Преимущества и перспективы технологии SenSWIR в визуализации коротковолнового инфракрасного диапазона

Как известно, за пределами спектра видимого света лежит диапазон более длинных волн, т.н. инфракрасный (ИК) диапазон. Этот спектральный диапазон обычно делится на четыре сегмента в соответствии с «окнами» атмосферного пропускания для ИК излучения: длинноволновый (LWIR) 8-12 мкм, средневолновый (MWIR) 3-5 мкм, коротковолновый (SWIR) 1,0-2,5 мкм и ближний ИК (NIR) 0,7-1,0 мкм. Последние два обычно считаются наиболее близкими к видимым длинам волн и представляют собой как прямое, так и отражённое ИК излучение, исходящие в том числе и от низкотемпературных объектов, в то время как более длинные диапазоны волн представляют собой исключительно тепловое излучение. Хотя NIR и SWIR действуют аналогично видимому свету, они не видны человеческому глазу, однако многие современные КМОП (CMOS) сенсоры способны видеть в ближнем ИК диапазоне (NIR), благодаря применению высокочувствительных фотодиодных матриц, но они не могут видеть в диапазоне SWIR, поскольку их верхний предел чувствительности находится на длине волны около 1мкм. По этой причине для визуализации SWIR диапазона используются специализированные детекторы на основе полупроводникового соединения InGaAs (индий, галий, арсенид), которым доступен спектральный отклик в диапазоне 1,1-1,7 мкм. Типичный недостаток этих датчиков заключается в том, что они не могут видеть более короткие длины волн видимого света из-за того, что они поглощаются поверхностным слоем сенсора InGaAs, но этот недостаток был преодолён специалистами компании SONY, которые в 2020г. продемонстрировали матрицы нового поколения IMX990 и IMX991, созданные по технологии SenSWIR.

SenSWIR — это технология производства широкополосных и высокочувствительных SWIR сенсоров, реализованная путем комбинации составных полупроводниковых фотодиодов InGaAs и кремниевых схем считывания с помощью связи Cu-Cu на основе медных микросоединений. Данная технология представляет собой метод компоновки сенсора, обеспечивающий электрическую проводимость путем соединения медных контактных площадок, когда пиксельный чип (вверху) и логический чип (внизу) укладываются друг на друга. Преимущества по сравнению с предыдущим подходом сквозных кремниевых переходов, при котором верхние и нижние микросхемы электрически соединяются на краю пиксельной области, включают в себя меньшие размеры систем и улучшенную производительность, что обеспечивает большую свободу в дизайне и обещает более высокую чувствительность сенсора. Создание SWIR сенсоров с меньшим размером пикселя, чем в современных промышленных КМОП матрицах, было нетривиальной задачей при использовании традиционной технологии «bump bonding» (гибридизация с откидным чипом), поскольку для соединения слоя фотодиода индия-галлия-арсенида (InGaAs) с кремниевым слоем схемы считывания необходимо поддерживать определенный шаг пикселя. Новая технология Cu-Cu связи обеспечивает более мелкий шаг пикселя. В результате появилась возможность разработки мегапиксельных SWIR камер с меньшим форматом матрицы.

Верхний слой индий-фосфора (InP - подложка, образующая основу слоя InGaAs в SWIR сенсорах) неизбежно поглощает часть видимого света, но применение технологии SenSWIR делает этот слой тоньше, так что больше видимого света достигает нижележащего слоя InGaAs. Поэтому этот тип сенсоров обладает высокой квантовой эффективностью даже в видимом спектре, что позволяет получать изображения в широком диапазоне длин волн от 0,4 мкм до 1,7 мкм. Камера, оснащенная таким сенсором, может охватывать как видимый свет, так и SWIR спектр, для чего ранее требовались две отдельные камеры.

Совсем недавно появились улучшенные детекторы SWIR диапазона IMX992 и IMX993, также основанные на технологии SenSWIR, которые демонстрируют еще более высокое разрешение и производительность по сравнению с предыдущими моделями сенсоров IMX. Сверхмалый размер пикселя (3,45 мкм) обеспечивает высокое разрешение даже на компактной матрице. Режим шумоподавления может быть включен в зависимости от условий окружающей среды, что позволяет получать чёткое изображение крошечных объектов. Эти сенсоры используют цифровой выход для достижения высокой функциональности, а поскольку они совместимы как с интерфейсами SLVS, так и с интерфейсами MIPI, то таким образом упрощаются общие настройки SWIR камеры. Детекторы IMX992 и IMX993 имеют разрешение примерно 5,32 и 3,21 мегапикселя соответственно в сочетании с глобальным затвором, что значительно повышает детализацию полученных изображений. Повышение эффективности за счет однократной крупномасштабной визуализации также делает более гибким использование оконного режима SWIR камеры. Выбрав оптимальный режим, можно получить качественные изображения с низким уровнем шума даже без особого усиления входного сигнала. Эти сенсоры на сегодняшний день демонстрируют свои перспективные возможности в научных измерениях, наружных наблюдениях и других применениях, где важно качество изображения в условиях низкой освещенности. 

Детекторам IMX992 и IMX993 доступны режимы высокого коэффициента усиления преобразования (HCG) и низкого коэффициента усиления преобразования (LCG). Режим HCG усиливает сигнал сразу после того, как фотонное излучение преобразуется в электрический сигнал, на этапе, когда уровень шума еще низкий, тем самым уменьшая шум, возникающий впоследствии. Это позволяет получать изображения с низким уровнем шума даже в условиях съемки в темноте, что приводит к повышению точности распознавания. В условиях яркого освещения, где важен динамический диапазон, есть возможность переключиться в режим LCG. Функция двойного считывания скользящего затвора (DRRS) позволяет производить съёмку с пониженным уровнем шума, что гарантирует уменьшения шума примерно в 4 раза. Когда функция DRRS включена, матрица выдает пару взаимозаменяемых изображений двух разных типов. Один из них содержит как сигнал изображения, так и компоненты шума, а другой — только компоненты шума. Эти два изображения могут быть обработаны с помощью специального алгоритма, который в значительной степени устраняет компоненты шума.

В матрицах на основе технологии SenSWIR обычно используется аналоговый выход, но они также совместимы с цифровым выходом и обладают функциональностью, эквивалентной промышленным КМОП сенсорам. В целом сенсоры IMX992 и IMX993 обладают более высокой чувствительностью, чем их предшественники (IMX990 и IMX991), в диапазоне от 400 нм до 1700 нм. В результате они достигают равномерной квантовой эффективности от пределов видимого диапазона до границ диапазона SWIR. Таким образом эти сенсоры сводят к минимуму колебания качества при переходе с одного диапазона на другой, обеспечивая более высокую надежность и точность распознавания.