什么是量子圖像傳感器（QIS）？

近日，Gigajot Technology公司發布了首批量子圖像傳感器（Quanta Image Sensor，QIS）產品，有人認為這標志著固態成像新時代的到來，有望取代傳統的CMOS圖像傳感器。

其實早在2011年左右Eric Fossum教授（也是Gigajot的聯合創始人）剛剛發布量子傳感器的研究時，有人認為5年內手機就會用上量子圖像傳感器，CMOS或將成為歷史，現在回過頭來看這個預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模超億美金，破了當時的行業歷史記錄，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，當時InVisage的傳感器得到很大的關注，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的技術進展，但業界還是認為“蘋果決定停止開發量子點圖像傳感器，因為它對于大規模生產來說太貴了?！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路線嗎？此次Gigajot推出的QIS是否是基于同樣的技術路線？這批商業化的QIS能否獲得商業市場的接納？

QIS與QDIS的不同技術路線

EDN記者聯系到了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概念。Quantum dot主要的創新在于新材料，新工藝，而我們的創新是基于CMOS傳統工藝，但在半導體儀器和電路的設計上實現了革新與突破?！?/p>

【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 工程學院分拆出來后共同創立。Gigajot 團隊早在 2017 年公司成立之前就發明并開發了量子圖像傳感器 （QIS）?！?/p>

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

Gigajot是第一個把QIS產品化的公司，但Ma仍然向EDN分享了在學術界其他做類似研究與開發的團隊，“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，可以在室溫下實現精準光子計數?！拔艺J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實現精準的單光子探測和光子計數，在實現千萬高像素的同時不影響功耗和畫幅幀數。光子是光信號的最小單元，能準確的計量光子代表在極暗光照條件下也能實現高質量的成像?！盡a向EDN指出。

以往，光子計數和可靠的光子數分辨（PNR），在高度受控的實驗室環境中只有利用深度制冷EMCCD技術才能部分實現，而現在Gigajot可以使用在室溫下工作的緊湊型量子相機就能實現，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的能力，改變了我們在天體物理學和量子信息科學方面的研究工作的游戲規則（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原理。

什么是量子圖像傳感器（QIS）？

傳統的 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換為電信號來工作，然后這些信號被放大并通過軟件轉換成像素。傳統的圖像傳感器最大缺點之一是傳感器內部噪聲過大。

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

量子圖像傳感（Quanta Image Sensor，QIS）是不同的。

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

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了準確的單光子探測和光子數分辨。

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、讀取噪聲和模數轉換器（ADC）組成。

QIS能以比其他CMOS技術更高的保真度在更小的像素架構中記錄低光環境。

QIS芯片內的最小單元稱為“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的創始團隊于2017年發表。但是，QIS之前僅限于實驗室設置。

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室溫光子計數的CMOS圖像傳感器。這些傳感器聲稱具有行業領先的暗電流和讀取噪聲參數規范，這對低照度成像和高動態范圍成像至關重要。

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專利傳感器結構和像素設計，實現了低噪聲，從而能夠準確探測單個光子。在室溫下以全速工作狀態進行光子計數，并具有高動態范圍。

與傳統的小像素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，可實現以前無法實現的超低照度成像，可以面向高性能成像應用，例如科學、醫療、國防、工業和航天。

1600萬像素的GJ01611產品采用1.1微米像素，實現室溫下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產品采用2.2微米像素，實現0.27e-的讀出噪聲，單次曝光高動態范圍為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直方圖，顯示出明顯離散的光電子數。傳感器數據與理論泊松-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，量子圖像傳感器能夠在室溫下進行光子計數，而無需復雜的冷卻系統，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，單次曝光高動態范圍減輕了由傳統的多曝光HDR技術產生的運動偽影。

Gigajot相機開發工具套件（QIS CDK）支持GJ01611和GJ00422兩款產品評估和相機開發。QIS CDK現已上市，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”的真正光子計數功能，可在數分鐘內完成設置，以進行評估或直接整合到客戶系統中。

量產、工藝、及目標應用

QIS現在處于小規模量產階段，所用工藝為TSMC stacked CMOS image sensor 工藝。

QIS生產所用的工藝與傳統的CIS十分類似，所以生產的成本并沒有差距。通常，產品價格還取決于具體的應用領域和生產量。

“半導體芯片的制造成本往往與生產量直接掛鉤，目前推出的產品主要用于高性能小眾應用，因為相比消費級電子生產量小，成本也較高，這一點與同級別的CIS產品類似?！盡a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。

“我認為最終QIS會用于民用消費電子，例如手機?，F有的技術和性能可被轉化到民用級別的消費電子產品中，因為生產量很大，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范圍性能?！盡a表示。
責任編輯:pj