【光电进展】人工眼：多模态图像传感器

据美国optics.org网站近日报道，美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）、圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）和半导体公司豪威科技（OmniVision Technologies）的研究人员研发出可集成在图像传感器芯片上的最新纳米结构组件，这些组件很有可能对多模态成像产生重大影响。该研究以“Multimodal light-sensing pixel arrays”为题发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。

该项目研究进展可以使自动驾驶汽车不仅可以看到前方路况，还可以看到拐角处状况，也可以让生物医学成像检测不同深度组织的异常，甚至能让望远镜看到星际尘埃。

该项目研究人员表示，图像传感器将逐渐转变为机器的理想“人工眼”。利用现有图像传感器的卓越成就可能会产生更直接的影响。

将光信号转换为电信号的图像传感器由单个芯片上的数百万像素组成。开发人员面临的挑战是如何将多功能组件作为传感器的一部分进行集成化和小型化。

在研究工作中，研究人员研发出一种通过制造片上光谱仪来检测多波段光谱的方法。他们直接在图像传感器像素顶部沉积了由硅构成的光子晶体滤光片薄膜，可在入射光与传感器之间产生复杂的相互作用。

滤光片薄膜下方的传感器像素记录了光能的分布，从中可以推断出光谱信息。该器件尺寸小于6mm²，可以通过编程来满足各种动态范围、分辨率水平以及从可见光到红外光的光谱范围。

研究人员已经构建了可以检测光入射角度信息的组件，用于探测深度信息并在亚细胞尺度上构建3D形状。该工作灵感来源于从动物身上发现的定向听觉传感器，例如由于壁虎的头部太小而无法确定声音的来源，但他们使用“耦合耳膜”可测量声音的方向，其尺寸比相应的声波波长小几个数量级。

类似地，成对的硅纳米线被构造为谐振器来实现光学谐振。存储在两个谐振器中的光能对入射角很敏感。离光最近的纳米线产生强电流，通过比较来自两条纳米线的最强电流和最弱电流，就可以确定入射光的角度。

数以百万计的这些纳米线可以集成于1平方毫米的芯片上。研究人员表示，他们的研究工作可以支持无镜头相机、增强现实（AR）和机器人视觉等多种应用的进步。

（天津津航技术物理研究所 靳婷）

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