| 【行業(yè)熱點(diǎn)】近紅外成像技術(shù)使機(jī)器視覺(jué)“看得”更清晰
紅外成像技術(shù)是一項(xiàng)前途廣闊的高新技術(shù)。比0.78微米長(zhǎng)的電磁波位于可見(jiàn)光光譜紅色以外，稱為紅外線，又稱紅外輻射。是指波長(zhǎng)為0.78—1000微米的電磁波，其中波長(zhǎng)為0.78—2.0微米的部分稱為近紅外，波長(zhǎng)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(cè)儀測(cè)量目標(biāo)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(xí)慣上機(jī)器視覺(jué)被定義為：用于檢查、過(guò)程控制及自動(dòng)導(dǎo)航的電子成像。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)(不是人類(lèi))使用成像技術(shù)來(lái)捕獲圖像作為輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)提取和傳遞信息輸出的目的。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，除傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)技術(shù)及智能安全系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)能力均要求使用先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù)。該技術(shù)可使機(jī)器視覺(jué)在低光或無(wú)光條件下“看得”更清晰、更遠(yuǎn)，由于無(wú)需可見(jiàn)光源，所以不會(huì)干擾人類(lèi)正常活動(dòng)。
近紅外成像技術(shù)促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)的新發(fā)展
從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)需要依賴于大量光源來(lái)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(dāng)單獨(dú)使用其中一種光源時(shí)，就需要耗費(fèi)大量能耗，且生成的圖像質(zhì)量很差。如此來(lái)看，這些光源并不能滿足已超越傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)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(dòng)追蹤、面部識(shí)別、手勢(shì)控制和人臉識(shí)別技術(shù)，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(yīng)用要達(dá)到預(yù)期的效果，均需要可見(jiàn)光光譜以外的照明。在過(guò)去幾年中，數(shù)字近紅外(NIR)成像技術(shù)的進(jìn)步已徹底革新了機(jī)器視覺(jué)和夜視的能力。
NIR為何是當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的必要條件？
NIR用于在可見(jiàn)光光譜范圍之外的物體或場(chǎng)景照明，并使攝像頭能夠在超出人類(lèi)視覺(jué)能力的低光或無(wú)光情況下“看到”。雖然在某些應(yīng)用中低級(jí)別LED仍需增加NIR，但NIR需要的電能非常少且?guī)缀醪粫?huì)干擾用戶。在如AR/VR或駕駛監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用中，NIR的這些特點(diǎn)對(duì)于精確地眼動(dòng)追蹤和手勢(shì)控制是非常重要的。而在安全攝像頭應(yīng)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(jiàn)光產(chǎn)生更多光子，該特點(diǎn)使其成為夜視應(yīng)用的理想選擇。舉例說(shuō)明，下面我們?cè)贏DAS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(chē)制造商使用了一種被動(dòng)式遠(yuǎn)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(fù)像。雖然能探測(cè)的有效距離高達(dá)980英尺，但由于它是依賴于物體發(fā)出的熱量來(lái)記錄，所以產(chǎn)生的圖像并不清晰。
而另一家汽車(chē)制造商采用了NIR技術(shù)，該技術(shù)可在黑暗中產(chǎn)生鮮明清晰的圖像，就好像用汽車(chē)遠(yuǎn)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(cè)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(jìn)顯著，但使用它并不是沒(méi)有挑戰(zhàn)。NIR成像系統(tǒng)的有效范圍與其靈敏度直接相關(guān)。最好條件下，目前的NIR傳感器結(jié)構(gòu)可實(shí)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(shí)，那么就可進(jìn)一步擴(kuò)大其有效距離。
NIR光學(xué)成像的有效距離是由兩個(gè)關(guān)鍵測(cè)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(zhuǎn)化為電子的光子的比率。
QE越高，NIR照明距離就越遠(yuǎn)，圖像也就越亮。100%的QE意味著所有被捕獲的光子都被轉(zhuǎn)化為電子，從而可實(shí)現(xiàn)最亮的可能圖像。但目前，即使是最好的NIR傳感器技術(shù)也只實(shí)現(xiàn)了58%的QE。
MTF則是測(cè)量圖像傳感器以特定分辨率從物體到圖像的傳遞對(duì)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(hào)噪聲的影響。因此，為了維持穩(wěn)定的MTF并實(shí)現(xiàn)清晰的圖像，電子需要時(shí)刻保持在像元中。
現(xiàn)有解決方案面臨的挑戰(zhàn)
當(dāng)在不可見(jiàn)條件下中使用NIR時(shí)，NIR的波長(zhǎng)就會(huì)增加。其結(jié)果就是硅的QE就會(huì)減弱，而晶體中光子的轉(zhuǎn)化效率就會(huì)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(jī)會(huì)，提供更高QE并增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。
在單像元探測(cè)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(yīng)用要求更小像元而持續(xù)增加硅厚度，當(dāng)硅的厚度增加到100 μm時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致光子跳到鄰近像元中，產(chǎn)生串?dāng)_，這樣反而會(huì)減少M(fèi)TF。結(jié)果就是，雖然圖像傳感器對(duì)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(wèn)題的一種方法是，使用深槽隔離(DTI)技術(shù)，在像素間建立阻擋層。雖然標(biāo)準(zhǔn)DTI已經(jīng)被證實(shí)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(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提高NIR照明的公司帶來(lái)了難題。
技術(shù)突破
近期已有了一些技術(shù)突破，解決了只能使用厚硅來(lái)增加光子吸收的問(wèn)題。首先，升級(jí)后的DTI方法是開(kāi)發(fā)利用先進(jìn)的300mm制造工藝，在相鄰像元間建立硅氧化物阻擋層，可導(dǎo)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(xué)限制。與傳統(tǒng)的DTI不同，升級(jí)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(shí)現(xiàn)了一種類(lèi)似于太陽(yáng)能電池加工中金字塔結(jié)構(gòu)的吸收結(jié)構(gòu)，用于制造散射光學(xué)層。小心地實(shí)現(xiàn)該光學(xué)層可防止在圖像暗區(qū)出現(xiàn)瑕疵，并進(jìn)一步增加硅中光子的路徑長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)的形狀使得硅內(nèi)部的光路徑更長(zhǎng)，而不是筆直地向上或向下。通過(guò)光波路徑分解并使其散射開(kāi)來(lái)，可對(duì)光路徑長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。其結(jié)果是，吸收結(jié)構(gòu)中的光反射光線在上像乒乓球一樣來(lái)回反射，增加了其吸收概率。
確保吸收結(jié)構(gòu)角度的精準(zhǔn)性對(duì)散射光層的有效性至關(guān)重要。如果角度是錯(cuò)的，它就可能導(dǎo)致光子反射到下一個(gè)像元，而不是回到原來(lái)的像元。原標(biāo)題：近紅外成像技術(shù)促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)的新發(fā)展)
（來(lái)源：麥姆斯咨詢）
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