CMOS圖像傳感器要小心了，相機界出現了一位新成員。

21世紀初，互補金屬氧化物半導體( CMOS)圖像傳感器實現商業化，使得數碼相機尺寸變小，價格降低。當前最薄的手機至少包含兩個相機模組，除專業攝影師外，人們無須攜帶單獨的相機，因為手機自帶相機足以拍出滿意的照片。

但事實確實如此嗎？在亮光下，圖像的某些部分往往會被洗掉。在弱光下，圖像變得模糊不清，色彩也并不如專業相機拍攝得那樣亮麗。這些僅僅是捕捉可見光的相機面臨的問題。相機中加入夜視功能可謂一大賣點，但紅外傳感器的成像質量比可見光傳感器差得多，成本也高得多。 目前正是另一成像技術革命的好時機。即將掀起這場革命的量子點是一種納米大小的半導體材料粒子，但它的作用卻不容小覷。 ? ? ? ?

半導體材料吸收光時，從化學鍵中釋放出可以自由漫游的電子。量子點的過程相同。不同之處在于，雖然電子被釋放，但它不能隨意漫游；量子點的直徑只有幾納米，它被粒子邊緣所擠壓。這種擠壓被稱為量子限制，它給與粒子特殊屬性。

最佳成像屬性是，量子點吸收的光可調諧，也就是說，只要選擇合適的材料和合適的粒子大小，顏色就可以連續調整，適應可見光譜和紅外光譜中的幾乎任何波長。這種可調諧性也可以反向作用——當電子重新組合時發出的光的色彩可以精確選擇。近年來，正是這種發光可調諧性啟發了電視機和其他顯示器制造商使用量子點來改進色彩再現。這種增強效果的名稱眾多；最常見的是“量子點發光二極管”（QLED）。 除了可調諧性之外，量子點還具備其他良好的特性。它們尺寸較小，因而可以被納入可打印油墨中，令量子點輕易進入制造過程。相較硅而言，量子點可以更有效地吸收光線，支持相機制造商生產更薄的圖像傳感器。量子點在從極低亮度到極高亮度的寬泛動態范圍內都很靈敏。 ? ? ? ?

在說明量子點相機工作原理及其何時可能投入商業使用之前，應先解釋一下CMOS傳感器，即當下數字圖像技術的現狀。顯然，在過去一二十年里，基礎技術取得了長足進步，縮減了尺寸，降低了價格。但它將光線轉換成圖像的方式基本上沒有改變。

典型的相機，如手機自帶相機中，光線通過一系列鏡頭和紅色、綠色和藍色濾光片，后被硅CMOS芯片的一個傳感器像素（或稱圖素，區別于圖像像素）吸收。濾光片決定每個圖素將記錄的顏色。 ? 當圖素吸收光子時，電子從化學鍵中釋放出來，移動到像素邊緣的電極上，在那里被儲存到電容器中。讀出電路將每個圖素在規定時間內收集的電荷轉換成電壓。電壓決定了圖像像素的亮度。 常見的制造過程同時產出硅探測器和讀出電路。這一過程包括一系列漫長而完善的光刻、蝕刻和生長步驟。此類制造成本低，而且相對簡單。但硅探測器也存在一些缺點。 通常情況下，讀出電子器件位于探測器的頂部，即所謂的前照設備。這種布局下，金屬觸點和軌跡反射部分入射光，降低了效率。背照設備借助探測器下的讀出電子器件來避免這種反射，但卻增加了制造成本和復雜性。直到近十年，背光傳感器的成本才大幅下降，用于手機、數碼相機等的民用設備。 硅僅僅吸收不足1微米的波長，因此不能用于近紅外范圍以外的成像。 ? ? ? ?

現在了解一下量子點如何改變這一格局。

我們之前提到，通過精準地調整量子點的大小，材料制造商可以準確地選擇它們所吸收光的波長。可見光譜中最大的量子點直徑約10納米，它們吸收紫外線、藍光和綠光，并發出紅光，也就是說它們具有熒光特性。量子點越小，其吸收和發射越向色譜中的藍光偏移。例如，約3納米的硒化鎘量子點吸收紫外線和藍光，并發出綠光。 配有量子點探測器的相機與硅CMOS相機的工作原理基本相同。當圖素中的量子點吸收光子時，電子脫離其定域鍵。量子點的邊緣限制了電子的移動。然而，如果另一量子點足夠靠近，自由電子就會“跳”過該量子點，通過量子點之間的連續跳躍，到達圖素的電極，在那里由像素的讀出電路計數。 讀出電路與硅光電探測器的制造方法相同，都是直接在晶圓上構建。

將量子點添加到晶圓上確實增加了一個處理步驟，但該步驟極其簡單：它們可以作為一種油墨懸浮在溶液中，并在電路上打印或旋涂。 借助這種方式，量子點光電探測器擁有背光像素的性能優勢，幾乎所有入射光都能到達探測器，而不需要增加這種技術的成本和復雜性。 量子點還有一個優勢。相較于硅，它們更能有效吸收光線，因此只需在讀出電路的頂部薄層就能收集到幾乎所有入射光子，這意味著吸收層無須達到標準CMOS圖像傳感器中的厚度。另外，吸收性能極佳的量子點薄層完美適應低亮度和高亮度，為傳感器創造一個更好的動態范圍。

史蒂夫·喬布斯常說：“還有件事。”量子點相機擁有巨大的潛力將紅外攝影融入主流，因為它們的可調協性能夠擴展到紅外波長。

當前的紅外相機功能不亞于可見光相機，只是吸收光的材料大不相同。傳統的紅外相機使用帶小能帶隙的半導體，如硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞或砷化銦鎵，來吸收硅無法吸收的光。由這些材料形成的像素陣列必須與用于測量電流和生成圖像的硅CMOS電路分開制作。探測器陣列和電路必須在每個像素處連接，通常采用金屬間連接。 這一耗時的過程，又被稱為雜合，它包括在探測器陣列和CMOS電路的每個像素上放置一個小型低熔點銦柱。制造機器必須將二者連接起來，壓合，后將銦熔化，形成電氣連接。這一過程的復雜性限制了潛在的陣列大小、像素大小和傳感器分辨率。更糟糕的是，由于一次只能處理一個攝像頭芯片，因此雜合過程通量低、成本高。 但與這些傳統材料一樣對紅外線敏感的量子點可以借助成本低廉的大規模化學工藝合成。

此外，類似于同類可見光產品，硅電路完成后，吸收紅外線的量子點可以涂于芯片上，這是一個無需雜合且快速簡單的過程。消除雜合意味著分辨率（像素大小）可以小于15μm左右，以適應銦柱，允許更多的像素存在于一個較小的區域。傳感器變小意味著光學元件變小，紅外相機的形狀和尺寸發生變化，且成本極大降低。

所有這些因素令量子點看起來像是一項完美的成像技術。但它們并非沒有挑戰。目前，實現商業化的主要障礙是穩定性、效率和統一性。

制造商主要通過開發可擴展的化學工藝來解決用于電視顯示器的發光量子點問題，這些化學工藝可以創造大量幾乎沒有缺陷的高效量子點。但量子點仍然會在空氣中氧化，導致傳感器性能缺陷和變化，包括靈敏度降低、噪聲加大、響應時間變慢甚至短路。 然而穩定性問題并不會妨礙顯示器實現商業化，原因在于，保護所用量子點不受大氣影響并非難事。依照目前量子點在顯示器上使用的方式，量子點吸收來自藍色LED的光，而光生電荷載流子停留在每個量子點內，重新組合并發出熒光。所以這些量子點不需要直接連接到電路，這意味著周圍的聚合物基體通過在聚合物膜的兩側增加阻擋層來為它們提供保護，以防止大氣暴露。 但在光電探測中，封閉聚合物中的單個量子點行不通：釋放出的電子需要自由遷移到電極上才能被計入。

封裝整個量子點層或整臺設備可允許此類遷移，同時保護量子點不受大氣破壞。這可能是初始解決方案。另外，量子點本身可以經過特殊設計來降低氧化影響而不造成電荷傳輸障礙，同時保持穩定性和可加工性。研究人員正在朝著這一艱巨的任務努力。 另一障礙來自目前用來維持量子點穩定的有機表面活性劑。這些表面活性劑起到絕緣體的作用，因而能夠阻止電荷載流子輕易穿過量子點膜，到達收集信號的電極。

當前，制造商將量子點沉積成薄膜，再將長表面活性劑分子替換為較短的表面活性劑分子，以增強導電性。但這增加了一個工藝步驟，且隨著時間的推移，量子點更容易降解，原因在于替換過程會破壞量子點的外層。 光子探測的效率同樣存在問題。鑒于量子點尺寸小，表面積大，它們可能存在眾多缺陷——晶格缺陷可能導致在電子到達電極之前，光生電荷重新結合。

在此情況下，最初到達量子點的光子不會被電路檢測到，從而減弱了最終到達相機處理器的信號。 包含單晶半導體的傳統光電探測器鮮有這類缺陷，因而效率超過50%。而量子點光電探測器的效率通常低于20%。因此，盡管量子點在吸收光方面優于硅，但量子點光電探測器的整體效率仍無法與之競爭。不過，量子點材料和器件的設計正穩步改進，效率也在不斷提高。 由于制造商使用化學工藝來制造量子點，因此量子點的大小存在一定的內在變化。

量子點的光學和電子特性由其大小決定，任何直徑偏離都會引起所吸收光顏色的變化。隨著源化學物質以及合成、凈化和儲存發生變化，兩批量子點大小可能存在顯著差異。制造商必須謹慎控制工藝流程以避免此類情況。擁有該領域經驗的大公司能夠有效保持統一性，但是較小型的制造商往往很難生產出一致的產品。

面對這些挑戰，一些公司已經開始著手實現量子點相機商業化，這些產品有望成為主流。 早前一個較有說服力的例子是SWIR視覺系統公司推出的Acuros相機。該公司專注于生產短波紅外量子點相機，用于現有紅外相機應用成本過于高昂的應用領域。相機使用硫化鉛量子點，通過短波紅外線吸收可見光。這款相機探測器目前對于紅外波長的平均效率為15%，即將15%到達探測器的光子用作可測量信號，遠低于現有的砷化銦鎵技術效率（80%）。但借助15μm像素，Acuros相機比大多數紅外攝像機的分辨率更高。該公司表示，其售價會對那些無力購買傳統紅外攝像機用于航海成像、生產檢驗和工業流程監控的商業用戶具有吸引力。

至于民用相機市場，TechCrunch在2017年報道稱，蘋果收購了專業從事智能手機量子點相機的公司InVisage。蘋果對這項技術的計劃依然保持沉默。 蘋果或許對量子點相機的紅外功能性能而非可見光性能更感興趣。蘋果將紅外光和傳感器應用于其面部識別技術，價格更便宜、分辨率更高的芯片顯然會引起蘋果公司的興趣。 其他公司也在全力解決量子點光傳感器的穩定性和效率問題，并拓展波長和靈敏度方面可能的邊界。

BAE系統公司、Brimrose公司、Episensors公司和Voxtel公司等都在致力于實現量子點相機技術的商業化。世界各地的學術團體，包括麻省理工學院、芝加哥大學、多倫多大學、蘇黎世聯邦理工學院、巴黎索邦大學和香港城市大學的團隊，也都在深度參與量子點傳感器和相機的研究。 5年內，量子點圖像傳感器很可能將安裝于手機，使我們能夠在低亮度下拍出更好的照片和視頻，改進面部識別技術，并以目前無法預測的方式將紅外光電探測融入日常生活。尺寸更小、成本更低的傳感器將能夠完成所有相關工作。 ? 作者：Peter Palomaki、Sean Keuleyan

審核編輯：黃飛