什么是量子圖像傳感器（QIS）？

近日，Gigajot Technology公司發(fā)布了首批量子圖像傳感器（Quanta Image Sensor，QIS）產(chǎn)品，有人認(rèn)為這標(biāo)志著固態(tài)成像新時代的到來，有望取代傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器。

其實早在2011年左右Eric Fossum教授（也是Gigajot的聯(lián)合創(chuàng)始人）剛剛發(fā)布量子傳感器的研究時，有人認(rèn)為5年內(nèi)手機就會用上量子圖像傳感器，CMOS或?qū)⒊蔀闅v史，現(xiàn)在回過頭來看這個預(yù)測還是過于樂觀了一些。

對消費級量子圖像傳感器有興趣的朋友，或許還會記得早在2017年的時候，蘋果收購了號稱替代CMOS的量子薄膜攝像頭廠商InVisage Technology，試圖開發(fā)自己的相機模塊。雖然收購價沒有被披露，但是獲得的融資總規(guī)模超億美金，破了當(dāng)時的行業(yè)歷史記錄，投資者還包括中國泛?？毓杉瘓F美國子公司。

InVisage是宣稱采用量子薄膜（Quantum Film）、而不是硅材料來捕捉光線的圖像傳感器廠商，推出的是量子點圖像傳感器（Quantum dot images ensor，QDIS），而恰巧我在2015年還代表EDN參觀過InVisage在臺灣的工廠，當(dāng)時InVisage的傳感器得到很大的關(guān)注，但2017年被蘋果收購后似乎就銷聲匿跡了。

雖然蘋果始終沒有公開過相關(guān)的技術(shù)進展，但業(yè)界還是認(rèn)為“蘋果決定停止開發(fā)量子點圖像傳感器，因為它對于大規(guī)模生產(chǎn)來說太貴了?！币恍┲虢z馬跡也驗證了該消息的可靠性，例如InVisage的CEO在2017年7月到2019年1月之間在蘋果公司從事了一段時間“特殊項目的并購整合”后，也離開了蘋果。

自此量子薄膜攝像頭就再也沒有過消息露出。這是連蘋果都放棄了的技術(shù)路線嗎？此次Gigajot推出的QIS是否是基于同樣的技術(shù)路線？這批商業(yè)化的QIS能否獲得商業(yè)市場的接納？

QIS與QDIS的不同技術(shù)路線

EDN記者聯(lián)系到了Gigajot公司的CTO Jiaju Ma，他指出“我們做的QIS和Invisage所做的Quantum dot是基于完全不同的技術(shù)概念。Quantum dot主要的創(chuàng)新在于新材料，新工藝，而我們的創(chuàng)新是基于CMOS傳統(tǒng)工藝，但在半導(dǎo)體儀器和電路的設(shè)計上實現(xiàn)了革新與突破。”

【注：Gigajot 由研究人員 Saleh Masoodian （CEO）和 Jiaju Ma（CTO）在新罕布什爾州Dartmouth College的 Thayer 工程學(xué)院分拆出來后共同創(chuàng)立。Gigajot 團隊早在 2017 年公司成立之前就發(fā)明并開發(fā)了量子圖像傳感器 （QIS）?！?/p>

關(guān)于QIS的概念早在2005年就有提出，但真正的研究始于2011年Gigajot的創(chuàng)始團隊在Dartmouth College開展的博士研究。

Gigajot是第一個把QIS產(chǎn)品化的公司，但Ma仍然向EDN分享了在學(xué)術(shù)界其他做類似研究與開發(fā)的團隊，“比如瑞士的EPFL的團隊在做基于SPAD的QIS，荷蘭University of Delft有團隊在做相似概念的極低噪聲的圖像傳感器。在近期Hamamastu（日本濱松）也推出了類似QIS概念的相機產(chǎn)品?！?/p>

此次Gigajot推出的量子圖像傳感器的一個重要的突破是，可以在室溫下實現(xiàn)精準(zhǔn)光子計數(shù)?！拔艺J(rèn)為最大的性能突破在于在室溫下不需要利用電子雪崩效應(yīng)實現(xiàn)精準(zhǔn)的單光子探測和光子計數(shù)，在實現(xiàn)千萬高像素的同時不影響功耗和畫幅幀數(shù)。光子是光信號的最小單元，能準(zhǔn)確的計量光子代表在極暗光照條件下也能實現(xiàn)高質(zhì)量的成像。”Ma向EDN指出。

以往，光子計數(shù)和可靠的光子數(shù)分辨（PNR），在高度受控的實驗室環(huán)境中只有利用深度制冷EMCCD技術(shù)才能部分實現(xiàn)，而現(xiàn)在Gigajot可以使用在室溫下工作的緊湊型量子相機就能實現(xiàn)，并具有更高的分辨率和速度。

針對這一突破，羅徹斯特理工學(xué)院探測器中心和未來光子計劃主任Don Figer的評價是：“在室溫下進行光子計數(shù)的能力，改變了我們在天體物理學(xué)和量子信息科學(xué)方面的研究工作的游戲規(guī)則（game changer）”。

在判定量子圖像傳感器商用前景之前，我們先了解一下該技術(shù)原理。

什么是量子圖像傳感器（QIS）？

傳統(tǒng)的 CMOS 圖像傳感器通過使用光電二極管和光電晶體管將入射光轉(zhuǎn)換為電信號來工作，然后這些信號被放大并通過軟件轉(zhuǎn)換成像素。傳統(tǒng)的圖像傳感器最大缺點之一是傳感器內(nèi)部噪聲過大。

在低照度條件下，光子產(chǎn)生的電信號極弱，從而會被傳感器的內(nèi)部噪聲覆蓋而無法被準(zhǔn)確地呈現(xiàn)。

量子圖像傳感（Quanta Image Sensor，QIS）是不同的。

量子圖像傳感利用創(chuàng)新的半導(dǎo)體儀器設(shè)計在每個像素元件中實現(xiàn)了極小的輸出電容，從而極大地放大了每個光子產(chǎn)生的電信號。

由于這種極高的信號放大率，與CMOS傳感器相比，量子圖像傳感器的相對噪聲降低了5到10倍，從而在室溫條件下實現(xiàn)了準(zhǔn)確的單光子探測和光子數(shù)分辨。

圖：QIS成像過程。QIS的基本成像原理由彩色濾波器陣列、光子泊松分布、讀取噪聲和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。

QIS能以比其他CMOS技術(shù)更高的保真度在更小的像素架構(gòu)中記錄低光環(huán)境。

QIS芯片內(nèi)的最小單元稱為“映像點（jots）”——這或許也是Gigajot得名的原因，而不是“像素（pixels）”，每個映像點（jots）都可以探測到單個光子。

第一代QIS原型由Ma及Gigajot的創(chuàng)始團隊于2017年發(fā)表。但是，QIS之前僅限于實驗室設(shè)置。

此次推出的兩款圖像傳感器是世界上第一個商用的可實現(xiàn)室溫光子計數(shù)的CMOS圖像傳感器。這些傳感器聲稱具有行業(yè)領(lǐng)先的暗電流和讀取噪聲參數(shù)規(guī)范，這對低照度成像和高動態(tài)范圍成像至關(guān)重要。

Gigajot兩款量子圖像傳感器的性能

這批基于CMOS的量子圖像傳感器采用Gigajot專利傳感器結(jié)構(gòu)和像素設(shè)計，實現(xiàn)了低噪聲，從而能夠準(zhǔn)確探測單個光子。在室溫下以全速工作狀態(tài)進行光子計數(shù)，并具有高動態(tài)范圍。

與傳統(tǒng)的小像素CMOS圖像傳感器相比，這批量子圖像傳感器的讀出噪聲性能提升了5~10倍，可實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的超低照度成像，可以面向高性能成像應(yīng)用，例如科學(xué)、醫(yī)療、國防、工業(yè)和航天。

1600萬像素的GJ01611產(chǎn)品采用1.1微米像素，實現(xiàn)室溫下0.19電子（e-）的讀出噪聲和0.09電子/像素/秒（e-/pix/s）的暗電流，而另外一款400萬像素GJ00422產(chǎn)品采用2.2微米像素，實現(xiàn)0.27e-的讀出噪聲，單次曝光高動態(tài)范圍為100dB。

圖：來自具有 0.12 e-rms 讀取噪聲和 2.3 e-/像素平均信號電平的像素的光子計數(shù)直方圖，顯示出明顯離散的光電子數(shù)。傳感器數(shù)據(jù)與理論泊松-高斯模型非常匹配。

利用先進的堆疊式CMOS背照式（BSI）傳感器工藝技術(shù)，量子圖像傳感器能夠在室溫下進行光子計數(shù)，而無需復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，能在更小的像素尺寸下具有更高的靈敏度，并且比正面照明制造效率更高。

此外，單次曝光高動態(tài)范圍減輕了由傳統(tǒng)的多曝光HDR技術(shù)產(chǎn)生的運動偽影。

Gigajot相機開發(fā)工具套件（QIS CDK）支持GJ01611和GJ00422兩款產(chǎn)品評估和相機開發(fā)。QIS CDK現(xiàn)已上市，具有SuperSpeed USB 3.0接口和用戶友好的軟件，并且外形小巧。

QIS CDK具有“開箱即用”的真正光子計數(shù)功能，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成設(shè)置，以進行評估或直接整合到客戶系統(tǒng)中。

量產(chǎn)、工藝、及目標(biāo)應(yīng)用

QIS現(xiàn)在處于小規(guī)模量產(chǎn)階段，所用工藝為TSMC stacked CMOS image sensor 工藝。

QIS生產(chǎn)所用的工藝與傳統(tǒng)的CIS十分類似，所以生產(chǎn)的成本并沒有差距。通常，產(chǎn)品價格還取決于具體的應(yīng)用領(lǐng)域和生產(chǎn)量。

“半導(dǎo)體芯片的制造成本往往與生產(chǎn)量直接掛鉤，目前推出的產(chǎn)品主要用于高性能小眾應(yīng)用，因為相比消費級電子生產(chǎn)量小，成本也較高，這一點與同級別的CIS產(chǎn)品類似。”Ma表示。

“那QIS會用于消費電子，如手機嗎？”這是我提出的最后一個問題。

“我認(rèn)為最終QIS會用于民用消費電子，例如手機。現(xiàn)有的技術(shù)和性能可被轉(zhuǎn)化到民用級別的消費電子產(chǎn)品中，因為生產(chǎn)量很大，成本自然會降低到與同級別的CIS類似，同時提供卓越的夜光照相和高動態(tài)范圍性能?！盡a表示。
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