CMOS图像传感器 NIR-近红外的飞速发展

     CMOS图像传感器经过20多年的发展,越来越成熟,各项参数都在不断提升,这些参数指标中,近红外响应是非常重要的一项。

什么是近红外波段

  人眼对波长400nm~700nm的电磁波敏感,波长在700nm~2500nm的都可以称为近红外波段。对于基于硅的CMOS来说,能够响应的最大波长约为1100nm,也就是说,CMOS图像传感器对于波长超过1100nm的电磁波,是没有响应的。本文中提到的近红外波段,也特指700nm~1100nm波段的光信号。

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               图1  电磁波波谱

 

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                图2 CMOS图像传感器的极限---1100nm

近红外波段的用途

  近红外波段的光信号,人眼是不可见(或者人眼响应非常弱),但在很多应用中却非常有用。在安防上,通过近红外补光的方式,安防相机在晚上依然可以正常为人们的安全保驾护航。因为采用了人眼不敏感的近红外补光方式,补光LED发出的光不会特别刺眼和令人反感。在医疗应用中,通过近红外补光成像的方式,医生可以看到人体的血管信息,方便注射与诊疗。

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           图3 带红外补光灯的安防相机

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            图4 近红外血管成像

近红外波段响应的问题

  近红外波段响应面临的主要问题是响应差,也就是QE值小,从图2的QE曲线图中可以看出,该传感器在550nm处的QE效率有近70%,而在900nm处的响应,R、G和B三个channel的转换效率都只有约10%。由于QE值很低,为了在近红外波段能成像,需要增加补光光源功率,这会导致整个系统热损失急剧上升,既增加了能源开销,又降低了系统的可靠性。因此提升QE值是一个必须要考虑的问题。

近红外波段响应差的原因

 要想提升近红外波段的QE,先来看看为什么近红外波段的QE比较差。从图5可以看出,光信号入射到半导体的depletion layer后,在photon能量足够的前提下,会产生电子空穴对,电子空穴对在相应的电路中被收集并且转换为我们需要的数字信息,这是CMOS成像的基本原理。那么问题来了,不同波长的光信号,是在同一个地方被半导体吸收的吗?答案是否定的,波长越长,吸收的深度越深(也可以理解为穿透性更强)。Si材料的半导体,蓝色光(图5中A部分)吸收深度大约在0.2um,绿色光(图5中B部分)吸收深度大约在1um,红色光(图5中C部分)吸收深度大约在3um。波长更长的光,有一些会跑到图5中的D部分,透过了depletion region,因此不会有响应。这是为什么在近红外波段,随着波长的增加,传感器的QE值越来越低的原因。

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        图5 光信号在Photodiode内部产生自由电荷

增强红外响应的方法

  目前广泛采用的红外增强方法有两种,分别是增加Photodiode的深度和通过改变光信号在Photodiode中的光程。

  增加Photodiode的深度,增加depletion layer的深度,原来跑到depletion layer外层的光信号被收集,大大的提高了转换的量子效率。但这种方法有自己的弊端,增加了深度后,pixel内产生的自由电荷更容易被临近的pixel收集,也就是说crosstalk相对更明显,体现在相机上就是图像的亮度得到了很好的提升,但是图像的锐利度下降,通过专业的测试会发现整体MTF下降。为了解决这个问题,各个厂商也想到了比较好的办法,在pixel与pixel中间增加隔离“挡板”,阻止临近pixels信号“串门”,通过这种方法,crosstalk得到了极大的抑制。

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            图6 增加depletion layer的深度

  改变光信号的光程,比较有代表性的是Ominivision的Nyxel技术,基于该技术的图像传感器,光信号进入Photodiode后,不像传统的(Standard)Pixel一样光路直线传播,而是会在Pixel内部经过多次反射,大大增加实际光程,其根本意义在于通过多次反射,达到了增加Pixel深度的效果,而实际物理深度不需要增加太多。从Ominivision给出的数据看,850nm处的QE能达到70%,940nm处QE能达到50%,这是非常不错的结果。

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            图7 Ominivision的Nyxel 2技术

 

Imalg观点

  不同的厂家,采用了不同的方式来提升近红外波段的响应,除了提升QE本身外,降低读出噪声也是厂家的努力方向,读出噪声减小提升整体SNR,后端可以增加增益提升最终的图像亮度信息。我们期待更多更先进的技术助力近红外波段增强。

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