近日，兩位科學(xué)家在IEEE上發(fā)布文章，稱量子點(diǎn)圖像傳感器可能將逐漸取代CMOS圖像傳感器。量子點(diǎn)圖像傳感器對(duì)于光線的吸收是可調(diào)的，并且光線吸收能力更強(qiáng)、成像動(dòng)態(tài)范圍更廣、尺寸更小。
Illustration: Anatomy Blue
雖然目前量子點(diǎn)成像還面臨穩(wěn)定性較差、效率較低、一致性難以保證等問題，但全球許多科技企業(yè)都致力于實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)成像的商業(yè)化。據(jù)外媒報(bào)道，蘋果在2017年就曾收購(gòu)過一家致力于制造量子點(diǎn)相機(jī)以用于智能手機(jī)的公司InVisage。
強(qiáng)光弱光通吃 成本更低
從2000年起，CMOS圖像傳感器逐漸走向商業(yè)化，這也導(dǎo)致數(shù)碼相機(jī)的體積越來越小，價(jià)格越來越便宜。現(xiàn)在，手機(jī)至少都配備了兩個(gè)攝像頭，除了專業(yè)攝影師，一般很少有人還要帶上相機(jī)出門。大部分人都覺得手機(jī)拍出的相片已經(jīng)足夠好了。
但是目前在強(qiáng)光環(huán)境下，手機(jī)拍攝的照片會(huì)丟失許多細(xì)節(jié)，而在弱光環(huán)境下，圖像的噪點(diǎn)也會(huì)非常明顯，并且解析度不夠。并且手機(jī)的成像色彩也不會(huì)跟專業(yè)相機(jī)一樣豐富。而這一切都與手機(jī)使用的CMOS圖像傳感器有關(guān)。
現(xiàn)在成像技術(shù)領(lǐng)域又將會(huì)迎來一場(chǎng)革命——量子點(diǎn)傳感器。量子點(diǎn)是一種納米級(jí)的半導(dǎo)體材料顆粒，也可以用作圖像傳感器中的光線吸收材料。
一般來說，半導(dǎo)體材料吸收光時(shí)，會(huì)從化學(xué)鍵中釋放出電子，并且該電子會(huì)處于一種自由漫游的狀態(tài)。然后傳感器會(huì)捕捉這些電子并生成圖像信號(hào)，通過一系列復(fù)雜的處理，最終讓你看到照片。
同樣，量子點(diǎn)也會(huì)吸收光線并釋放電子，但不同的是，它所釋放的電子卻不那么容易漫游。因?yàn)榱孔狱c(diǎn)的直徑只有幾納米，所以就會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一種量子約束（quantum confinement）效應(yīng)，因?yàn)檫@種效應(yīng)，釋放的電子就會(huì)更不容易“逃走”。這也是量子點(diǎn)比較特殊的性質(zhì)之一。
▲傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器和量子點(diǎn)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)對(duì)比 Invisage
對(duì)于成像來說，量子點(diǎn)最有用的屬性是其吸收的光是可調(diào)的。只需要只需選擇合適的材料和合適的粒徑大小，就可以將量子點(diǎn)可吸收的光調(diào)整為可見光和紅外光譜中的任何波長(zhǎng)。直徑約10納米量子點(diǎn)可以吸收紫外線、藍(lán)光和綠光，并且可以發(fā)出紅光。而3納米的硒化鎘量子點(diǎn)可以吸收紫外線和藍(lán)光并發(fā)出綠光。
這種可調(diào)性也可以逆向生效，也就是可以人為控制電子與量子點(diǎn)復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光的顏色。近年來，正是量子點(diǎn)這種發(fā)光可調(diào)性激發(fā)了電視和顯示器廠商使用量子點(diǎn)來改善色彩的表現(xiàn)力，造就了我們能看到的量子電視和QLED面板。
除可調(diào)性外，量子點(diǎn)還有一些優(yōu)點(diǎn)。比如，較小的尺寸可以使量子點(diǎn)摻入可印刷的墨水中，從而使量子點(diǎn)非常易于制造。另外，量子點(diǎn)可以比硅更有效地吸收光，這就讓圖像傳感器的尺寸可以變得更薄。最后，量子點(diǎn)成像的動(dòng)態(tài)范圍非常廣，無論是強(qiáng)光還是弱光都可以良好的成像。
紅外成像領(lǐng)域前景廣闊
▲量子點(diǎn)紅外攝像機(jī)的商業(yè)應(yīng)用，其中黑白圖像是由量子點(diǎn)紅外攝像機(jī)拍攝 SWIR Vision Systems
就像上面圖中所展示的，量子點(diǎn)相機(jī)還有具有一個(gè)巨大的潛力，就是可以將紅外攝影技術(shù)帶入大眾電子消費(fèi)產(chǎn)品中，因?yàn)樗鼈兊目烧{(diào)性能夠擴(kuò)展到紅外波長(zhǎng)。
傳統(tǒng)的紅外攝像機(jī)使用例如硒化鉛、銻化銦或砷化銦鎵這樣的半導(dǎo)體材料來吸收硅所不能吸收的光。由這些材料制成的像素陣列必須與用于測(cè)量電流并生成圖像的硅CMOS電路分開制造，然后再通過金屬對(duì)金屬的方式進(jìn)行單個(gè)像素點(diǎn)級(jí)別的連接。
這個(gè)工藝非常復(fù)雜，也因此限制了像素陣列大小、單像素大小和傳感器分辨率。另外，由于一次只能完成一個(gè)攝像頭芯片的制造，這種制造工藝的產(chǎn)能是非常低的。
但量子點(diǎn)卻可以使用廉價(jià)的大規(guī)模化學(xué)處理技術(shù)合成，跟傳統(tǒng)材料一樣。而且工廠還可以在硅電路完成后，直接把量子點(diǎn)噴涂到芯片上，非常快速、高效。這樣一來，同樣的面積上還可以容納更多的像素點(diǎn)，也就可以讓紅外攝像機(jī)的尺寸進(jìn)一步縮小，并降低成本。
量子點(diǎn)成像依然存在三大挑戰(zhàn)
上述種種優(yōu)勢(shì)讓量子點(diǎn)看起來像是一種完美的成像技術(shù)，但其實(shí)目前還存在許多挑戰(zhàn)。量子點(diǎn)成像在當(dāng)下主要的障礙是穩(wěn)定性較差、效率較低、一致性難以保證。
1、穩(wěn)定性
首先，量子點(diǎn)會(huì)在空氣中氧化，從而導(dǎo)致傳感器的性能發(fā)生變化，比如靈敏度降低、噪點(diǎn)增強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間變慢甚至短路。在電視廠商那里，量子點(diǎn)不需要直接接觸電路，因此可以通過用聚合物包圍量子點(diǎn)的方式防止其暴露在空氣中。
但在圖像傳感器中，量子點(diǎn)要用于光的檢測(cè)，就必須要實(shí)現(xiàn)電子的自由遷移，要與電路進(jìn)行接觸。所以在保護(hù)量子點(diǎn)不受空氣氧化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電子遷移是目前探索的方向之一，但這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，許多研究人員都在朝著這個(gè)目標(biāo)努力。
另外，目前用于維持量子點(diǎn)穩(wěn)定的有機(jī)活性劑，會(huì)導(dǎo)致電子不易通過量子點(diǎn)膜轉(zhuǎn)移到收集信號(hào)的電極上，因此采用什么材料制成活性劑也是要解決的一個(gè)難題。
2、效率
▲常見量子點(diǎn)材料與傳統(tǒng)材料光子檢測(cè)效率的對(duì)比（上圖: SWIR Vision Systems; 下圖: Sensors, 2017）
量子點(diǎn)傳感器在光子檢測(cè)效率方面也存在問題。量子點(diǎn)尺寸小、表面積大的特性會(huì)導(dǎo)致部分光線射入后生成的電子在到達(dá)電極之前，又與量子點(diǎn)重新結(jié)合。發(fā)生這種情況時(shí)，電路永遠(yuǎn)不會(huì)檢測(cè)到光子，從而減少了最終到達(dá)相機(jī)處理器的信號(hào)。
傳統(tǒng)的CMOS傳感器中，光子檢測(cè)的效率一般在50%以上，而量子點(diǎn)傳感器的效率通常不足20%，差距比較明顯。目前量子點(diǎn)材料和器件設(shè)計(jì)正在逐步改善，檢測(cè)效率也在不斷提高。
3、一致性
由于目前廠商普遍使用化學(xué)工藝制造量子點(diǎn)，因此其尺寸存在一些固有的變化。并且由于量子點(diǎn)的光學(xué)特性受尺寸的影響比較明顯，所以任何偏差都將導(dǎo)致吸收的光的顏色發(fā)生變化。
廠商必須小心地控制制造過程，盡量縮小偏差。在這方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的巨頭公司在保持一致性方面已經(jīng)做的非常出色，但是較小的廠商通常很難生產(chǎn)出一致的產(chǎn)品。
量子點(diǎn)圖像傳感器上手機(jī)
盡管存在這些挑戰(zhàn)，但是許多公司仍然迎難而上，致力于將量子點(diǎn)相機(jī)商業(yè)化。
▲SWIR Vision Systems推出的紅外量子點(diǎn)相機(jī)Acuros
SWIR Vision Systems專注于制造短波紅外量子點(diǎn)相機(jī)。Acuros使用了硫化鉛量子點(diǎn)，目前，此攝像機(jī)中的量子傳感器對(duì)紅外波長(zhǎng)的平均檢測(cè)效率為15％，這意味著接觸探測(cè)器的光子中有15％最終會(huì)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的信號(hào)。
這大大低于現(xiàn)有紅外相機(jī)中所使用的砷化銦鎵技術(shù)的檢測(cè)效率，后者可以達(dá)到80％。但是Acuros相機(jī)的像素為15 µm，比大多數(shù)紅外相機(jī)具有更高的分辨率。該公司指出，它的價(jià)格相比傳統(tǒng)紅外相機(jī)也更具競(jìng)爭(zhēng)力。
至于消費(fèi)相機(jī)市場(chǎng)，2017年TechCrunch報(bào)道稱蘋果已經(jīng)收購(gòu)了InVisage，這是一家致力于制造量子點(diǎn)相機(jī)以用于智能手機(jī)的公司。不過蘋果一直對(duì)量子點(diǎn)技術(shù)的相關(guān)計(jì)劃保持沉默。
其他公司也正在努力解決量子點(diǎn)光電傳感器的穩(wěn)定性和效率問題，并擴(kuò)大波長(zhǎng)和靈敏度的范圍。BAE Systems、Brimrose、Episensors和Voxtel都是致力于量子點(diǎn)相機(jī)技術(shù)商業(yè)化的公司。世界各地的學(xué)術(shù)團(tuán)體也深入?yún)⑴c基于量子點(diǎn)傳感器和攝像頭的研究，包括麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)、多倫多大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、索邦大學(xué)和香港城市大學(xué)。
五年之內(nèi)，我們很可能會(huì)在手機(jī)中看到基于量子點(diǎn)的圖像傳感器，從而使我們能夠在弱光下拍出更好的照片和視頻，并改進(jìn)面部圖像識(shí)別技術(shù)，同時(shí)紅外成像的成本也會(huì)極大降低，設(shè)備尺寸也會(huì)進(jìn)一步縮小。
