隨著機器視覺技術(shù)在無人機、智能車輛和移動機器人等領(lǐng)域的快速發(fā)展，實時成像系統(tǒng)對硬件性能提出了更高要求，尤其是高分辨率、快速響應(yīng)和寬動態(tài)范圍成像能力。傳統(tǒng)硅基圖像傳感器雖已成熟，但其動態(tài)范圍（60-70 dB）遠低于自然場景的280 dB光照跨度，導致在極端明暗場景中丟失細節(jié)。例如，在隧道出口等強光與暗光交界處，傳統(tǒng)傳感器難以同時保留高亮區(qū)域和陰影區(qū)域的細節(jié)。為解決這一問題，研究者借鑒人類視網(wǎng)膜中視桿和視錐細胞的互補機制：視錐細胞在強光下提供高分辨快速響應(yīng)，而視桿細胞在弱光下通過高靈敏度捕獲信號。這種生物視覺的動態(tài)適應(yīng)機制激發(fā)了新型光電探測器的設(shè)計，通過結(jié)合不同工作模式擴展器件的光強感知范圍。

但現(xiàn)有硅基圖像傳感器受限于單一光電轉(zhuǎn)換機制，動態(tài)范圍提升技術(shù)依賴復雜電路設(shè)計，易引入運動偽影且集成難度高。二維材料雖展現(xiàn)出寬動態(tài)響應(yīng)潛力，但普遍存在表面陷阱導致的響應(yīng)速度慢或與硅基工藝兼容性不足的問題。此外，傳統(tǒng)光電二極管缺乏內(nèi)部增益，弱光下信噪比低，而光電導器件雖具備增益但動態(tài)范圍受限且暗電流較高。如何實現(xiàn)兼具寬動態(tài)范圍、快速響應(yīng)且與硅工藝兼容的器件，成為突破現(xiàn)有成像技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對上述問題，電子科技大學相關(guān)研究團隊利用了澤攸科技的DMD無掩膜光刻機進行了深入研究，他們提出了一種基于SOI與石墨烯異質(zhì)結(jié)的雙模光電探測器，通過設(shè)計光電二極管與光電導體的雙工作模式動態(tài)切換機制，結(jié)合柵極調(diào)控降低暗電流，實現(xiàn)了170 dB的超寬動態(tài)范圍與5 ns/4 μs的快速響應(yīng)，同時兼容硅基工藝，為機器視覺系統(tǒng)提供了仿視網(wǎng)膜的新型光電器件解決方案。相關(guān)成果以“Dual-Mode Photodetectors Mimicking Retinal Rod and Cone Cells for High Dynamic Range Image Sensor”發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202402192

該研究基于仿生學原理，提出了一種新型雙模光電探測器，通過模擬人眼視網(wǎng)膜視桿與視錐細胞的動態(tài)互補機制，實現(xiàn)了寬動態(tài)范圍與快速響應(yīng)的統(tǒng)一。研究團隊采用SOI與石墨烯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在反向偏壓下器件以光電二極管模式工作（類似視錐細胞的強光響應(yīng)），利用異質(zhì)結(jié)耗盡區(qū)的載流子快速分離實現(xiàn)高線性度光電流輸出；而在正向偏壓下切換為光電導體模式（模擬視桿細胞的弱光敏感特性），通過柵極調(diào)控降低硅層載流子濃度，抑制暗電流并引入內(nèi)部增益，顯著提升弱光下的信噪比。雙模動態(tài)切換機制使器件光強感知范圍擴展至170 dB，覆蓋10^-5至10^2 mW/cm2的極端光照場景。

圖 人類視覺機制的原理圖和視網(wǎng)膜桿狀/錐狀雙模光電探測器的設(shè)計

在光電轉(zhuǎn)換機理層面，研究揭示了異質(zhì)結(jié)與柵極調(diào)控的協(xié)同效應(yīng)。反向偏壓時，石墨烯/Si界面形成的肖特基勢壘促使光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)分離，產(chǎn)生無增益但高穩(wěn)定性的光電流；正向偏壓下，外部電場主導載流子輸運，柵極負壓調(diào)制硅層費米能級形成局部勢壘，抑制多數(shù)載流子導通，使微弱光信號觸發(fā)的少數(shù)載流子遷移產(chǎn)生放大效應(yīng)。通過光電流成像技術(shù)驗證了兩種模式的空間響應(yīng)區(qū)域差異：光電二極管模式集中于異質(zhì)結(jié)界面的局域敏感區(qū)，而光電導體模式則激活硅層整體導電通道，形成互補的光電活性區(qū)域。

圖 噪聲等效功率、光電流映射和能帶圖

圖 雙模光電探測器的光檢測性能

器件性能測試表明，該探測器在405-638 nm可見光波段展現(xiàn)出寬譜響應(yīng)特性。光電二極管模式在強光下具有140 dB線性動態(tài)范圍（LDR），響應(yīng)度穩(wěn)定在0.3 A/W；光電導體模式在弱光區(qū)響應(yīng)度高達160 A/W，結(jié)合柵壓調(diào)控將噪聲等效功率（NEP）降至6 pW。雙模式融合后整體動態(tài)范圍達170 dB，接近人眼適應(yīng)范圍（約180 dB）。特別值得注意的是，器件在兩種模式下的響應(yīng)速度分別達到5 ns（光電二極管）和4 μs（光電導體），突破了傳統(tǒng)二維材料探測器秒級遲滯的瓶頸，這歸因于SOI基底的超薄硅層（100 nm）有效縮短載流子擴散路徑，以及異質(zhì)結(jié)界面快速的電荷轉(zhuǎn)移特性。

圖 器件在405 nm處的動態(tài)響應(yīng)

 圖 雙模光電探測器在單像素成像和圖像融合中的應(yīng)用

研究進一步通過單像素成像實驗驗證了仿視網(wǎng)膜成像的可行性。在模擬隧道出口的極端光強分布場景中，光電二極管模式捕獲強光區(qū)域細節(jié)，光電導體模式提取暗區(qū)信息，通過均值濾波算法融合雙模圖像，成功重建出動態(tài)范圍超越傳統(tǒng)CMOS傳感器的高保真圖像。該工作不僅為硅基HDR圖像傳感器提供了一種無需復雜電路的新型器件架構(gòu)，也為仿生光電系統(tǒng)的設(shè)計開辟了跨尺度異質(zhì)集成的新路徑，有望推動機器視覺在自動駕駛、無人機等領(lǐng)域的應(yīng)用突破。

澤攸科技桌面級無掩膜光刻機，專為高效、精準的微納加工需求設(shè)計。該設(shè)備采用高功率、高均勻度的LED光源，并結(jié)合先進的DLP技術(shù)，實現(xiàn)了黃光或綠光引導曝光功能，做到“所見即所得”，極大提升了操作便捷性和工藝可控性。其獨特的光路結(jié)構(gòu)和高精度直線電機位移臺確保了曝光精度和重復定位能力，同時配備CCD相機逐場自動對焦系統(tǒng)，進一步優(yōu)化了成像質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。設(shè)備支持電動物鏡切換和激光主動對焦功能，能夠靈活應(yīng)對不同應(yīng)用場景的需求。其緊湊的桌面小型化設(shè)計不僅節(jié)省空間，還便于在實驗室或生產(chǎn)環(huán)境中部署。

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