導讀

短波紅外成像技術的發(fā)展受到了傳感器材料種類的限制與推動，從硅基到銦鎵砷，從量子點到鍺基，豐富的材料影響著短波紅外相機的分辨率、質(zhì)量、成本等性能特征。

短波紅外成像與傳感器

短波紅外光通常定義在 900 - 1700nm，相比于可見光能揭示更多肉眼看不到的信息，捕獲該波長范圍內(nèi)的紅外光是一項挑戰(zhàn)，需要復雜的傳感器技術。現(xiàn)用于短波紅外技術的傳感器有多種材料可選，不同材料的傳感器具有特定的優(yōu)點和缺點。

各種傳感器在不同紅外波長范圍內(nèi)的應用和光譜靈敏度（圖源Allied Vision）

根據(jù)傳感器玻璃材料和內(nèi)部架構，硅基傳感器可以優(yōu)化為在低至 200nm 的紫外范圍內(nèi)靈敏，或在 750 - 1100nm 范圍內(nèi)提供更高的靈敏度（近紅外感應）。然而，從 1050nm 開始的量子效率通常小于 10% 且會急劇下降，因為硅在大約 1100nm 處是透明的。因此，需要其他傳感器材料來檢測 1100nm 以上 SWIR 范圍內(nèi)的光。

銦鎵砷短波紅外傳感器

最常見的 SWIR 傳感器類型使用砷化銦鎵（InGaAs，銦鎵砷）為材料，這種傳感器通常在 900 -1700nm 范圍內(nèi)靈敏。如果亞磷酸銦層保持很薄，那么可見光就可以進入光敏InGaAs層，該傳感器即可檢測可見光范圍內(nèi)的光。例如，索尼的 IMX99x SenSWIR 傳感器就屬于這種類型。

InGaAs的有趣之處在于，傳感器可以用不同成分的砷化銦和砷化鎵制造，最終銦和鎵之間的比率決定了截止波長（即能夠檢測到的最長波長）。比如增加 InGaAs 技術使用的銦含量，可以將檢測范圍擴展到 2600nm 左右，但需要權衡的是整體性能會降低、成本將增加 4-5 倍。

銦鎵砷化物傳感器已經(jīng)得到廣泛應用，市面上有眾多銦鎵砷探測器的短波紅外相機。?百萬像素高性能、高密度 InGaAs 大面陣焦平面陣列技術在歐美和日本等地已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，最小像元中心距達到 5 μm。國內(nèi)目前的 InGaAs 產(chǎn)品規(guī)格主要是 15μm 中心距、640×512 像素，10μm / 15μm 中心距 、1280×1024 像素的產(chǎn)品正在陸續(xù)推出。

InGaAs 紅外相機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其高靈敏度、高幀速和高分辨率，以及優(yōu)化的制冷設計帶來的低噪聲和高穩(wěn)定性。InGaAs 紅外相機是高要求應用場景的首要選擇，包括但不限于硅晶元檢測、光通訊、電致發(fā)光（EL）、光致發(fā)光（PL）等。

友思特 InGaAs 短波紅外相機 HG-A130SW，分辨率 1.3M，可用于半導體檢測等場景

InGaAs 短波紅外探測器的成本限制了其潛力。InGaAs 傳感器通常每單位成本高達1萬美元，這是由于批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的高缺陷率而使價格不得已抬高。制造 InGaAs 傳感器需要將材料外延生長到磷化銦（InP）晶圓上并切成芯片。然后，像素與硅讀出電路進行銦鍵合，這一過程稱為“倒裝芯片雜交”，撇開高昂的生產(chǎn)成本不談，還會限制像素間距和分辨率，InP 材料固有的脆弱性也為制造出更大尺寸的晶圓帶來了挑戰(zhàn)。

一些 InGaAs 傳感器試圖通過使用銅銅（Cu-Cu）混合晶圓鍵合技術來克服其有限的像素間距。然而，由于這些傳感器在室溫下會經(jīng)歷高暗電流，因此更容易受到噪聲的影響，這意味著需要笨重的冷卻系統(tǒng)才能實現(xiàn)所需的圖像質(zhì)量。

量子點短波紅外傳感器

量子點是納米級半導體材料，可以響應高達 2600nm 的波長。從廣義上講，它們可以分為膠體或外延。外延量子點是使用高能“干”化學技術生產(chǎn)的，而膠體量子點是使用臺式“濕”化學技術生產(chǎn)的，賦予它們無與倫比的光電特性，以及合成過程中精確的尺寸控制。因此，膠體量子點比外延替代品更便宜、更容易生產(chǎn)，并且是視覺系統(tǒng)中最常用的變體。

硫化鉛基 （PbS） 量子點能夠以銦砷化鎵技術的一小部分成本實現(xiàn)類似或更高的性能，具有靈活的寬帶可調(diào)性，涵蓋可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外 （MWIR） 波長；光吸收性強，介電常數(shù)大。PbS 量子點與各種基板和外形尺寸兼容，特別適合短波紅外成像和傳感。現(xiàn)在市面上也出現(xiàn)了一些商用量子點短波紅外相機，并在工業(yè)場景有所應用。

雖然成本引人注目，但 CQD 和銦鎵砷相比，其量子響應仍然更低。InGaAs 在 950 - 1650nm 之間具有＞80% 的量子效率，而 CQD 在大多數(shù) SWIR 波長上的信號不到 10%，幀速率也相對較低。不過，它們以更低的成本、低暗電流和更高的分辨率（目前高達 2MP）而擁有一定的市場用量。除此以外，CQD 傳感器通常比 InGaAs 傳感器具有更寬的光譜范圍，因此它們可以通過單個傳感器支持多個光譜范圍。盡管量子點不太可能在短期內(nèi)完全取代用于短波紅外傳感的銦砷化鎵，但該技術適合作為一項技術補充。

鍺基短波紅外傳感器

鍺基 SWIR 傳感器是一種創(chuàng)新技術路線，改進了鍺的生產(chǎn)工藝，采用獲得專利的選擇性外延鍺（Ge）生長技術與成熟的硅基 CMOS 讀出電路技術相結合，通過鍺的熱氧化來降低表面粗糙度；同時,采用雙用雙芯片封裝 (傳感器與 ROIC) 技術，相比于目前成熟的單片集成技術方案具有更強的制造靈活性，進一步降低了短波紅外探測器的制造成本。創(chuàng)新的技術使得鍺基短波紅外相機 Beyonsense 入圍了 2023 年的 SPIE 國際光學和光子學協(xié)會棱鏡獎的相機/傳感技術類提名。

友思特 BeyonSense 短波紅外相機采用了非制冷鍺基探測器，實現(xiàn)了 28mm 超薄的小巧尺寸，此外，相機采用現(xiàn)代化的簡單方便的無線連接的方式，個人手機、平板、電腦直接WIFI連接即可控制相機拍攝和儲存，真正意義上將 900nm-1700nm 短波紅外成像技術送到人們手掌之中。

友思特 Beyonsense 鍺基短波紅外相機透過晶圓看到鹵素燈燈絲，驗證了其對短波紅外光的探測能力

雖然鍺基紅外探測器的成本有明顯下降，但其分辨率和幀頻較低，128×128 的分辨率適合一些實驗室應用，比如對紅外激光成像等基本應用。對于分辨率要求更高的工業(yè)場景，目前還需要提分辨率與靈敏度等參數(shù)。

除了以上介紹的探測器以外，碲化汞、鎘 （MCT） 與 II 型超晶格 T2SL 傳感器（某些材料成分，如 InGaAs/GaAsSb 或 InAs/AlSb/GaSb）也可以探測短波紅外范圍，不過它們更常見被用于中波紅外波長范圍內(nèi)的成像。

基于 MTC 傳感器的相機通常具有較低的分辨率，最高 640×512 像素 （VGA）。它們支持 400 - 2500nm 的寬光譜范圍，具有高量子效率。然而，這是一項昂貴的技術，需要通過純散熱器進行強力冷卻，以補償傳感器的高暗電流。

II 型超晶格傳感器的相機的特點是具有非常高的動態(tài)范圍，盡管在 SXGA 分辨率下最小像素尺寸在 5 - 12μm 之間，然而相比之下，它們具有低量子效率和低幀率。此外，還有非常高的暗電流值和通常高昂的成本。因此，這兩類探測器在短波紅外范圍內(nèi)應用較少。

多種技術路線的短波紅外相機為工業(yè)與科研都帶來了新的視野，能夠幫助人們探查到人眼所見不到的領域，比如半導體晶圓的隱裂、塑料瓶液位檢測、水果淤傷檢測等。

隨著技術的進步，短波紅外探測器會實現(xiàn)更高的分辨率、更好的量子響應效率，其低成本化趨勢也將讓短波紅外相機更容易進入日常生活，讓普通大眾也可享受短波紅外技術給生活質(zhì)量帶來的改善。

友思特短波紅外相機產(chǎn)品

InGaAs短波紅外相機

友思特提供 1.3M、5M 分辨率的 CMOS 與 InGaAs 短波紅外相機，高分辨率與高量子響應效率，多種接口選擇，滿足工業(yè)與科研需要。

鍺基短波紅外相機

BeyonSense 低成本迷你短波紅外相機，配置三腳架與鏡頭，靈活便攜，可無線連接電腦與手機，可用于簡單的 SWIR 成像與科研應用。

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審核編輯 黃宇