前段時間，有兩位科學家在IEEE上發(fā)布了關于量子點圖像傳感器的文章。他們表示，量子點圖像傳感器與CMOS圖像傳感器相比具有一系列的優(yōu)點。在未來，量子點圖像傳感器很可能取代CMOS圖像傳感器。

雖然目前量子點成像還面臨穩(wěn)定性較差、效率較低、一致性難以保證等問題，但全球許多科技企業(yè)都致力于實現量子點成像的商業(yè)化。據外媒報道，蘋果在2017年就曾收購過一家致力于制造量子點相機以用于智能手機的公司InVisage。

一、強光弱光通吃，成本更低

從2000年起，CMOS圖像傳感器逐漸走向商業(yè)化，這也導致數碼相機的體積越來越小，價格越來越便宜。現在，手機至少都配備了兩個攝像頭，除了專業(yè)攝影師，一般很少有人還要帶上相機出門。大部分人都覺得手機拍出的相片已經足夠好了。

但是目前在強光環(huán)境下，手機拍攝的照片會丟失許多細節(jié)，而在弱光環(huán)境下，圖像的噪點也會非常明顯，并且解析度不夠。并且手機的成像色彩也不會跟專業(yè)相機一樣豐富。而這一切都與手機使用的CMOS圖像傳感器有關。

現在成像技術領域又將會迎來一場革命——量子點傳感器。量子點是一種納米級的半導體材料顆粒，也可以用作圖像傳感器中的光線吸收材料。

一般來說，半導體材料吸收光時，會從化學鍵中釋放出電子，并且該電子會處于一種自由漫游的狀態(tài)。然后傳感器會捕捉這些電子并生成圖像信號，通過一系列復雜的處理，最終讓你看到照片。

同樣，量子點也會吸收光線并釋放電子，但不同的是，它所釋放的電子卻不那么容易漫游。因為量子點的直徑只有幾納米，所以就會在內部產生一種量子約束(quantum confinement)效應，因為這種效應，釋放的電子就會更不容易“逃走”。這也是量子點比較特殊的性質之一。

對于成像來說，量子點最有用的屬性是其吸收的光是可調的。只需要只需選擇合適的材料和合適的粒徑大小，就可以將量子點可吸收的光調整為可見光和紅外光譜中的任何波長。直徑約10納米量子點可以吸收紫外線、藍光和綠光，并且可以發(fā)出紅光。而3納米的硒化鎘量子點可以吸收紫外線和藍光并發(fā)出綠光。

這種可調性也可以逆向生效，也就是可以人為控制電子與量子點復合時所發(fā)出的光的顏色。近年來，正是量子點這種發(fā)光可調性激發(fā)了電視和顯示器廠商使用量子點來改善色彩的表現力，造就了我們能看到的量子電視和QLED面板。

除可調性外，量子點還有一些優(yōu)點。比如，較小的尺寸可以使量子點摻入可印刷的墨水中，從而使量子點非常易于制造。另外，量子點可以比硅更有效地吸收光，這就讓圖像傳感器的尺寸可以變得更薄。最后，量子點成像的動態(tài)范圍非常廣，無論是強光還是弱光都可以良好的成像。

二、紅外成像領域前景廣闊

就像上面圖中所展示的，量子點相機還有具有一個巨大的潛力，就是可以將紅外攝影技術帶入大眾電子消費產品中，因為它們的可調性能夠擴展到紅外波長。

傳統(tǒng)的紅外攝像機使用例如硒化鉛、銻化銦或砷化銦鎵這樣的半導體材料來吸收硅所不能吸收的光。由這些材料制成的像素陣列必須與用于測量電流并生成圖像的硅CMOS電路分開制造，然后再通過金屬對金屬的方式進行單個像素點級別的連接。

這個工藝非常復雜，也因此限制了像素陣列大小、單像素大小和傳感器分辨率。另外，由于一次只能完成一個攝像頭芯片的制造，這種制造工藝的產能是非常低的。

但量子點卻可以使用廉價的大規(guī)模化學處理技術合成，跟傳統(tǒng)材料一樣。而且工廠還可以在硅電路完成后，直接把量子點噴涂到芯片上，非?？焖?、高效。這樣一來，同樣的面積上還可以容納更多的像素點，也就可以讓紅外攝像機的尺寸進一步縮小，并降低成本。

三、量子點成像依然存在三大挑戰(zhàn)

上述種種優(yōu)勢讓量子點看起來像是一種完美的成像技術，但其實目前還存在許多挑戰(zhàn)。量子點成像在當下主要的障礙是穩(wěn)定性較差、效率較低、一致性難以保證。

1、穩(wěn)定性

首先，量子點會在空氣中氧化，從而導致傳感器的性能發(fā)生變化，比如靈敏度降低、噪點增強、響應時間變慢甚至短路。在電視廠商那里，量子點不需要直接接觸電路，因此可以通過用聚合物包圍量子點的方式防止其暴露在空氣中。

但在圖像傳感器中，量子點要用于光的檢測，就必須要實現電子的自由遷移，要與電路進行接觸。所以在保護量子點不受空氣氧化的同時，實現電子遷移是目前探索的方向之一，但這是一項非常艱巨的任務，許多研究人員都在朝著這個目標努力。

另外，目前用于維持量子點穩(wěn)定的有機活性劑，會導致電子不易通過量子點膜轉移到收集信號的電極上，因此采用什么材料制成活性劑也是要解決的一個難題。

2、效率

量子點傳感器在光子檢測效率方面也存在問題。量子點尺寸小、表面積大的特性會導致部分光線射入后生成的電子在到達電極之前，又與量子點重新結合。發(fā)生這種情況時，電路永遠不會檢測到光子，從而減少了最終到達相機處理器的信號。

傳統(tǒng)的CMOS傳感器中，光子檢測的效率一般在50%以上，而量子點傳感器的效率通常不足20%，差距比較明顯。目前量子點材料和器件設計正在逐步改善，檢測效率也在不斷提高。

3、一致性

由于目前廠商普遍使用化學工藝制造量子點，因此其尺寸存在一些固有的變化。并且由于量子點的光學特性受尺寸的影響比較明顯，所以任何偏差都將導致吸收的光的顏色發(fā)生變化。

廠商必須小心地控制制造過程，盡量縮小偏差。在這方面具有豐富經驗的巨頭公司在保持一致性方面已經做的非常出色，但是較小的廠商通常很難生產出一致的產品。