当前位置： 电视设备 >> 电视设备前景 >> 量子点图像传感器将带来数字成像革命5年内
半导体材料汲取光时，从化学键中释放出也许解放周游的电子。量子点的过程宛如。不同之处在于，即使电子被释放，但它不能随便周游；量子点的直径惟有几纳米，它被粒子边沿所挤压。这类挤压被称为量子束缚，它赠给粒子非凡属性。
最好成像属性是，量子点汲取的光可调谐，也便是说，只需抉择适宜的材料和适宜的粒子巨细，颜色就也许陆续调换，适应看来光谱和红外光谱中的险些任何波长。这类可调谐性也也许反向影响——当电子从新组合时发出的光的色调也许切确抉择。比年来，恰是这类发光可调谐性启迪了电视机和其余显示器建立商应用量子点来改善色调涌现。这类增加功效的称号浩繁；最罕见的是“量子点发光二极管”（QLED）。除了可调谐性之外，量子点还具备其余优越的特征。它们尺寸较小，因此也许被归入可打印泥墨中，令量子点轻松加入建立过程。相较硅而言，量子点也许更灵验地汲取光线，援手相机建立商临盆更薄的图象传感器。量子点在从极低亮度到极高亮度的广泛动态范围内都很敏锐。在评释量子点相机做事旨趣及其何时或者投入贸易应用以前，应先评释一下CMOS传感器，即当下数字图象手艺的近况。显然，在已往一二十年里，底子手艺取患了长足进取，撙节了尺寸，低落了价值。但它将光线更动成图象的方法根本上没有改革。
典范的相机，如手机自带相机中，光线颠末一系列镜头和赤色、绿色和蓝色滤光片，后被硅CMOS芯片的一个传感器像素（或称图素，差别于图象像素）汲取。滤光片决议每个图素将纪录的颜色。当图素汲取光子时，电子从化学键中释放出来，挪移到像素边沿的电极上，在何处被储蓄到电容器中。读出电路将每个图素在规守时光内搜集的电荷更动成电压。电压决议了图象像素的亮度。罕见的建立过程同时产出硅探测器和读出电路。这一过程包罗一系列悠久而完整的光刻、蚀刻和成长环节。此类建立成本低，并且相对简略。但硅探测器也存在一些弱点。常常情景下，读出电子器件位于探测器的顶部，即所谓的前照征战。这类布局下，金属触点和轨迹反射部份入射光，低落了效率。背照征战借助探测器下的读出电子器件来避免这类反射，但却增长了建立成本和繁杂性。直到近十年，背光传感器的成本才大幅降落，用于手机、数码相机等的民用征战。硅只是汲取不够1微米的波长，是以不能用于近红外范围之外的成像。此刻明白一下量子点怎么改革这一格局。
咱们以前提到，颠末精确地调换量子点的巨细，材料建立商也许的确地抉择它们所汲取光的波长。看来光谱中最大的量子点直径约10纳米，它们汲取紫内线、蓝光和绿光，并发出红光，也便是说它们具备荧光特征。量子点越小，其汲取和发射越向色谱中的蓝光偏移。譬喻，约3纳米的硒化镉量子点汲取紫内线和蓝光，并发出绿光。配有量子点探测器的相机与硅CMOS相机的做事旨趣基真宛如。当图素中的量子点汲取光子时，电子摆脱其定域键。量子点的边沿束缚了电子的挪移。但是，假设另一量子点充分接近，解放电子就会“跳”过该量子点，颠末多子点之间的陆续腾跃，抵达图素的电极，在何处由像素的读出电路计数。读出电路与硅光电探测器的建立办法宛如，都是直接在晶圆上建设。将量子点增加到晶圆上切实增长了一个处置环节，但该环节极为简略：它们也许做为一种油墨悬浮在溶液中，并在电路上打印或旋涂。借助这类方法，量子点光电探测器占有背光像素的功用上风，险些一齐入射光都能抵达探测器，而不须要增长这类手艺的成本和繁杂性。量子点再有一个上风。相较于硅，它们更能灵验汲取光线，是以只需在读出电路的顶部薄层就可以搜集到险些一齐入射光子，这象征着汲取层毋庸抵达准则CMOS图象传感器中的厚度。其它，汲取功用极佳的量子点薄层圆满适应低亮度和高亮度，为传感器创做一个更好的动态范围。史蒂夫·乔布斯常说：“再有件事。”量子点相机占有庞大的潜力将红外照相融入合流，由于它们的可调协功用够平添到红外波长。
今朝的红皮毛机功用不亚于看来光相机，可是汲取光的材料大不宛如。保守的红皮毛机应用带小能带隙的半导体，如硒化铅、锑化铟、碲镉汞或砷化铟镓，来汲取硅无奈汲取的光。由这些材料造成的像素阵列务必与用于衡量电流和生成图象的硅CMOS电路隔开制做。探测器阵列和电路务必在每个像素处毗邻，常常采纳金属间毗邻。这一耗时的过程，又被称为杂合，它包罗在探测器阵列和CMOS电路的每个像素上安插一个袖珍低熔点铟柱。建立机械务必将两者毗邻起来，压合，后将铟溶化，造成电气毗邻。这一过程的繁杂性束缚了潜在的阵列巨细、像素巨细和传感器分辩率。更糟了的是，由于一次只可处置一个摄像头芯片，是以杂合过程通量低、成本高。但与这些保守材料同样对红内线敏锐的量子点也许借助成本廉价的大范围化学工艺合成。别的，宛如于同类看来光产物，硅电路完竣后，汲取红内线的量子点也许涂于芯片上，这是一个无需杂合且快捷简略的过程。消除杂合象征着分辩率（像素巨细）也许小于15μm左右，以适应铟柱，准许更多的像素存在于一个较小的地域。传感器变小象征着光学元件变小，红皮毛机的形态和尺寸产生改革，且成本极大低落。一齐这些成分令量子点看起来像是一项圆满的成像手艺。但它们并非没有挑战。当今，完结贸易化的要紧阻碍是平稳性、效率和统一性。
建立商要紧颠末开辟可平添的化学工艺来处理用于电视显示器的发光量子点题目，这些化学工艺也许创做大批险些没出毛病的高效量子点。但量子点仍旧会在空气中氧化，致使传感器功用毛病和改革，包罗敏锐度低落、噪声加大、响当令间变慢以至短路。但是平稳性题目并不会妨碍显示器完结贸易化，因为在于，维护所用量子点不受大气影响并诘责事。凭据当今量子点在显示器上应用的方法，量子点汲取来自蓝色LED的光，而光生电荷载流子逗留在每个量子点内，从新组兼并发出荧光。因而这些量子点不须要直接毗邻到电路，这象征着界限的齐集物基体颠末在齐集物膜的双侧增长抵挡层来为它们供应维护，以避免大气泄漏。但在光电探测中，关闭齐集物中的单个量子点行不通：释放出的电子须要解放迁徙到电极上才具被计入。封装一切量子点层或整台征战可准许此类迁徙，同时维护量子点不受大气摧残。这或者是初始处理蓄意。其它，量子点自身也许颠末非凡蓄意来低落氧化影响而不造成电荷传输阻碍，同时保持平稳性和可加工性。探索人员正执政着这一困难的职责竭力。另一阻碍来自当今用来保持量子点平稳的有机表面活性剂。这些表面活性剂起到绝缘体的影响，因此也许反对电荷载流子轻松穿过多子点膜，抵达搜集记号的电极。今朝，建立商将量子点堆积成薄膜，再将长表面活性剂分子取代为较短的表面活性剂分子，以增加导电性。但这增长了一个工艺环节，且跟着时光的推移，量子点更简略降解，因为在于取代过程会摧残量子点的外层。光子探测的效率同样存在题目。鉴于量子点尺寸小，表面积大，它们或者存在浩繁毛病——晶格毛病或者致使在电子抵达电极以前，光生电荷从新聚集。在此情景下，最后抵达量子点的光子不会被电路探测到，进而减轻了最后抵达相机处置器的记号。包罗单晶半导体的保守光电探测器鲜有这类毛病，因此效率高出50%。而量子点光电探测器的效率常常低于20%。是以，即使量子点在汲取光方面优于硅，但量子点光电探测器的大众效率仍无奈与之比赛。不过，量子点材料和器件的蓄意正稳步改善，效率也在持续抬高。由于建立商应用化学工艺来建立量子点，是以量子点的巨细存在必然的内涵改革。量子点的光学和电子特征由其巨细决议，任何直径偏离都市引发所汲取光颜色的改革。跟着源化学物资以及合成、净化和储蓄产生改革，两批量子点巨细或者存在显著差别。建立商务必隆重管束工艺过程以避免此类情景。占有该界限阅历的至公司也许灵验保持统一性，不过较袖珍的建立商时时很难临盆出一致的产物。面对这些挑战，一些公司曾经起头起头完结量子点相机贸易化，这些产物希望成为合流。早前一个较有压服力的例子是SWIR视觉系统公司推出的Acuros相机。该公司专心于临盆短波红外量子点相机，用于现有红皮毛机运用成本过于清亮的运用界限。相机应用硫化铅量子点，通太短波红内线汲取看来光。这款相机探测器当今关于红外波长的均匀效率为15%，行将15%抵达探测器的光子用做可衡量记号，远低于现有的砷化铟镓手艺效率（80%）。但借助15μm像素，Acuros相机比大大都红外摄像机的分辩率更高。该公司示意，其售价会对那些无力置备保守红外摄像机用于帆海成像、临盆检讨和产业过程监控的贸易用户具备吸引力。至于民用相机墟市，TechCrunch在年报导称，苹果购买了专科从事智高手机量子点相机的公司InVisage。苹果对这项手艺的蓄意依旧保持默然。苹果大概对量子点相机的红外功用功用而非看来光功用更感兴致。苹果将红外光和传感器运用于其脸部判别手艺，价值更廉价、分辩率更高的芯片显然会引发苹果公司的兴致。其余公司也在竭力处理量子点光传感器的平稳性和效率题目，并拓展波长和敏锐度方面或者的界线。BAE系统公司、Brimrose公司、Episensors公司和Voxtel公司等都在努力于完结量子点相机手艺的贸易化。天下各地的学术大众，包罗麻省理工学院、芝加哥大学、多伦多大学、苏黎世联邦理工学院、巴黎索邦大学和香港都邑大学的团队，也都在深度参加量子点传感器和相机的探索。5年内，量子点图象传感器很或者将安置于手机，使咱们也许在低亮度下拍出更好的相片和视频，改善脸部判别手艺，并以当今无奈推断的方法将红外光电探测融入平常生计。尺寸更小、成本更低的传感器将也许完竣一齐关联做事。做家：PeterPalomaki、SeanKeuleyanIEEESpectrum
《科技纵览》
