热成像传感器

众所周知，现代生物医学成像的进步帮助医生在诊断和治疗上取得越来越大的突破，X光、计算机辅助断层摄影(computer aided tomographic，CT)、磁共振成像、核与超声波成像，生物医学成像技术越来越精细。因此，研究和诊断生物医学应用通常需要成像仪具备较高的空间分辨率、准确的色彩还原度以及弱光条件下较高的灵敏度，而且许多情况需要同时具备这三种因素，才能提高数据的可靠性。选择医学成像相机要考虑的因素选择合适的显微镜学相机、组织学相机、细胞学/细胞遗传学相机、落射荧光相机，对于临床应用进行正确诊断或在研究工作过程中提供可靠数据具有至关重要的作用。那么要如何判断机器视觉相机是否适合您的应用呢？你需要考虑这些因素：01分辨率与色彩精度现代生物医学成像相机所需的分辨率取决于样品中目标结构相对于相机像素大小的放大率，也就是说，显微镜应用的高分辨率可以通过2MP、25MP或介于这两者之间的相机来实现。它取决于光学元件对样品中目标结构进行的相对于相机像素大小的放大率，为了选出能实现所需分辨率的相机，首先要确定待解析样本中最小结构的尺寸，然后将其乘以光学系统中的镜头放大率，从而得出投射到相机传感器上的结构尺寸。如果结构的尺寸至少是相机传感器上像素的2.33（Nyquist）倍，那么相机可以解析此机构。例如，如果这些投射的结构尺寸是~8um，那么3.45um像素的相机可以解析这些结构。测量分辨率还可以用其他方法（如线对数），但上述方法可以通过简单计算，找到用于测试的相机的选项。组织学、细胞学和细胞遗传学等成像应用使用较大范围的白光（~400nm至700nm），或使用此范围内的选定波长（例如565nm）。如果这批样品中的样本不是活动的（即固定的），则可以暴露于亮光下，不会有污渍褪色或样品被杀死的风险。这种情况下，相机的主要要求是高分辨率和色彩还原度。反过来说，弱光灵敏度不是一个重要因素。02灵敏度、量子效率及动态范围对于活体样本的成像应用，面临的挑战是避免样本在太强光线下过度曝光，否则会使荧光分子褪色或杀死样本。这些应用通常使用一种称为落射荧光技术，落射荧光技术可用于固定样本和活体样本。有的标本很难获得或价格昂贵，而且制作样本的材料和人工费用很高。因此，能保护样品质量的系统有助于降低这些成像应用的持续成本。落射荧光使用经过过滤的高能量波长，以刺激样品发出低能量波长。低能量波长再经过过滤返回相机。这种情况下，可以对样品使用强度较小的破坏性光，因此其要求是灵敏度。即便发射光能量较低，具有出色灵敏度的相机也可以提供高质量的图像。如需查找具备出色灵敏度、在弱光条件下性能良好的型号，您可以侧重于以下三种技术规格：灵敏度、量子效率以及动态范围。灵敏度是得到与传感器所观测噪声等效的信号所需的光子数，数值越小越好。量子效率是指给定波长下转化为电子的光子——值越高越好。动态范围是信号与噪声（包括颞暗噪声）的比值，颞暗噪声是指无信号时传感器内的噪声，动态范围值越高越好。通常单色型号的弱光性能优于彩色型号。03因素综合对于同时使用白光和落射荧光的应用，可以选择FLIR配备Sony全新转换增益功能的相机型号，此功能可以优化传感器，实现高灵敏度或高饱和容量。弱光环境较高的转换增益，因为在此条件下，读取噪声被更大程度地弱化，从而产生较低的灵敏度阈值，非常适合在短时曝光下检测弱信号。强光条件下饱和容量得到了Maximun，获得的动态范围得以增强，因此稍低的转换增益是这种情况的理想选择，Maximun动态范围将受限于12位 ADC。挑选合适的机器视觉相机在选择相机时，较新的CMOS传感器是个很好的出发点。较新的传感器通常性能更好（价格可能还更低）另外，如果针对的应用程序需要在几年内购买多个相机（如持续生产诊断仪器），那么就要选择生命周期不会很快结束的相机，否则您可能要承受提前设计替换相机的成本费用。FLIR生产的机器视觉相机型号有200多种，广泛应用于采用新CMOS传感器的三大系列：Blackfly S、Oryx 和 Firefly。01FLIR Blackfly SFLIR Blackfly S系列相机的传感器、外形尺寸及接口最为广泛。这些相机提供USB3和GigE两种型号，功能广泛，设计初期易于整合。板级Blackfly S型号是全功能盒装产品的微型版本，特别适合空间受限和嵌入式的应用，其功能广泛，性价比高，分辨率可达24MP，是生物医学和生命科学应用的选择。FLIR Blackfly S USB3FLIR Blackfly S 板级02FLIR Oryx10 GigEFLIR Oryx相机系列拥有适配最快10GigE接口的高分辨率传感器，能够以60FPS的速度捕捉4K分辨率、12位的图像。Oryx的10GBASE-T接口是经过验证且广泛部署的标准，能够在线缆长度超过50米的经济实惠的CAT6A上或者长度超过30米的CAT5e上提供可靠的图像传输。03FLIR Firefly DLFLIR Firefly相机系列的外壳尺寸娇小、重量轻、功耗低且价格实惠。Firefly DL型号还能够运行已经过训练的神经网络，可用于物体检测或分类。所有FLIR机器视觉彩色相机都可以通过不同的白平衡选项的形式自定义色彩还原，并使用特殊色彩校正矩阵，这对于生物医学成像非常重要，医学成像中，色彩准确度的涵义不同，这取决于人类对诊断的视觉分析以及实现数据准确性的机器可读格式之间的对比。另外，FLIR 机器视觉Blackfly S、Oryx 和Firefly相机系列可通过GenICam3及 Spinnaker SDK进行控制和编程，它们自一开始设计时就以轻松开发与部署为理念时，确保我们能更快进行应用开发和测试。随着医学科技的进步对于现代生物医学成像的需求也将更加严格对于如何选择医学成像相机

日本东京大学科学家最近利用六方氮化硼二维层中的硼空位，首次完成了在纳米级排列量子传感器的精细任务，从而能够检测磁场中的极小变化，实现了高分辨率磁场成像。氮化硼是一种含有氮和硼原子的薄晶体材料。氮化硼晶格中人工产生的自旋缺陷适合作为传感器。（a）六方氮化硼中的硼空位缺陷。空位充当用于磁场测量的原子大小的量子传感器，对磁场敏感，像一个纳米“磁针”。（b）量子传感器纳米阵列的光致发光。通过分析响应微波的光致发光强度的变化，研究人员可测量每个传感器点的磁场。图片来源：东京大学研究团队研究团队在制作出一层薄的六角形氮化硼薄膜后，将其附着在目标金丝上，然后用高速氦离子束轰击薄膜，这样就弹出了硼原子，形成了100平方纳米的硼空位。每个光点包含许多原子大小的空位，它们的行为就像微小的磁针。光斑距离越近，传感器的空间分辨率就越好。当电流流经导线时，研究人员测量每个点的磁场，发现磁场的测量值与模拟值非常接近，这证明了高分辨率量子传感器的有效性。即使在室温下，研究人员也可检测到传感器在磁场存在的情况下自旋状态的变化，从而检测到局部磁场和电流。此外，氮化硼纳米薄膜只通过范德华力附着在物体上，这意味着量子传感器很容易附着在不同的材料上。高分辨率量子传感器在量子材料和电子设备研究中具有潜在用途。例如，传感器可帮助开发使用纳米磁性材料作为存储元件的硬盘。原子大小的量子传感器有助于科学家对人脑进行成像、精确定位、绘制地下环境图、检测构造变化和火山喷发。此次的纳米级量子传感器也将成为半导体、磁性材料和超导体应用的“潜力股”。

2023年8月14日在比利时鲁汶，imec作为纳米电子学和数字技术领域的全球研发和创新中心宣布成功集成了固定光电二极管结构到薄膜图像传感器中。通过添加固定光电栅和传输栅,薄膜成像器超过一微米波长的吸收质量终于可以被利用,以一种成本效益的方式解锁感知可见光之外光线的潜力。检测可见光范围之外的波长,例如红外光,具有明显的优势。应用包括自动驾驶汽车上的摄像头,以“看穿"烟雾或雾霭,以及用于通过面部识别解锁智能手机的摄像头。虽然可见光可以通过基于硅的成像器检测,但需要其他半导体材料来检测更长的波长,比如短波红外线(SWIR)。使用III-V材料可以克服这一检测局限。然而,制造这些吸收体的成本非常高,限制了它们的使用。相比之下,使用薄膜吸收体(如量子点)的传感器最近出现为一个有前景的替代方案。它们具有良好的吸收特性和与传统CMOS读出电路集成的潜力。尽管如此,这种红外线传感器的噪声性能较差,导致图像质量较差。早在20世纪80年代,固定光电二极管(PPD)结构就在硅CMOS图像传感器中引入。该结构引入了一个额外的晶体管栅极和一个特殊的光检测器结构,通过该结构, charges可以在积分开始前全部排空(允许在没有kTC噪声或前一帧影响的情况下复位)。因此,由于噪声更小、功耗性能更好,PPD主导了基于硅的图像传感器的消费者市场。 在硅成像之外,至今还不可能集成此结构,因为难以混合两种不同的半导体系统。现在,imec在薄膜图像传感器的读出电路中成功集成了PPD结构。 一种SWIR量子点光电检波器与一种氧化铟镓锌(IGZO)薄膜晶体管单片集成成PPD像素。 随后,该阵列被进一步处理在CMOS读出电路上以形成一个完整的薄膜SWIR图像传感器。 imec的“薄膜固定光电二极管"项目负责人Nikolas Papadopoulos 表示:“配备4T像素的原型传感器表现出显着低的读出噪声6.1e-,相比之下,传统的3T传感器超过100e-,证明了其良好的噪声性能。" 因此,红外图像的拍摄噪声、失真或干扰更小,准确性和细节更高。imec像素创新项目经理Pawel Malinowski补充说:“在imec,我们正在红外线和成像器的交汇处处于地位,这要归功于我们在薄膜光电二极管、IGZO、图像传感器和薄膜晶体管方面的综合专业知识。通过实现这一里程碑,我们克服了当前像素架构的局限性,并展示了一种将性能最佳的量子点SWIR像素与经济实用的制造方法相结合的方法。下一步包括优化这项技术在各种类型的薄膜光电二极管中的应用,以及扩大其在硅成像之外的传感器中的应用。我们期待通过与行业伙伴的合作进一步推进这些创新。“研究结果发表在2023年8月《自然电子学》杂志"具有固定光电二极管结构的薄膜图像传感器"。初步结果在2023年国际图像传感器研讨会上呈现。原文: J. Lee et al. Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure, Nature Electronics 2023.摘要使用硅互补金属氧化物半导体技术制造的图像传感器广泛应用于各种电子设备,通常依赖固定光电二极管结构。 基于薄膜的光电二极管可以具有比硅器件更高的吸收系数和更宽的波长范围。 但是,它们在图像传感器中的使用受到高kTC噪声、暗电流和图像滞后等因素的限制。 在这里,我们展示了具有固定光电二极管结构的基于薄膜的图像传感器可以具有与硅固定光电二极管像素相当的噪声性能。 我们将一种可见近红外有机光电二极管或短波红外量子点光电二极管与薄膜晶体管和硅读出电路集成在一起。 薄膜固定光电二极管结构表现出低kTC噪声、抑制暗电流、高满量容和高电子电压转换增益,并保留了薄膜材料的优点。 基于有机吸收体的图像传感器在940 nm处的量子效率为54%,读出噪声为6.1e–。