一種透明圖像傳感器：石墨烯和量子點(diǎn)賦能未來

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，來自巴塞羅那科學(xué)技術(shù)研究所（ICFO）和Qurv Technologies公司的研究人員研制了一種柔性、透明的圖像傳感器，這種傳感器可用于鏡子、窗戶和眼鏡等多種應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以“Semitransparent Image Sensors for Eye-Tracking Applications”為題發(fā)表在ACS Photonics期刊上。

基于石墨烯和量子點(diǎn)的8 x 8光電探測器陣列幾乎透明，有望重塑眼球追蹤技術(shù)。該傳感器有可能直接放置在眼睛的前方，而不是目前頭戴式設(shè)備中的側(cè)面位置。這項(xiàng)創(chuàng)新在ACS Photonics期刊中得到了重點(diǎn)報(bào)道。

ACS Photonics發(fā)表的詳細(xì)研究表明，石墨烯和量子點(diǎn)在圖像傳感器設(shè)計(jì)中的結(jié)合具有革命性的意義。石墨烯是單層碳原子，以其強(qiáng)度、柔韌性和導(dǎo)電性而聞名。量子點(diǎn)是一種可以吸收和發(fā)射光的微小半導(dǎo)體顆粒，通常用于顯示技術(shù)。兩者的完美結(jié)合使得傳感器不僅透明，而且能夠高效地將光轉(zhuǎn)換為電信號。

圖像傳感器面臨哪些挑戰(zhàn)？

在電子領(lǐng)域開發(fā)的所有傳感器技術(shù)中，圖像傳感器是最具變革性的技術(shù)之一，因?yàn)槠淠軌蛱峁?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬和數(shù)字視覺信息。將圖像記錄為數(shù)據(jù)流的能力使航天器能夠從太空最深處發(fā)回照片，還可以實(shí)時(shí)攝像并向整個(gè)國家傳輸電視，以及利用手機(jī)進(jìn)行自拍等。

盡管圖像傳感器具有諸多優(yōu)勢，但其也面臨著許多挑戰(zhàn)。其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)是需要高度的靈敏度，以便在弱光條件下生成高質(zhì)量的圖像。雖然放大器可用于增強(qiáng)圖像信號，但這也會放大噪聲，從而導(dǎo)致圖像更加粗糙化（這就是專業(yè)攝影師嘗試最大化光線亮度并最小化放大器設(shè)置即ISO的原因）。

圖像傳感器面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是圖像傳感器本身無法單獨(dú)產(chǎn)生清晰圖像；它需要鏡頭將光線聚焦到傳感器上并使拍攝對象清晰對焦。沒有鏡頭的圖像傳感器會接收各個(gè)方向的光線，從而導(dǎo)致圖像完全模糊，無法解析任何內(nèi)容。對于大型相機(jī)來說，添加鏡頭不是問題，但對于智能手機(jī)來說，小巧先進(jìn)的鏡頭對于成像至關(guān)重要。

一項(xiàng)新興技術(shù)正在為圖像傳感器帶來新的挑戰(zhàn)：柔性電子器件。工程師們正致力為眾多應(yīng)用開發(fā)柔性電子器件，包括可穿戴電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備和先進(jìn)的人機(jī)界面（HMI）。雖然很大一部分電子器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了柔性化，但圖像傳感器仍然停留在剛性電子器件范圍。

其原因在于圖像傳感器的設(shè)計(jì)方式。為了產(chǎn)生最高質(zhì)量的圖像，圖像傳感器需要使用具有極高靈敏度的光電二極管。光電二極管是一種檢測光并將其轉(zhuǎn)換為電信號的器件。光電二極管通常采用基于硅的晶體結(jié)構(gòu)，硅是電子產(chǎn)品中常用的材料，尤其是芯片和傳感器，因?yàn)槠渚哂袃?yōu)異的半導(dǎo)體特性。

當(dāng)然，圖像傳感器可以集成到柔性的設(shè)備中，但只能作為本身不能彎曲的模塊。這意味著柔性設(shè)計(jì)的某些部分是剛性的，因此，隨著時(shí)間的推移容易損壞（因?yàn)榉磸?fù)彎曲會給連接器和襯底帶來損傷）。

研究人員展示透明圖像傳感器

認(rèn)識到圖像傳感器在新興技術(shù)中面臨的挑戰(zhàn)，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)研究所（ICFO）和初創(chuàng)公司Qurv Technologies的研究人員發(fā)表了他們關(guān)于一種既柔性又半透明的新型圖像傳感器的研究成果，為圖像傳感器領(lǐng)域的新應(yīng)用鋪平了道路。

“由于其能夠捕獲大量信息，因此傳統(tǒng)的圖像傳感器在當(dāng)今社會中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，其像素和堆疊式讀出電子元件的不透明性質(zhì)可能成為人機(jī)界面、智能顯示器以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等應(yīng)用的限制因素。研究人員在該論文中介紹了首款半透明圖像傳感器的開發(fā)和分析，以及其作為眼球追蹤設(shè)備的適用性。該傳感器由沉積在全透明襯底上的8 × 8半透明光電探測器和電極陣列組成，其像素的光學(xué)透明度達(dá)到85-95%并具有高靈敏度，其中90%以上的像素在637 nm波長下表現(xiàn)出<10?? W/m2的噪聲等效輻照度。這種圖像傳感器的制造從根本上改變了人們對相機(jī)和成像的認(rèn)識，因?yàn)槠淇梢噪[藏在人們的視線中?！?/p>

為了開發(fā)這種新型圖像傳感器，研究人員求助于過去幾年占據(jù)頭條新聞的多種材料：石墨烯和量子點(diǎn)。選擇石墨烯是因?yàn)樗哂袃?yōu)異的導(dǎo)電性、柔韌性和透明度，也可將光子轉(zhuǎn)換為電子。光子是一種微小的粒子，當(dāng)它撞擊某些材料時(shí)，就會產(chǎn)生電荷。然而，由于石墨烯吸收的光子很少，研究人員隨后決定在石墨烯上方集成一個(gè)量子點(diǎn)層。量子點(diǎn)能夠極好地吸收光子，并將這些光子傳遞到石墨烯層，從而提高效率（光子到電信號的轉(zhuǎn)換率約為60%）。

由于這兩層材料都非常薄，因此大部分是透明的，最終圖像傳感器的透明度約為85%。此外，為了保持電觸點(diǎn)透明，研究人員采用了氧化銦錫（ITO），這是一種常用的透明電極材料。氧化銦錫是一種透明材料，因其可以導(dǎo)電而常用于電子產(chǎn)品中。

研究人員通過構(gòu)建一個(gè)8 × 8陣列展示了他們的新型圖像傳感器，每個(gè)像素尺寸約為60 μm x 140 μm。雖然這種傳感器只能產(chǎn)生黑白圖像（由于缺少濾光片），但研究人員能夠證實(shí)該新型透明圖像傳感器能夠產(chǎn)生圖像。

盡管典型的硅光電二極管的效率可達(dá)90%左右并具有更高的靈敏度，但透明圖像傳感器能夠在85%的透明度下表現(xiàn)出60%的效率，這一事實(shí)表明該新型圖像傳感器在未來確實(shí)有應(yīng)用潛力。

這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性如何？

雖然研究人員制造的傳感器陣列很小，但只需對該陣列進(jìn)行幾次倍增即可獲得實(shí)用的圖像傳感器。不過，雖然圖像傳感器變得透明且柔性，但人們不禁要問，它能應(yīng)用于什么地方呢？

由于圖像傳感器需要鏡頭以使其適合生成圖像，因此這些傳感器不會被用于此類應(yīng)用。相反，該傳感器更有可能被集成到顯示器、鏡子和眼鏡中，以提供先進(jìn)的傳感功能，例如眼球追蹤。

將透明圖像傳感器集成到眼鏡上的概念示意圖

這種新型圖像傳感器也有可能被安裝到取景器中，與相機(jī)里的CMOS圖像傳感器一起用于反饋回路，以處理用戶所看到內(nèi)容的變化。例如，先進(jìn)的取景器可以檢測到眼睛試圖聚焦的物體，從而使該物體對焦。

目前，這項(xiàng)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但8 x 8陣列的制造和展示表明其可以使用現(xiàn)代生產(chǎn)工藝輕松制造。因此，在不久的將來，各種日常用品有望集成這種肉眼看不見的圖像傳感器。

來自Graphene-Info的進(jìn)一步見解揭示了石墨烯和量子點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)。雖然石墨烯是一種出色的導(dǎo)體，善于將光子轉(zhuǎn)換為電子，但它不會吸收太多的光。另一方面，量子點(diǎn)是出色的光吸收體。這兩種材料之間的協(xié)同作用使得透明圖像傳感器大有可為。這項(xiàng)技術(shù)的未來不僅在于其透明度，還在于其對各種應(yīng)用的適應(yīng)性，使其有望為電子領(lǐng)域帶來變革。

正如IEEE Spectrum所強(qiáng)調(diào)的那樣，這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備到提高駕駛安全的系統(tǒng)，其可能性是無限的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將數(shù)字內(nèi)容疊加在現(xiàn)實(shí)世界上，而虛擬現(xiàn)實(shí)讓用戶沉浸在完全數(shù)字化的環(huán)境中。該研究的關(guān)鍵人物Frank Koppens設(shè)想，未來智能手機(jī)或筆記本電腦等設(shè)備的屏幕將兼具傳感器的功能，可以非接觸式檢測手部動作。甚至商店的櫥窗也可以集成這些智能傳感器，對人的手勢做出反應(yīng)。您認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性如何？

審核編輯：劉清