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视觉阶梯发展：传感器材料对短波红外成像技术的影响

前言导读 2024.10.23

短波红外成像技术的发展受到了传感器材料种类的限制与推动，从硅基到铟镓砷，从量子点到锗基，丰富的材料影响着短波红外相机的分辨率、质量、成本等性能特征。

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短波红外成像与传感器

短波红外光通常定义在 900 – 1700nm，相比于可见光能揭示更多肉眼看不到的信息，捕获该波长范围内的红外光是一项挑战，需要复杂的传感器技术。现用于短波红外技术的传感器有多种材料可选，不同材料的传感器具有特定的优点和缺点。

各种传感器在不同红外波长范围内的应用和光谱灵敏度（图源Allied Vision）

根据传感器玻璃材料和内部架构，硅基传感器可以优化为在低至 200nm 的紫外范围内灵敏，或在 750 – 1100nm 范围内提供更高的灵敏度（近红外感应）。然而，从 1050nm 开始的量子效率通常小于 10% 且会急剧下降，因为硅在大约 1100nm 处是透明的。因此，需要其他传感器材料来检测 1100nm 以上 SWIR 范围内的光。

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铟镓砷短波红外传感器

最常见的 SWIR 传感器类型使用砷化铟镓（InGaAs，铟镓砷）为材料，这种传感器通常在 900 -1700nm 范围内灵敏。如果亚磷酸铟层保持很薄，那么可见光就可以进入光敏InGaAs层，该传感器即可检测可见光范围内的光。例如，索尼的 IMX99x SenSWIR 传感器就属于这种类型。

InGaAs的有趣之处在于，传感器可以用不同成分的砷化铟和砷化镓制造，最终铟和镓之间的比率决定了截止波长（即能够检测到的最长波长）。比如增加 InGaAs 技术使用的铟含量，可以将检测范围扩展到 2600nm 左右，但需要权衡的是整体性能会降低、成本将增加 4-5 倍。

铟镓砷化物传感器已经得到广泛应用，市面上有众多铟镓砷探测器的短波红外相机。‌百万像素高性能、高密度 InGaAs 大面阵焦平面阵列技术在欧美和日本等地已实现产业化，最小像元中心距达到 5 μm。国内目前的 InGaAs 产品规格主要是 15μm 中心距、640×512 像素，10μm / 15μm 中心距 、1280×1024 像素的产品正在陆续推出。

InGaAs 红外相机的优势主要体现在其高灵敏度、高帧速和高分辨率，以及优化的制冷设计带来的低噪声和高稳定性。InGaAs 红外相机是高要求应用场景的首要选择，包括但不限于硅晶元检测、光通讯、电致发光（EL）、光致发光（PL）等。

友思特 InGaAs 短波红外相机 HG-A130SW，分辨率 1.3M，可用于半导体检测等场景

nGaAs 短波红外探测器的成本限制了其潜力。InGaAs 传感器通常每单位成本高达1万美元，这是由于批量生产过程中出现的高缺陷率而使价格不得已抬高。制造 InGaAs 传感器需要将材料外延生长到磷化铟（InP）晶圆上并切成芯片。然后，像素与硅读出电路进行铟键合，这一过程称为“倒装芯片杂交”，撇开高昂的生产成本不谈，还会限制像素间距和分辨率，InP 材料固有的脆弱性也为制造出更大尺寸的晶圆带来了挑战。

一些 InGaAs 传感器试图通过使用铜铜（Cu-Cu）混合晶圆键合技术来克服其有限的像素间距。然而，由于这些传感器在室温下会经历高暗电流，因此更容易受到噪声的影响，这意味着需要笨重的冷却系统才能实现所需的图像质量。

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量子点短波红外传感器

量子点是纳米级半导体材料，可以响应高达 2600nm 的波长。从广义上讲，它们可以分为胶体或外延。外延量子点是使用高能“干”化学技术生产的，而胶体量子点是使用台式“湿”化学技术生产的，赋予它们无与伦比的光电特性，以及合成过程中精确的尺寸控制。因此，胶体量子点比外延替代品更便宜、更容易生产，并且是视觉系统中最常用的变体。

硫化铅基 （PbS） 量子点能够以铟砷化镓技术的一小部分成本实现类似或更高的性能，具有灵活的宽带可调性，涵盖可见光、近红外、短波红外和中波红外 （MWIR） 波长；光吸收性强，介电常数大。PbS 量子点与各种基板和外形尺寸兼容，特别适合短波红外成像和传感。现在市面上也出现了一些商用量子点短波红外相机，并在工业场景有所应用。

虽然成本引人注目，但 CQD 和铟镓砷相比，其量子响应仍然更低。InGaAs 在 950 – 1650nm 之间具有＞80% 的量子效率，而 CQD 在大多数 SWIR 波长上的信号不到 10%，帧速率也相对较低。不过，它们以更低的成本、低暗电流和更高的分辨率（目前高达 2MP）而拥有一定的市场用量。除此以外，CQD 传感器通常比 InGaAs 传感器具有更宽的光谱范围，因此它们可以通过单个传感器支持多个光谱范围。尽管量子点不太可能在短期内完全取代用于短波红外传感的铟砷化镓，但该技术适合作为一项技术补充。

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锗基短波红外传感器

锗基 SWIR 传感器是一种创新技术路线，改进了锗的生产工艺，采用获得专利的选择性外延锗（Ge）生长技术与成熟的硅基 CMOS 读出电路技术相结合，通过锗的热氧化来降低表面粗糙度；同时,采用双用双芯片封装 (传感器与 ROIC) 技术，相比于目前成熟的单片集成技术方案具有更强的制造灵活性，进一步降低了短波红外探测器的制造成本。创新的技术使得锗基短波红外相机 Beyonsense 入围了 2023 年的 SPIE 国际光学和光子学协会棱镜奖的相机/传感技术类提名。

友思特 BeyonSense 短波红外相机采用了非制冷锗基探测器，实现了 28mm 超薄的小巧尺寸，此外，相机采用现代化的简单方便的无线连接的方式，个人手机、平板、电脑直接WIFI连接即可控制相机拍摄和储存，真正意义上将 900nm-1700nm 短波红外成像技术送到人们手掌之中。

友思特 Beyonsense 锗基短波红外相机透过晶圆看到卤素灯灯丝，验证了其对短波红外光的探测能力

除了以上介绍的探测器以外，碲化汞、镉 （MCT） 与 II 型超晶格 T2SL 传感器（某些材料成分，如 InGaAs/GaAsSb 或 InAs/AlSb/GaSb）也可以探测短波红外范围，不过它们更常见被用于中波红外波长范围内的成像。

基于 MTC 传感器的相机通常具有较低的分辨率，最高 640×512 像素 （VGA）。它们支持 400 – 2500nm 的宽光谱范围，具有高量子效率。然而，这是一项昂贵的技术，需要通过纯散热器进行强力冷却，以补偿传感器的高暗电流。

II 型超晶格传感器的相机的特点是具有非常高的动态范围，尽管在 SXGA 分辨率下最小像素尺寸在 5 – 12μm 之间，然而相比之下，它们具有低量子效率和低帧率。此外，还有非常高的暗电流值和通常高昂的成本。因此，这两类探测器在短波红外范围内应用较少。

多种技术路线的短波红外相机为工业与科研都带来了新的视野，能够帮助人们探查到人眼所见不到的领域，比如半导体晶圆的隐裂、塑料瓶液位检测、水果淤伤检测等。

随着技术的进步，短波红外探测器会实现更高的分辨率、更好的量子响应效率，其低成本化趋势也将让短波红外相机更容易进入日常生活，让普通大众也可享受短波红外技术给生活质量带来的改善。

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友思特 短波红外相机产品

InGaAs短波红外相机

友思特提供 1.3M、5M 分辨率的 CMOS 与 InGaAs 短波红外相机，高分辨率与高量子响应效率，多种接口选择，满足工业与科研需要。
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锗基短波红外相机

BeyonSense 低成本迷你短波红外相机，配置三脚架与镜头，灵活便携，可无线连接电脑与手机，可用于简单的 SWIR 成像与科研应用。
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