習(xí)慣上機器視覺被定義為：用于檢查、過程控制及自動導(dǎo)航的電子成像。在機器視覺應(yīng)用中，計算機（不是人類）使用成像技術(shù)來捕獲圖像作為輸入來實現(xiàn)提取和傳遞信息輸出的目的。據(jù)麥姆斯咨詢報道，除傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）技術(shù)及智能安全系統(tǒng)的機器視覺能力均要求使用先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù)。該技術(shù)可使機器視覺在低光或無光條件下“看得”更清晰、更遠(yuǎn)，由于無需可見光源，所以不會干擾人類正常活動。

從以往的經(jīng)驗來看，機器視覺技術(shù)需要依賴于大量光源來捕捉圖像，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(zhì)量很差。如此來看，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)控采用了眼動追蹤、面部識別、手勢控制和人臉識別技術(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，均需要可見光光譜以外的照明。在過去幾年中，數(shù)字近紅外（NIR）成像技術(shù)的進(jìn)步已徹底革新了機器視覺和夜視的能力。

NIR為何是當(dāng)前機器視覺應(yīng)用的必要條件？

NIR用于在可見光光譜范圍之外的物體或場景照明，并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(yīng)用中低級別LED仍需增加NIR，但NIR需要的電能非常少且?guī)缀醪粫蓴_用戶。在如AR/VR或駕駛監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用中，NIR的這些特點對于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(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光產(chǎn)生更多光子，該特點使其成為夜視應(yīng)用的理想選擇。舉例說明，下面我們在ADAS系統(tǒng)中，比較夜視條件下兩種方法的優(yōu)劣。

其中一家汽車制造商使用了一種被動式遠(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)出的熱量來記錄，所以產(chǎn)生的圖像并不清晰。

而另一家汽車制造商采用了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)可實現(xiàn)≤800nm的靈敏度。如果可將NIR成像系統(tǒng)的靈敏度增加到850nm或更高時，那么就可進(jìn)一步擴大其有效距離。

NIR光學(xué)成像的有效距離是由兩個關(guān)鍵測量參數(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)也只實現(xiàn)了58%的QE。

MTF則是測量圖像傳感器以特定分辨率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(wěn)定的MTF并實現(xiàn)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M(jìn)TF之間的明顯差別

現(xiàn)有解決方案面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)在不可見條件下中使用NIR時，NIR的波長就會增加。其結(jié)果就是硅的QE就會減弱，而晶體中光子的轉(zhuǎn)化效率就會降低。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會，提供更高QE并增強信號強度。

在單像元探測器的案例中，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100μm時，就會導(dǎo)致光子跳到鄰近像元中，產(chǎn)生串?dāng)_，這樣反而會減少MTF。結(jié)果就是，雖然圖像傳感器對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。這便給致力于為機器視覺應(yīng)用提高NIR照明的公司帶來了難題。

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增加光子吸收的問題。首先，升級后的DTI方法是開發(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，在晶圓表面實現(xiàn)了一種類似于太陽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度。這種結(jié)構(gòu)的形狀使得硅內(nèi)部的光路徑更長，而不是筆直地向上或向下。通過光波路徑分解并使其散射開來，可對光路徑長度產(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)性對散射光層的有效性至關(guān)重要。如果角度是錯的，它就可能導(dǎo)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(jié)構(gòu)的形狀會使硅內(nèi)部的光路徑變長，而不是筆直地向上或向下

結(jié)論

通過與代工廠合作伙伴的密切合作，豪威科技（OmniVision）開發(fā)了NyxelNIR技術(shù)，該技術(shù)解決了經(jīng)常困擾NIR開發(fā)的性能問題。通過厚硅和升級后DTI的結(jié)合，并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(shù)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(dá)到850nm，且不會造成其他圖像質(zhì)量指標(biāo)退化。

該結(jié)果是令人信服的。配備了此項技術(shù)的傳感器可在極低的光照條件、探測更遠(yuǎn)距離的圖像，提供更高的圖像質(zhì)量，并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(yīng)用等先進(jìn)機器視覺的新要求。