“5年内手机将用上量子点图像传感器！CMOS或将成为历史”

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看点: 5年内，基于量子点的图像传感器很可能在手机上看到。

智东西2月26日，最近两名科学家向ieee发表了复印件，称量子点图像传感器有可能取代cmos图像传感器。 量子点图像传感器可以调整光线的吸收，同时光线吸收能力更强，成像动态范围更宽，尺寸更小。 目前，量子点图像面临着稳定性差、效率低、难以保证一致性等问题，但世界许多科技公司正在致力于量子点图像的商业化。 据外国媒体报道，苹果去年收购了致力于制造用于高端智能手机的量子点相机的企业invisage。

强光弱，价格更便宜

从2000年开始，cmos图像传感器逐渐商业化，数码相机的体积也变小，价格也变得便宜。 现在手机至少配备了两个照相机，不仅是专业摄影师，很少有人带照相机出门。 大多数人认为用手机拍的照片就足够了。 但是，现在在强光环境下，用手机拍摄的照片失去了很多细节，而在微弱的光线环境下，图像的噪声也非常明显，分辨率不足。 手机图像的颜色也不像专业照相机那样丰富。 这些都和手机采用的cmos图像传感器有关。 现在图像技术行业又迎来了革命——量子点传感器。 量子点是纳米级的半导体材料粒子，也可以用作图像传感器中的光吸收材料。 通常，半导体材料在吸收光时从化学键发射电子，同时其电子处于自由漫游的状态。 然后传感器捕捉这些电子生成图像信号，通过一系列的多种噪声解决，最终展示照片。 同样，量子点也吸收光释放电子，但释放出的电子并不那么容易漫游。 量子点的直径只有几纳米，因此在内部产生“量子约束”( quantum confinement )效应。 因为这个效果，发射的电子更“难以逃离”。 这也是量子点比较特殊的性质之一。

▲以前传来的cmos图像传感器和量子点图像传感器的结构，对成像来说量子点最有用的特性是吸收的光是可调整的。 量子点吸收的光只需选择合适的材料和合适的粒径大小，即可调整为可见光和红外光谱的任何波长。 直径约10纳米量子点在吸收紫外线、蓝色光、绿色光的同时，能够发出红色光。 3纳米的硒化镉量子点吸收紫外线和蓝色光而发出绿色光。 这种调整性反过来也是有效的，可以人为地控制电子和量子点复合时产生的光的颜色。 近年来，量子点这种发光调整性使电视和显示器制造商采用量子点来改善颜色的表现力，制作了我们可以看到的量子电视和qled面板。 除了可调性，量子点还有另一个优点。 例如，当尺寸减小时，可以在可印刷的墨水中混入量子点，量子点的制造变得非常容易。 另外，量子点可以比硅更有效地吸收光，可以使图像传感器的尺寸变薄。 最后，量子点成像的动态范围非常宽，无论是强光还是弱光都很好地成像。

红外线摄像行业前景广阔

▲量子点红外相机的商业应用。 黑白图像是用量子点红外相机拍摄的。 量子点相机具有将红外摄影技术纳入大众电子消费产品的巨大潜力。 因为可调性会扩展到红外波长。 传统的红外照相机使用硒化铅、锑化铟、砷化铟镓之类的半导体材料吸收不被硅吸收的光。 这些材料制成的像素阵列需要与用于测量电流生成图像的硅cmos电路分开制造，用金属对金属的方法进行单一的像素点级连接。 这个过程非常多，噪音很多，所以像素阵列的尺寸、单像素尺寸和传感器的分辨率也受到限制。 另外，由于一次只能制造一个照相机芯片，因此该制造工艺的生产率非常低。 但是量子点可以用廉价的大规模化学解决技术合成，和以前传来的材料一样。 另外，工厂在硅电路完成后，可以直接将量子点喷涂到芯片上，非常迅速且高效。 由此，能够在相同的面积中收容越来越多的像素点，能够进一步缩小红外照相机的尺寸，降低价值成本。

▲红外量子点图像传感器结构

量子点成像仍然存在三大挑战

这些特征使量子点看起来像完美的成像技术，但实际上有一些挑战。 量子点图像现在的第一障碍是稳定性差，效率低，难以保证一致性。 1 .稳定性首先，量子点在空气体中被氧化，传感器的性能发生变化。 例如灵敏度下降、噪声增强、响应时间延迟、短路等。 在电视制造商中，量子点不需要直接接触电路，因为量子点被聚合物包围，所以不会暴露在空气体中。 但是，在图像传感器中，量子点为了用于光的检测，必须实现电子的自由移动，与电路接触。 因此保护量子点不受空气体的影响，实现电子转移是目前探索的方向之一，但这是一项非常艰巨的任务，许多研究者正在朝着这个目标努力。 另外，现在为了维持量子点的稳定性而使用的有机活性剂，电子难以通过量子点膜移动到收集信号的电极。 这是因为使用什么材料制作活性剂也是一个课题。 2、效率

▲量子点传感器对常见量子点材料和传统材料的光子检测效率的量子点传感器在光子检测效率方面也存在问题。 量子点尺寸小、表面积大的特征是一部分光线入射后生成的电子在到达电极之前与量子点重新结合。 如果发生这种情况，电路不会检测光子，因此最终到达相机解决方案的信号会减少。 在以往传来的cmos传感器中，光子检测的效率通常为50%以上，但量子点传感器的效率一般小于20%，差异比较显着。 现在量子点材料和器件设计逐渐改进，检测效率也在提高。 3 .一致性现在的制造商采用化学工艺制造量子点，因此这个尺寸有一点固有的变化。 另外，量子点的光学特征受尺寸的影响很大，因此吸收任何偏差的光的颜色都发生变化。 制造商必须谨慎地控制制造过程，尽量减小偏差。 在这个领域有丰富经验的大企业在保持一贯性方面非常优秀，但小型制造商一般很难生产一致的产品。

5年内量子点传感器上的手机

虽然有这些课题，但许多企业依然面临困难，致力于量子点照相机的商业化。

▲swir vision systems推出的红外量子点相机acurosswir vision systems侧重于制造短波红外量子点相机。 acuros采用了硫化铅量子点，意味着现在该照相机的量子传感器对红外线波长的平均检测效率是15%，接触检测器的光子中的15%最终被转换成可测量的信号。 这大大低于传统红外相机采用的砷化铟镓技术的检测效率，后者达到80%。 但是，acuros照相机的像素是15？ m比大多数红外相机具有更高的分辨率。 该公司指出，其价格比以前流传的红外相机更有竞争力。 关于照相机市场的成本，年techcrunch报道苹果收购了invisage。 这是一家致力于制造量子点相机的高端智能手机的企业。 但是苹果对量子点技术的相关计划保持沉默。 其他企业也在致力于量子点光电传感器的稳定性和效率问题，扩大了波长和灵敏度的范围。 bae systems、brimrose、episensors、voxtel是致力于量子点相机技术商业化的企业。 世界各地的学术团体也深入参与了基于量子点传感器和相机的研究，包括麻省理工大学、芝加哥大学、多伦多大学、苏黎世联邦理工学院、索波恩大学和香港城市大学。 在5年内，我们可以用手机看到基于量子点的图像传感器，在微弱的光线下拍摄更好的照片和视频，可以改善面部图像识别技术，红外线图像的价格也大幅下降，设备的尺寸也会进一步缩小。 复制源: ieee

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