近红外成像技术促进机器视觉的新发展

2017-11-27 08:32

现有解决方案面临的挑战

当在不可见条件下中使用NIR时，NIR的波长就会增加。其结果就是硅的QE就会减弱，而晶体中光子的转化效率就会降低。因此要想产生相同数量的光子，就需要更厚的硅。所以，传统增加QE的方法就是使用厚硅。与薄硅相比，使用厚硅可增加光子吸收的机会，提供更高QE并增强信号强度。

在单像元探测器的案例中，使用厚硅可提高NIR的QE到90%以上。然而，如果该应用要求更小像元而持续增加硅厚度，当硅的厚度增加到100 μm时，就会导致光子跳到邻近像元中，产生串扰，这样反而会减少MTF。结果就是，虽然图像传感器对NIR照明更敏感，但其分辨率却更低，所形成的图像明亮却模糊。

解决此问题的一种方法是，使用深槽隔离（DTI）技术，在像素间建立阻挡层。虽然标准DTI已经被证实可以改善MTF，但它也可产生破坏图像暗区的缺陷。这便给致力于为机器视觉应用提高NIR照明的公司带来了难题。

技术突破

近期已有了一些技术突破，解决了只能使用厚硅来增加光子吸收的问题。首先，升级后的DTI方法是开发利用先进的300mm制造工艺，在相邻像元间建立硅氧化物阻挡层，可导致氧化物与硅之间的折射率改变，从而在同一像素内形成光学限制。与传统的DTI不同，升级后的DTI并不是使沟槽变宽，而是使其变深，沟槽依然很窄，这样有助于控制光子。

其次，在晶圆表面实现了一种类似于太阳能电池加工中金字塔结构的吸收结构，用于制造散射光学层。小心地实现该光学层可防止在图像暗区出现瑕疵，并进一步增加硅中光子的路径长度。这种结构的形状使得硅内部的光路径更长，而不是笔直地向上或向下。通过光波路径分解并使其散射开来，可对光路径长度产生影响。其结果是，吸收结构中的光反射光线在上像乒乓球一样来回反射，增加了其吸收概率。

确保吸收结构角度的精准性对散射光层的有效性至关重要。如果角度是错的，它就可能导致光子反射到下一个像元，而不是回到原来的像元。

近红外成像技术促进机器视觉的新发展

图2 吸收结构的形状会使硅内部的光路径变长，而不是笔直地向上或向下

结论

通过与代工厂合作伙伴的密切合作，豪威科技（OmniVision）开发了Nyxel NIR技术，该技术解决了经常困扰NIR开发的性能问题。通过厚硅和升级后DTI的结合，并利用光散射层来管理表面纹理，与OmniVision上一代传感器相比，使用Nyxel技术的传感器可将QE效能提升到先前的3倍，从而使NIR的灵敏度达到850nm，且不会造成其他图像质量指标退化。

该结果是令人信服的。配备了此项技术的传感器可在极低的光照条件、探测更远距离的图像，提供更高的图像质量，并且工作时所需的光源输入和功耗均减少，从而满足了如AR/VR、 ADAS和夜视应用等先进机器视觉的新要求。

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