近紅外成像技術促進機器視覺的新發展

習慣上機器視覺被定義為：用於檢查、過程控制及自動導航的電子成像。在機器視覺應用中，計算機（不是人類）使用成像技術來捕獲圖像作為輸入來實現提取和傳遞信息輸出的目的。據麥姆斯諮詢報導，除傳統工業應用，先進駕駛輔助系統（ADAS）、增強現實和虛擬實境（AR/VR）技術及智能安全系統的機器視覺能力均要求使用先進的數字成像技術。該技術可使機器視覺在低光或無光條件下「看得」更清晰、更遠，由於無需可見光源，所以不會干擾人類正常活動。

從以往的經驗來看，機器視覺技術需要依賴於大量光源來捕捉圖像，可用光源包括螢光、石英滷素、LED、金屬滷化物（汞）以及氙氣。當單獨使用其中一種光源時，就需要耗費大量能耗，且生成的圖像質量很差。如此來看，這些光源並不能滿足已超越傳統工業應用範疇的使用需求。

AR/VR、安全系統以及ADAS駕駛監控採用了眼動追蹤、面部識別、手勢控制和人臉識別技術，以及集成了帶有夜視功能的ADAS環視（surround-view）攝像頭等功能，但這些應用要達到預期的效果，均需要可見光光譜以外的照明。在過去幾年中，數字近紅外（NIR）成像技術的進步已徹底革新了機器視覺和夜視的能力。

NIR為何是當前機器視覺應用的必要條件？

NIR用於在可見光光譜範圍之外的物體或場景照明，並使攝像頭能夠在超出人類視覺能力的低光或無光情況下「看到」。雖然在某些應用中低級別LED仍需增加NIR，但NIR需要的電能非常少且幾乎不會干擾用戶。在如AR/VR或駕駛監控系統等應用中，NIR的這些特點對於精確地眼動追蹤和手勢控制是非常重要的。而在安全攝像頭應用的案例中，NIR可在入侵者不知情的情況下監控他們。

此外，NIR在夜視條件下比可見光產生更多光子，該特點使其成為夜視應用的理想選擇。舉例說明，下面我們在ADAS系統中，比較夜視條件下兩種方法的優劣。

其中一家汽車製造商使用了一種被動式遠紅外（FIR）系統，它可根據物體熱量記錄圖像並顯示為明亮的負像。雖然能探測的有效距離高達980英尺，但由於它是依賴於物體發出的熱量來記錄，所以產生的圖像並不清晰。

而另一家汽車製造商採用了NIR技術，該技術可在黑暗中產生鮮明清晰的圖像，就好像用汽車遠光燈照著拍攝一樣。不管物體溫度如何，其圖像均可被捕捉到。但是，該NIR系統的最大有效探測距離為600英尺。

NIR的局限性

大多數情況下，NIR相比其它替代方法的改進顯著，但使用它並不是沒有挑戰。NIR成像系統的有效範圍與其靈敏度直接相關。最好條件下，目前的NIR傳感器結構可實現≤ 800nm的靈敏度。如果可將NIR成像系統的靈敏度增加到850 nm或更高時，那麼就可進一步擴大其有效距離。

NIR光學成像的有效距離是由兩個關鍵測量參數決定：量子效率（QE）和調製傳遞函數（MTF）。成像儀的QE代表其捕獲的光子與轉化為電子的光子的比率。

QE越高，NIR照明距離就越遠，圖像也就越亮。100%的QE意味著所有被捕獲的光子都被轉化為電子，從而可實現最亮的可能圖像。但目前，即使是最好的NIR傳感器技術也只實現了58%的QE。

MTF則是測量圖像傳感器以特定解析度從物體到圖像的傳遞對比能力。MTF越高，圖像就越清晰。MTF受到從像素跳出的電子信號噪聲的影響。因此，為了維持穩定的MTF並實現清晰的圖像，電子需要時刻保持在像元中。

圖1 該模擬圖像可顯示低MTF與高MTF之間的明顯差別

現有解決方案面臨的挑戰

當在不可見條件下中使用NIR時，NIR的波長就會增加。其結果就是矽的QE就會減弱，而晶體中光子的轉化效率就會降低。因此要想產生相同數量的光子，就需要更厚的矽。所以，傳統增加QE的方法就是使用厚矽。與薄矽相比，使用厚矽可增加光子吸收的機會，提供更高QE並增強信號強度。

在單像元探測器的案例中，使用厚矽可提高NIR的QE到90%以上。然而，如果該應用要求更小像元而持續增加矽厚度，當矽的厚度增加到100 μm時，就會導致光子跳到鄰近像元中，產生串擾，這樣反而會減少MTF。結果就是，雖然圖像傳感器對NIR照明更敏感，但其解析度卻更低，所形成的圖像明亮卻模糊。

解決此問題的一種方法是，使用深槽隔離（DTI）技術，在像素間建立阻擋層。雖然標準DTI已經被證實可以改善MTF，但它也可產生破壞圖像暗區的缺陷。這便給致力於為機器視覺應用提高NIR照明的公司帶來了難題。

技術突破

近期已有了一些技術突破，解決了只能使用厚矽來增加光子吸收的問題。首先，升級後的DTI方法是開發利用先進的300mm製造工藝，在相鄰像元間建立矽氧化物阻擋層，可導致氧化物與矽之間的折射率改變，從而在同一像素內形成光學限制。與傳統的DTI不同，升級後的DTI並不是使溝槽變寬，而是使其變深，溝槽依然很窄，這樣有助於控制光子。

其次，在晶圓表面實現了一種類似於太陽能電池加工中金字塔結構的吸收結構，用於製造散射光學層。小心地實現該光學層可防止在圖像暗區出現瑕疵，並進一步增加矽中光子的路徑長度。這種結構的形狀使得矽內部的光路徑更長，而不是筆直地向上或向下。通過光波路徑分解並使其散射開來，可對光路徑長度產生影響。其結果是，吸收結構中的光反射光線在上像桌球一樣來回反射，增加了其吸收概率。

確保吸收結構角度的精準性對散射光層的有效性至關重要。如果角度是錯的，它就可能導致光子反射到下一個像元，而不是回到原來的像元。

圖2 吸收結構的形狀會使矽內部的光路徑變長，而不是筆直地向上或向下

結論

通過與代工廠合作夥伴的密切合作，豪威科技（OmniVision）開發了Nyxel NIR技術，該技術解決了經常困擾NIR開發的性能問題。通過厚矽和升級後DTI的結合，並利用光散射層來管理表面紋理，與OmniVision上一代傳感器相比，使用Nyxel技術的傳感器可將QE效能提升到先前的3倍，從而使NIR的靈敏度達到850nm，且不會造成其他圖像質量指標退化。

該結果是令人信服的。配備了此項技術的傳感器可在極低的光照條件、探測更遠距離的圖像，提供更高的圖像質量，並且工作時所需的光源輸入和功耗均減少，從而滿足了如AR/VR、 ADAS和夜視應用等先進機器視覺的新要求。

關鍵字：近紅外成像  機器視覺 編輯：魯迪 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/afdz/article_2017112811368.html 本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有，本站採用的非本站原創文章及圖片等內容無法一一聯繫確認版權者。如果本網所選內容的文章作者及編輯認為其作品不宜公開自由傳播，或不應無償使用，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以迅速採取適當措施，避免給雙方造成不必要的經濟損失。

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