量子点技术推动SWIR机器视觉应用

量子点技术曾经被认为只是一种科学上的好奇探索，但现在它正使全球数十亿美元的成像和传感市场发生革命性的变化。每年，正越来越多地涌现出这些纳米级半导体的应用。由于量子点技术非常适合从成像到光伏的所有应用领域，其为机器视觉行业的爆炸式增长贡献了一份力量。分析师预测，到2027年，这些纳米级半导体材料的市场规模可能达到3.6亿美元。随着人工智能（AI）和相机系统的快速发展，对短波红外（SWIR）灵敏度的需求进一步增加，量子点技术迎来了飞速发展。量子点合成方法和替代方案继续突破，将使量子点进入越来越多样化的领域；随着技术的进一步发展，下一代SWIR传感器将越来越容易获得。什么是量子点？量子点是纳米级半导体材料，对这种材料施加一定的电场或光压，材料就会发出特定波长的光，并且发光波长会随着材料的尺寸变化而变化。量子点能发出的波长达2600nm。大致来说，量子点可以分为胶体或外延两种类型。外延量子点是使用高能“干”化学法（外延生长法）生产的，而胶体量子点是通过台式“湿”化学法（化学溶液生长法）生产的，这赋予了量子点无与伦比的光电性能，以及在合成过程中量子点晶体的精确尺寸控制。因此，胶体量子点明显比外延量子点方案更便宜、更容易生产，在视觉系统中最为常用。胶体量子点（以下简称“量子点”）尺寸通常在2~10nm之间，或者只有几个原子宽。用于光电探测应用的量子点，由具有有机配体外壳的半导体芯体制成，该有机配体外壳使量子点能够分散在溶剂中。这有利于使用低成本的沉积方法，如旋涂法；而外延量子点需要诸如晶格匹配和热预算的约束。大多数量子点是使用长链有机配体交换生产的，这样可以为量子点的生长提供卓越的控制能力，并有助于保持量子点在溶剂中的胶体稳定性。在这个过程中，长链有机配体被更短、更导电的配体取代，这使得量子点更适用于光电器件，并增加固体膜层中纳米颗粒之间的电子耦合。与生产具有更宽尺寸的外延量子点方案相比，生产仅几个原子宽的量子点的能力所带来的好处是：增加量子限域效应。当一个粒子与它所包含的电子的波长相比相对较小时，可以观察到量子约束效应。量子点本质上是一个小的半导体盒子，随着这个盒子的尺寸减小，价态和导带之间的带隙减小。这增加了受限电子的势能，导致粒子呈现出极其可调的发射波长。图1：一位科学家使用光学显微镜检查量子点薄膜。红外成像与传感量子点可调到不同波长的能力，保障了它们在新兴技术领域的广泛应用。使用量子点可以产生明亮、生动的颜色，再加上量子点技术的效率，在可见光波段，使其非常适合显示应用。量子点可以添加到LCD显示器中的薄膜、滤光片、玻璃和电子产品中，以产生高精度图像；因此，这项技术已经广泛应用于商用电视和计算机显示器中。然而，量子点技术的这些应用还只是触及到量子点应用能力的肤浅表面。真正获得量子点带来的好处、并迎来机器视觉领域的重大变化，需要将量子点材料的受激辐射波长调到可见光波长之外的红外波段。机器视觉和成像系统受益于高性能SWIR传感技术的出现。InGaAs（砷化铟镓）基传感器已经被广泛使用，但InGaAs的成本迄今为止还在限制这类传感器的应用潜力。InGaAs基传感器通常每单位成本高达10000美元；由于批量生产过程中出现的高缺陷率，因此实际生产InGaAs基传感器的成本会更高。生成InGaAs基传感器，需要将材料外延生长到磷化铟（InP）为基底的晶圆片上，并切成芯片。然后，在一种被称为“倒装芯片混合”的过程中，像素与半导体读出电路通过铟化物结合。这一过程不但生产成本高昂，而且还会导致像素间距和分辨率受限。InP材料固有的易碎特性，也使得制造更大尺寸的晶圆片极具挑战性。一些InGaAs基传感器试图通过使用铜-铜（Cu-Cu）混合晶圆片结合技术，来克服其像素间距受限的挑战。然而，由于这些传感器在室温下处于高暗电流环境中，传感器更容易受到噪声的影响，这意味着需要庞大的冷却系统来实现所需的图像质量。此外，这种情况下，基于InGaAs技术的传感器，在没有进一步化学干预的情况下，无法感应大于1700nm的波长。虽然增加所使用的铟含量，可以将感光波长范围扩展到约2600nm，但传感器的整体性能会降低，并且成本会增加400%-500%，因此需要对InGaAs基传感器的整体性能指标做折中权衡。相比之下，硫化铅基（PbS）量子点能够获得类似或优越的性能，而成本只是InGaAs技术的一小部分。PbS量子点具有灵活的宽带可调谐性，覆盖可见光、近红外、SWIR和中波红外（MWIR）波段；具有较强的光学吸收性能和较大的介电常数；以及与各种衬底和形状因子的兼容性；因此，PbS量子点特别适合SWIR成像和传感应用。再加上其较低的生产成本，这项技术使SWIR能够进入更为广泛的业务应用领域。这种低成本之所以能够实现，主要得益于创新的量子点配方技术使千克量级的量子点生产成为可能。现代合成方法消除了在14-16层的晶圆片上沉积量子点、并在每个单独阶段利用“旋涂”工艺进行化学处理或洗涤的需要。相反，量子点晶体可以沉淀在单一层中，消除了进一步化学处理的需要，并最大限度地减少了沉淀量子点薄膜产生缺陷的重大风险，如薄膜破裂和低效的交换过程。现代合成方法工艺缩短了生产量子点所花费的时间，减少了材料浪费，大大提高了可获得的材料产量。因此，高性能PbS基底的量子点生产可以达到足够的生产规模，以满足市场对SWIR传感技术日益增长的需求。图2：沉积在玻璃基板上的量子点薄膜。为测量薄膜厚度，对薄膜进行了刮擦。应用由于量子点技术带来的低成本和高性能，PbS量子点显著拓宽了机器视觉应用中SWIR成像的使用范围。配备量子点的传感器，可以穿透密封容器“看见”被测目标，从而监测密封容器的填充水平或检查损坏情况，也可以穿透半导体硅片，提升半导体器件制造中的连接质量检测水平。在某些波长条件下，SWIR光波能够被水高度吸收，这意味着在这种条件下，含水量高的目标图像看起来是黑色的。在实际应用中，可以利用SWIR相机检测到碰伤或变质的水果，或道路上的透明冰层。值得注意的是，其他波长，如NIR和MWIR（也常用于机器视觉中），则无法执行类似的功能。SWIR传感器还可在所有光线和天气条件下，提供更好的性能。也许其他波长由于遇到灰尘、雾和降水会产生散射现象，但SWIR光波不受影响，这意味着无论是在什么条件下，使用SWIR传感器的相机都能以最佳方式运行。这使得SWIR传感器在国防、安全，以及在涉及光探测和雷达测距（LiDAR）系统等应用的汽车传感器上，具有巨大应用潜力——这类传感器的有效感应范围可以扩展到500m。量子点也有可能使其他新兴技术受益。越来越多的制造商正在将AI集成到他们的机器视觉系统中，利用AI的力量提高自动化及效率。AI为视觉系统提供了一种识别周围环境模式的工具，将视觉系统捕获的图像与不断进化的参考图像数据库进行比对。例如，使用AI，机器视觉系统可以利用自然语言处理，以更好地理解和解释标签上的文本。随着技术的进步，像深度学习这样更令人兴奋的应用程序，将实现高度复杂过程的自动化。量子点使得AI访问数据的能力增强，加速了AI应用的进程。AI的工作是基于分析数据集和识别模式进行的。这个数据集是AI所知道的全部信息，这意味着信息的质量决定了这些信息的有效性。配备量子点的传感器能够捕捉和分析大量人眼“看不见”的数据，并比现有的解决方案更准确地感知周围的世界，这将改善AI可以访问的数据范围，使AI工具变得更加强大。量子点技术在其他领域也大有潜力。在医学上，量子点可以在不需要侵入式手术的情况下，用于检测患者皮肤下的隐藏状况。在消费电子领域，SWIR功能可以促进下一代智能手机光谱或增强虚拟和增强现实设备的发展。在光伏技术中，配备量子点的太阳能电池具有更好的高光稳定性和可调带隙，可以比硅或铜铟镓硒化合物方案更有效地产生激子。使用量子点，可以使太阳能电池的转换效率从32%~33%提高到66%。量子点技术面临的挑战量子点技术在机器视觉领域大规模应用的主要障碍是其可扩展性。许多开发人员在努力解决纳米颗粒合成难以控制、环境退化和不同批次间一致性差等问题。克服这些挑战需要量子点合成和放大、表面化学、油墨配方工艺、制造和测试方面的专业知识。此外，迄今为止，即使是性能最好的量子点，其固有毒性也限制了它们在大众市场的使用。为了实现尽可能高的效率，量子点必须具有由镉或铅等物质制成的涂层，这些涂层物质因其有害因素而在许多市场受到严格监管。尽管有其他解决方案，比如可以用重金属代替铟等物质，但这些解决方案的量子点，性能通常不佳。性能最好的无铅量子点的发射波长达为1550nm，这虽然适用于某些SWIR传感应用，但对执行需要更高灵敏度的任务来说还是不够的。前景可期如今，量子点技术已不是一个遥不可及的概念，它已经出现在实际应用中。几个主要的行业参与者已经将基于量子点的成像器件引入到工业应用中，并将其作为现有InGaAs技术的替代方案。这些成像设备已经证明：小于2000nm像素间距的小型全局快门像素，可以在提供高性能的同时，显著降低生产成本。随着量子点技术的进步，量子点大规模应用的障碍消除，半导体纳米晶体会使S