CMOS图像传感器 NIR-近红外的飞速发展
CMOS图像传感器经过20多年的发展，越来越成熟，各项参数都在不断提升，这些参数指标中，近红外响应是非常重要的一项。
什么是近红外波段
人眼对波长400nm~700nm的电磁波敏感，波长在700nm~2500nm的都可以称为近红外波段。对于基于硅的CMOS来说，能够响应的最大波长约为1100nm，也就是说，CMOS图像传感器对于波长超过1100nm的电磁波，是没有响应的。本文中提到的近红外波段，也特指700nm~1100nm波段的光信号。
图1 电磁波波谱
图2 CMOS图像传感器的极限---1100nm
近红外波段的用途
近红外波段的光信号，人眼是不可见（或者人眼响应非常弱），但在很多应用中却非常有用。在安防上，通过近红外补光的方式，安防相机在晚上依然可以正常为人们的安全保驾护航。因为采用了人眼不敏感的近红外补光方式，补光LED发出的光不会特别刺眼和令人反感。在医疗应用中，通过近红外补光成像的方式，医生可以看到人体的血管信息，方便注射与诊疗。
图3 带红外补光灯的安防相机
图4 近红外血管成像
近红外波段响应的问题
近红外波段响应面临的主要问题是响应差，也就是QE值小，从图2的QE曲线图中可以看出，该传感器在550nm处的QE效率有近70%，而在900nm处的响应，R、G和B三个channel的转换效率都只有约10%。由于QE值很低，为了在近红外波段能成像，需要增加补光光源功率，这会导致整个系统热损失急剧上升，既增加了能源开销，又降低了系统的可靠性。因此提升QE值是一个必须要考虑的问题。
近红外波段响应差的原因
要想提升近红外波段的QE，先来看看为什么近红外波段的QE比较差。从图5可以看出，光信号入射到半导体的depletion layer后，在photon能量足够的前提下，会产生电子空穴对，电子空穴对在相应的电路中被收集并且转换为我们需要的数字信息，这是CMOS成像的基本原理。那么问题来了，不同波长的光信号，是在同一个地方被半导体吸收的吗？答案是否定的，波长越长，吸收的深度越深（也可以理解为穿透性更强）。Si材料的半导体，蓝色光（图5中A部分）吸收深度大约在0.2um，绿色光（图5中B部分）吸收深度大约在1um，红色光（图5中C部分）吸收深度大约在3um。波长更长的光，有一些会跑到图5中的D部分，透过了depletion region，因此不会有响应。这是为什么在近红外波段，随着波长的增加，传感器的QE值越来越低的原因。
图5 光信号在Photodiode内部产生自由电荷
增强红外响应的方法
目前广泛采用的红外增强方法有两种，分别是增加Photodiode的深度和通过改变光信号在Photodiode中的光程。
增加Photodiode的深度，增加depletion layer的深度，原来跑到depletion layer外层的光信号被收集，大大的提高了转换的量子效率。但这种方法有自己的弊端，增加了深度后，pixel内产生的自由电荷更容易被临近的pixel收集，也就是说crosstalk相对更明显，体现在相机上就是图像的亮度得到了很好的提升，但是图像的锐利度下降，通过专业的测试会发现整体MTF下降。为了解决这个问题，各个厂商也想到了比较好的办法，在pixel与pixel中间增加隔离“挡板”，阻止临近pixels信号“串门”，通过这种方法，crosstalk得到了极大的抑制。
图6 增加depletion layer的深度
改变光信号的光程，比较有代表性的是Ominivision的Nyxel技术，基于该技术的图像传感器，光信号进入Photodiode后，不像传统的（Standard）Pixel一样光路直线传播，而是会在Pixel内部经过多次反射，大大增加实际光程，其根本意义在于通过多次反射，达到了增加Pixel深度的效果，而实际物理深度不需要增加太多。从Ominivision给出的数据看，850nm处的QE能达到70%，940nm处QE能达到50%，这是非常不错的结果。
图7 Ominivision的Nyxel 2技术
Imalg观点
不同的厂家，采用了不同的方式来提升近红外波段的响应，除了提升QE本身外，降低读出噪声也是厂家的努力方向，读出噪声减小提升整体SNR，后端可以增加增益提升最终的图像亮度信息。我们期待更多更先进的技术助力近红外波段增强。
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