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group ve Hyundai Motor gibi şirketler EV endüstrisini yönlendirmektedir.

Artırılmış Gerçeklik ve Sanal Gerçeklik

Şimdi, AR ve VR dünyasında, doğru derinlik algısı ve nesne tanımanın kritik olduğu bir ortamda, bu SWIR sensörleri daha etkileyici AR ve VR deneyimleri sunmak için çok faydalı olabilir. Zorlu ortamlarda görüntü kalitesini korumak ve AR uygulamalarının, nesneler görünür ışık spektrumunda doğrudan görülmese bile kullanıcının görüşüne dijital bilgi eklemesini sağlamak için de kullanılabilirler. Düşük maliyetli bir teknoloji olmaları, SWIR görüntü sensörlerinin tüketici cihazlarına entegre edilerek geniş bir kitleye ulaşmasını ve yeni uygulama ve deneyimlerin ortaya çıkmasını sağlar.

Sony AR dünyasında görüntü sensörlerini, CMOS teknolojisi dahil olmak üzere kullanan önde gelen bir isimdir. Sony duyurdu IMX992 SWIR görüntü sensörünü, endüstriyel ekipmanlar için 5,32 efektif megapiksel ve 3,45 μm piksel boyutu ile. Işığı verimli bir şekilde yakalamak için sensör, geniş bir spektrumda yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlayan optimize edilmiş bir piksel yapısına sahiptir. 

115 milyar dolar piyasa değerine sahip SONY’nin hisseleri şu anda 91,22 $ seviyesinde işlem görüyor. Şirket, 84,834 milyar dolar gelir (TTM) elde etti ve EPS (TTM) 4,72, P/E (TTM) 19,33 ve ROE (TTM) %12,45. Sony ayrıca %0,61 temettü verimi ödemektedir.

Bu alandaki diğer önde gelen isimler arasında Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) ve Unity bulunmaktadır.

En iyi on artırılmış gerçeklik ve sanal gerçeklik hisse senedinin listesi için buraya tıklayın.

Sonuç

Gördüğümüz gibi, CMOS SWIR sensörlerinin kısa dalga kızılötesi spektrumundaki ışığa duyarlılığı, geleneksel görünür ışık sensörlerinin ötesinde görüntüler yakalamalarını sağlar; bu da belirli malzemeler üzerinden veya düşük ışık koşullarında görüşün kritik olduğu uygulamalarda değerli kılar. 

Bu sayede, otomotiv, hizmet robotikleri, AR, VR ve tüketici elektroniği pazarları gibi farklı sektörlerde yüksek hacimli, bilgisayar görüşü odaklı uygulamalarda benzeri görülmemiş performans ve güvenilirlik sağlayabilir. Gelecekte, teknoloji ilerledikçe, bu sensörlerin entegrasyonu uzay keşfi gibi diğer alanlara da genişleyebilir.