據麥姆斯咨詢報道，近日，來自巴塞羅那科學技術研究所（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用領域。相關研究成果以“Semitransparent Image Sensors for Eye-Tracking Applications”為題發表在ACS Photonics期刊上。

基于石墨烯和量子點的8 x 8光電探測器陣列幾乎透明，有望重塑眼球追蹤技術。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備中的側面位置。這項創新在ACS Photonics期刊中得到了重點報道。

ACS Photonics發表的詳細研究表明，石墨烯和量子點在圖像傳感器設計中的結合具有革命性的意義。石墨烯是單層碳原子，以其強度、柔韌性和導電性而聞名。量子點是一種可以吸收和發射光的微小半導體顆粒，通常用于顯示技術。兩者的完美結合使得傳感器不僅透明，而且能夠高效地將光轉換為電信號。

圖像傳感器面臨哪些挑戰？

在電子領域開發的所有傳感器技術中，圖像傳感器是最具變革性的技術之一，因為其能夠提供模擬和數字視覺信息。將圖像記錄為數據流的能力使航天器能夠從太空最深處發回照片，還可以實時攝像并向整個國家傳輸電視，以及利用手機進行自拍等。

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

圖像傳感器面臨的另一項挑戰是圖像傳感器本身無法單獨產生清晰圖像；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方向的光線，從而導致圖像完全模糊，無法解析任何內容。對于大型相機來說，添加鏡頭不是問題，但對于智能手機來說，小巧先進的鏡頭對于成像至關重要。

一項新興技術正在為圖像傳感器帶來新的挑戰：柔性電子器件。工程師們正致力為眾多應用開發柔性電子器件，包括可穿戴電子產品、醫療設備和先進的人機界面（HMI）。雖然很大一部分電子器件已經實現了柔性化，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計方式。為了產生最高質量的圖像，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換為電信號的器件。光電二極管通常采用基于硅的晶體結構，硅是電子產品中常用的材料，尤其是芯片和傳感器，因為其具有優異的半導體特性。

當然，圖像傳感器可以集成到柔性的設備中，但只能作為本身不能彎曲的模塊。這意味著柔性設計的某些部分是剛性的，因此，隨著時間的推移容易損壞（因為反復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

認識到圖像傳感器在新興技術中面臨的挑戰，巴塞羅那科學技術研究所（ICFO）和初創公司Qurv Technologies的研究人員發表了他們關于一種既柔性又半透明的新型圖像傳感器的研究成果，為圖像傳感器領域的新應用鋪平了道路。

“由于其能夠捕獲大量信息，因此傳統的圖像傳感器在當今社會中發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可能成為人機界面、智能顯示器以及增強現實（AR）和虛擬現實（VR）等應用的限制因素。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和分析，以及其作為眼球追蹤設備的適用性。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，其像素的光學透明度達到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和成像的認識，因為其可以隱藏在人們的視線中。”

為了開發這種新型圖像傳感器，研究人員求助于過去幾年占據頭條新聞的多種材料：石墨烯和量子點。選擇石墨烯是因為它具有優異的導電性、柔韌性和透明度，也可將光子轉換為電子。光子是一種微小的粒子，當它撞擊某些材料時，就會產生電荷。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量子點層。量子點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，因其可以導電而常用于電子產品中。

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

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

這項技術的實用性如何？

雖然研究人員制造的傳感器陣列很小，但只需對該陣列進行幾次倍增即可獲得實用的圖像傳感器。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容的變化。例如，先進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，這項技術仍處于實驗室階段，但8 x 8陣列的制造和展示表明其可以使用現代生產工藝輕松制造。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的進一步見解揭示了石墨烯和量子點的獨特性質。雖然石墨烯是一種出色的導體，善于將光子轉換為電子，但它不會吸收太多的光。另一方面，量子點是出色的光吸收體。這兩種材料之間的協同作用使得透明圖像傳感器大有可為。這項技術的未來不僅在于其透明度，還在于其對各種應用的適應性，使其有望為電子領域帶來變革。

正如IEEE Spectrum所強調的那樣，這項技術的潛在應用領域非常廣泛。從虛擬現實和增強現實設備到提高駕駛安全的系統，其可能性是無限的。增強現實將數字內容疊加在現實世界上，而虛擬現實讓用戶沉浸在完全數字化的環境中。該研究的關鍵人物Frank Koppens設想，未來智能手機或筆記本電腦等設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。您認為這項技術的實用性如何？

審核編輯：劉清