近红外成像使机器视觉发展成为可能

机器视觉传统上被定义为用于检查，过程控制和自动引导目的的电子成像.1在机器视觉应用中，计算机而不是人类使用成像技术来捕获图像作为输入，以提取和传递信息输出。除了传统的工业应用，高级驾驶辅助系统（ADAS），增强和虚拟现实（AR / VR）以及智能安全系统的机器视觉功能需要先进的数字成像功能，从而在低光照条件下（或无并且需要更少的电池电量，同时不会干扰人的活动。

历史上，机器视觉技术依赖于许多光源来捕获图像，包括荧光灯，石英卤素灯，LED，金属卤化物（汞）和氙2。当单独使用时，这些光源需要大量功率并导致图像质量差。因此，除了传统的工业应用之外，它们还不足以使用。 AR / VR，安全和ADAS驾驶员监控应用程序，这些应用程序依赖于眼动追踪，面部识别和手势控制 - 以及具有夜视功能的安全系统和ADAS环视摄像头 - 需要超出可见光频谱的照明以实现期望的结果。在过去几年中，数字近红外（NIR）成像技术的发展为这些机器和夜视能力带来了革命性的变化。

为什么今天的机器视觉应用需要NIR？

NIR灯主动照亮可见光谱之外的物体或场景，并允许摄像机在超出人类视觉能力的低光照或无光照情况下“看见”。尽管在某些应用中可能仍需要使用低电平LED来增强NIR，但它们需要的功率更小，并且不太可能干扰用户。这对于准确的眼动追踪和手势控制非常重要，例如在AR / VR应用程序或驾驶员监控系统中。在安全摄像机应用的情况下，NIR允许在不知情的情况下检测入侵者。 

此外，近红外波长在夜间产生的光子数比可见光谱多，因此非常适合夜视应用。举例来说，比较ADAS系统中两种夜视方法。其中之一，汽车制造商使用了一种被动式远红外（FIR）系统，该系统根据身体热量记录图像并显示明亮的负像。虽然它可以“观察”到达980英尺的路径，但图像并不清晰，并且依赖于散发热量的物体。或者，另一家制造商使用NIR技术，在黑暗中产生清晰，清晰的图像，就好像它被车辆的远光灯照亮一样。不管物体的温度如何，图像都可以被拾取。但是，这个近红外系统的较大有效射程小于600英尺

什么是限制NIR？

在大多数情况下，NIR与其他方法相比有显着的改进，但这并非没有挑战。近红外成像系统的有效范围与其灵敏度直接相关。目前的NIR传感器架构在优质状态下可实现≤800nm的灵敏度。增加850nm或更高的灵敏度也将进一步扩大范围。

近红外光成像的有效范围取决于两个关键测量：量子效率（QE）和模块化传递函数（MTF）。成像仪的QE表示它捕获的光子转换为电子的比例。 QE越高，NIR照明可以达到的越远，图像越亮。 100％的QE意味着捕获的所有光子都转换为电子，实现最明亮的图像。目前，很好的近红外传感器技术只能达到58％的量子效率。

MTF是指图像传感器以对象的分辨率将图像转换为图像的能力的测量值。MTF越高，图像越清晰。 MTF受到来自像素跳动的电子的信号噪声的影响。因此，为了保持稳定的MTF并实现清晰的图像，电子需要保留在像素内。

现有解决方案带来的挑战

当用于不可见的应用时，NIR光的波长增加。结果，硅的QE下降，并且光子在晶格内工作效率较低。需要更长的硅深度来产生相同数量的光子。因此，提高QE的传统方法是简单地使用较厚的硅。与更薄的硅相比，这可以增加光子吸收的机会，提供更高的QE和更高的信号强度。

在单像素检测器的情况下，使用更厚的硅可将NIR QE提高到90％以上。但是，当应用需要更小的像素时，例如将硅厚度增加到100μm，会导致光子跳入相邻像素，从而产生串扰，从而降低MTF。其结果是一个成像仪，虽然对NIR照明更敏感，但分辨率较低，从而产生明亮但模糊的图像。

解决这个问题的一个方法是使用深沟隔离（DTI）在像素之间创建屏障。虽然标准DTI已被证明可以改善MTF，但它也会产生破坏图像暗区的缺陷。这对于努力改善机器视觉应用的近红外照明的公司来说是一个难题。

技术突破

然而，最近有技术突破解决了单独使用较厚硅来增加光子吸收的问题。首先，使用先进的300mm铸造工艺在相邻像素之间建立氧化硅阻挡层，从而导致氧化物和硅之间的折射率变化，从而在同一像素内产生光学限制，从而开发出扩展的DTI方法。与传统的DTI不同的是，随着DTI深度扩大，沟槽变宽，宽度保持狭窄，有助于抑制光子。 

其次，在晶片表面上实施吸收结构，如用于太阳能电池加工的金字塔结构，以形成散射光学层。仔细实现这一层可以防止在图像的黑暗区域出现缺陷，并进一步增加硅内光子的路径长度。该结构的形状使得光线的路径在硅内部更长，而不是垂直向上和向下。这会通过分裂光波路径并散射它来影响光子的路径长度。结果，光线像乒乓球一样在结构周围反射，增加了吸收的可能性。

确保结构的精确角度对散射光学层的有效性至关重要。如果角度错误，可能会导致光子反射到下一个像素，而不是像预期的那样返回到相同的像素

结论

通过与代工合作伙伴的密切合作，OmniVision开发了Nyxel NIR技术，该技术解决了经常困扰NIR开发的性能问题。 通过将较厚的硅和扩展的DTI结合起来，并通过光散射层管理表面纹理，采用Nyxel技术的传感器与具有近红外功能的上一代OmniVision传感器相比，可实现3倍的QE改进，从而实现850nm的NIR灵敏度，而不会降低其他图像 - 质量指标。

结果是令人信服的。 配备此技术的传感器可在极低光照条件下提供更远距离图像检测的更高图像质量，并且需要较少的光源输入和电源来运行，从而满足AR / VR，ADAS和夜间先进机器视觉的新要求 - 视觉应用。