量子相机

虽然现在一些高端手机的镜头已经达到了千万像素级，看起来已经与数码相机不相上下，然而基于CMOS（互补金属氧化物半导体）的手机镜头依然有其不足之处。最重要的一点，就是当环境较为黑暗时，拍出来的照片总会被噪点充满。最近加利福尼亚的一家公司改良了传统CMOS感光元件的效率，也许就在近两年，我们就可以看到能够媲美单反相机成像能力的手机镜头。

In Visage公司开发的这种技术叫做“量子胶片”，由一层量子点薄膜覆盖在传统CMOS传感器上而成。“量子点”这个名称是美国耶鲁大学物理学家Mark A Reed提出的，它是指一类特殊的纳米材料，往往是由砷化镓、硒化镉以及铟铯等金属化合物微粒为核，外面包裹着高分子材料薄膜而形成的微小颗粒。单独颗粒的尺寸只有几纳米到数十纳米，包含几十到数百万个原子。这种独特的结构让一些量子效应开始变得较为突出，甚至能够帮助人们制造出梦想中的体积极小、速度极快的量子计算机。对于量子点的研究从20世纪80年代就开始进行，现在已经有了比较成熟的应用，例如制造发光二极管、疾病探测、生物科学研究等。

在这样小的颗粒中，将会展现出与大块物体截然不同的特性——比方说，它内部的电子会被局限在一个非常小的范围内运动，其展现出的量子局限效应，会让其呈现出新的能级。当这种特性叠加在传统的CMOS感光器件上的时候，就会得到令人振奋的成果。

CMOS是经常用于传感器和其他小型摄像头的感光器件，与大部分数码相机所使用的CCD同为最常用的数码感光器件。可以考虑将它们设想成画了许多方格的大纸，每个方格对应一个最基本的感光元件，也即一个画面的最小单位：像素。光线照射强的像素，产生的电量较多；光线弱的地方，电量就少。将每个像素所获得的电量转化成相应的明暗值，我们就可以得到一张如同马赛克拼出的黑白照片。通过将四个像素并为一组，再透过颜色滤镜来分别接受红绿蓝三种基本色的强度，照片就可以变为彩色。

虽然这两类感光器件都使用了硅片的光电效应来成像，但是具体方式并不相同。CCD和CMOS之间的最大区别，在于CCD是将所有像素的电量依次导出，然后统一放大再输出成图片；而CMOS则是每个像素分别带有自己的放大器，直接将放大后的信号输出。这样的原理差异也就导致了它们之间的结构差异和性能的不同：CCD的表面主要由光电元件组成，每一行像素由一条导电线路连通；而CMOS每个像素表面都被光电元件、辅助电路和放大器分割成几个部分。同样尺寸的感光器件，CCD的感光面积大而成本高；CMOS省电、成本低，但是成像效果不如CCD。

虽然近年来，技术的发展正在让CMOS克服缺点，一些高端相机上也出现了基于CMOS的感光器件，但是出于原理的限制，CMOS感光面积小的缺点却不能被解决。“量子胶片”就是解决这种问题的一个思路。量子点的特征之一是在外界激发下将会产生荧光一就像是我们的荧光灯、发光二极管那样。当光线照入量子点时，将会让电子从低能级向高能级跃迁，当电子回到低能级时，就会以光子的方式放出能量。根据量子点颗粒大小的不同，研究人员已经能够控制荧光的波长，从红光到紫光都能够实现。

InVisage公司的这种产品是将量子点敷在一层高分子薄膜上，再将其放在CMOS器件的最上层，首先用量子点薄膜来吸收光，再将量子点受激发产生的荧光照入CMOS，以让CMOS获得更多的光照，以提升其感光度。这一技术理论上可以将感光度提高4倍，已经接近硅基材料能够获得的电量极限。

“量子胶片”技术不需要对现有CMOS制造设备进行太大的改变，就能为其性能带来革命性的变化。表面附加了量子点薄膜的的CMOS将能够在同样的光照强度下产生更精确的图像，其明亮与黑暗处动态对比的表现能力也会大幅增强一倍以上。人们可以在不再增大感光器件表面积的基础上提高其成像能力，同时保持其低能耗高速度的优势，这对手机摄像头之类的光学传感器将会是一个福音；而数码相机也会因此而受益，CCD感光器件的优势也许将会让位于CMOS。现在In Visage公司声称，会在2010年年底为手机制造商提供样品，顺利的话我们在2011年就可以看到可以媲美单反相机性能的手机摄像头。

不仅如此，In Visage公司还对“量子胶片”技术有着更多期待。“因为有更好的量子效应，量子胶片技术还可以应用在更多的领域，比方说更高效的太阳能电池、带荧光的服装和纺织物，或者需要夜间发光的标志等。”In Visage市场总监米歇尔·赫普（Michael Hepp）说。

然而，一项技术的开发与其真正商业应用之间，永远隔着一条鸿沟。1999年，哈佛大学的艾瑞克·马兹尔（E ric Mazur）发现硅片在卤素气体环境下，经由超短超强激光的扫描之后会形成如同森林般的微观表面，几乎能够捕获射入的所有光子。这种叫做“黑硅”的产品，其性能已经能够超越现在的“量子胶片”，但是其产品化的希望，还远在地平线之外。也许“量子胶片”不会重蹈黑硅的覆辙，但是这依然需要时间来验证。