紅外成像技術是一項前途廣闊的高新技術。比0.78微米長的電磁波位于可見光光譜紅色以外，稱為紅外線，又稱紅外輻射。是指波長為0.78—1000微米的電磁波，其中波長為0.78—2.0微米的部分稱為近紅外，波長為2.0—1000微米的部分稱為熱紅外線。自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測儀測量目標本身與背景間的紅外線差可以得到不同的熱紅外線形成的紅外圖像。

習慣上機器視覺被定義為：用于檢查、過程控制及自動導航的電子成像。在機器視覺應用中，計算機(不是人類)使用成像技術來捕獲圖像作為輸入來實現(xiàn)提取和傳遞信息輸出的目的。據(jù)麥姆斯咨詢報道，除傳統(tǒng)工業(yè)應用，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實(AR/VR)技術及智能安全系統(tǒng)的機器視覺能力均要求使用先進的數(shù)字成像技術。該技術可使機器視覺在低光或無光條件下“看得”更清晰、更遠，由于無需可見光源，所以不會干擾人類正?；顒?。

近紅外成像技術促進機器視覺的新發(fā)展

從以往的經(jīng)驗來看，機器視覺技術需要依賴于大量光源來捕捉圖像，可用光源包括熒光、石英鹵素、LED、金屬鹵化物(汞)以及氙氣。當單獨使用其中一種光源時，就需要耗費大量能耗，且生成的圖像質(zhì)量很差。如此來看，這些光源并不能滿足已超越傳統(tǒng)工業(yè)應用范疇的使用需求。

AR/VR、安全系統(tǒng)以及ADAS駕駛監(jiān)控采用了眼動追蹤、面部識別、手勢控制和人臉識別技術，以及集成了帶有夜視功能的ADAS環(huán)視(surround-view)攝像頭等功能，但這些應用要達到預期的效果，均需要可見光光譜以外的照明。在過去幾年中，數(shù)字近紅外(NIR)成像技術的進步已徹底革新了機器視覺和夜視的能力。

NIR為何是當前機器視覺應用的必要條件？

NIR用于在可見光光譜范圍之外的物體或場景照明，并使攝像頭能夠在超出人類視覺能力的低光或無光情況下“看到”。雖然在某些應用中低級別LED仍需增加NIR，但NIR需要的電能非常少且?guī)缀醪粫蓴_用戶。在如AR/VR或駕駛監(jiān)控系統(tǒng)等應用中，NIR的這些特點對于精確地眼動追蹤和手勢控制是非常重要的。而在安全攝像頭應用的案例中，NIR可在入侵者不知情的情況下監(jiān)控他們。

此外，NIR在夜視條件下比可見光產(chǎn)生更多光子，該特點使其成為夜視應用的理想選擇。舉例說明，下面我們在ADAS系統(tǒng)中，比較夜視條件下兩種方法的優(yōu)劣。

其中一家汽車制造商使用了一種被動式遠紅外(FIR)系統(tǒng)，它可根據(jù)物體熱量記錄圖像并顯示為明亮的負像。雖然能探測的有效距離高達980英尺，但由于它是依賴于物體發(fā)出的熱量來記錄，所以產(chǎn)生的圖像并不清晰。

而另一家汽車制造商采用了NIR技術，該技術可在黑暗中產(chǎn)生鮮明清晰的圖像，就好像用汽車遠光燈照著拍攝一樣。不管物體溫度如何，其圖像均可被捕捉到。但是，該NIR系統(tǒng)的最大有效探測距離為600英尺。

NIR的局限性

大多數(shù)情況下，NIR相比其它替代方法的改進顯著，但使用它并不是沒有挑戰(zhàn)。NIR成像系統(tǒng)的有效范圍與其靈敏度直接相關。最好條件下，目前的NIR傳感器結構可實現(xiàn)≤ 800nm的靈敏度。如果可將NIR成像系統(tǒng)的靈敏度增加到850 nm或更高時，那么就可進一步擴大其有效距離。

NIR光學成像的有效距離是由兩個關鍵測量參數(shù)決定：量子效率(QE)和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。成像儀的QE代表其捕獲的光子與轉化為電子的光子的比率。

QE越高，NIR照明距離就越遠，圖像也就越亮。100%的QE意味著所有被捕獲的光子都被轉化為電子，從而可實現(xiàn)最亮的可能圖像。但目前，即使是最好的NIR傳感器技術也只實現(xiàn)了58%的QE。

MTF則是測量圖像傳感器以特定分辨率從物體到圖像的傳遞對比能力。MTF越高，圖像就越清晰。MTF受到從像素跳出的電子信號噪聲的影響。因此，為了維持穩(wěn)定的MTF并實現(xiàn)清晰的圖像，電子需要時刻保持在像元中。

現(xiàn)有解決方案面臨的挑戰(zhàn)

當在不可見條件下中使用NIR時，NIR的波長就會增加。其結果就是硅的QE就會減弱，而晶體中光子的轉化效率就會降低。因此要想產(chǎn)生相同數(shù)量的光子，就需要更厚的硅。所以，傳統(tǒng)增加QE的方法就是使用厚硅。與薄硅相比，使用厚硅可增加光子吸收的機會，提供更高QE并增強信號強度。

在單像元探測器的案例中，使用厚硅可提高NIR的QE到90%以上。然而，如果該應用要求更小像元而持續(xù)增加硅厚度，當硅的厚度增加到100 μm時，就會導致光子跳到鄰近像元中，產(chǎn)生串擾，這樣反而會減少MTF。結果就是，雖然圖像傳感器對NIR照明更敏感，但其分辨率卻更低，所形成的圖像明亮卻模糊。

解決此問題的一種方法是，使用深槽隔離(DTI)技術，在像素間建立阻擋層。雖然標準DTI已經(jīng)被證實可以改善MTF，但它也可產(chǎn)生破壞圖像暗區(qū)的缺陷。這便給致力于為機器視覺應用提高NIR照明的公司帶來了難題。

技術突破

近期已有了一些技術突破，解決了只能使用厚硅來增加光子吸收的問題。首先，升級后的DTI方法是開發(fā)利用先進的300mm制造工藝，在相鄰像元間建立硅氧化物阻擋層，可導致氧化物與硅之間的折射率改變，從而在同一像素內(nèi)形成光學限制。與傳統(tǒng)的DTI不同，升級后的DTI并不是使溝槽變寬，而是使其變深，溝槽依然很窄，這樣有助于控制光子。

其次，在晶圓表面實現(xiàn)了一種類似于太陽能電池加工中金字塔結構的吸收結構，用于制造散射光學層。小心地實現(xiàn)該光學層可防止在圖像暗區(qū)出現(xiàn)瑕疵，并進一步增加硅中光子的路徑長度。這種結構的形狀使得硅內(nèi)部的光路徑更長，而不是筆直地向上或向下。通過光波路徑分解并使其散射開來，可對光路徑長度產(chǎn)生影響。其結果是，吸收結構中的光反射光線在上像乒乓球一樣來回反射，增加了其吸收概率。

確保吸收結構角度的精準性對散射光層的有效性至關重要。如果角度是錯的，它就可能導致光子反射到下一個像元，而不是回到原來的像元。