淺談光電探測器和圖像傳感器（八）:新型傳感器之柔性圖像傳感器和透明圖像傳感器

/00 前言/

前面的淺談光電探測器和圖像傳感器系列介紹了按波長分類的紫外、可見、紅外、X射線探測器的工作原理和主要分類，常見光電探測器的原理、材料和器件結構、光電探測器的主要分類等內(nèi)容。

這篇文章主要聊一聊最近看到的一些新型圖像傳感器和光電探測器（由于時間和篇幅有限，今天先寫柔性和透明圖像傳感器部分，其他的后續(xù)文章中再展開介紹）。“新型"的主要體現(xiàn)有產(chǎn)品形態(tài)的新、功能設計上的新、電路架構上的新、光學設計上的新、工藝實現(xiàn)上的新、和材料、器件、物理層面上的新。

/01 可穿戴 · 柔性· 仿生眼/

可穿戴設備是指可以穿戴在人體上實現(xiàn)生理信號檢測、環(huán)境檢測、人機交互等功能的電子設備，其中可穿戴傳感器可以監(jiān)測人體生理參數(shù)、運動數(shù)據(jù)和環(huán)境信息等。近年來，可穿戴傳感器技術發(fā)展迅速，在醫(yī)療健康、運動健身、環(huán)境監(jiān)測等領域得到了廣泛應用，后續(xù)隨著AI智能和萬物互聯(lián)時代的到來，可穿戴設備將作為人物連接通信的樞紐，還將有更多更重要的應用。近年，德國弗萊堡大學的CanDincer和哈佛大學的James J. Collins等人在Nature Electronics上發(fā)表綜述介紹了可穿戴傳感器領域的研究歷史、主要原理、最新發(fā)展、未來展望。

為了實現(xiàn)高舒適度、高靈活性、低功耗和低成本，可穿戴應用場景對于硬件、軟件、算法都提出了一些特殊的要求，硬件層面上，可穿戴設備對器件的性能上沒有太苛刻要求，但是對其形態(tài)結構的有設計上的要求。傳感器的設計需要匹配可穿戴功能，因此需要基于透氣、靈活和可拉伸的襯底材料進行器件設計，這里就涉及到很多器件設計、材料選擇、工藝兼容的問題。

可穿戴傳感器是一個比較大的領域范圍，對應人體的眼、耳、鼻、舌、身五感有圖像傳感、聲學傳感、嗅覺傳感、味覺傳感、觸覺傳感（壓力傳感）。此外針對人體信號又有汗液檢測、血氧檢測、脈搏檢測、血糖檢測、心率檢測、血液檢測。對應的領域涵蓋較廣，包括MEMS，微流控、光電、生物醫(yī)學等等。

這里我們先主要關注光電領域。針對于可穿戴領域的光電探測器和圖像傳感器有許多研究，可穿戴的圖像傳感器可以用于實現(xiàn)生物信號的感知、檢測，實現(xiàn)各種小型化的POCT設備。不同的光波段還有不功能，比如近紅外可用于血管成像、血氧檢測，X-ray用于組織和骨骼。此外針對靜態(tài)信號和動態(tài)生理信號對探測器的性能要求也不同。

傳統(tǒng)的剛性光電探測器和圖像傳感器無法滿足可穿戴設備的柔性、輕便和低功耗要求，因此針對可穿戴領域的圖像傳感器和光電探測器主要向著柔性、低功耗、輕量化發(fā)展，為此對器件和材料提出很多新的需求。首先柔性傳感器需要基于柔性基板，而不是傳統(tǒng)半導體基底，因此非硅基的器件設計是一大需求。常見的柔性基板材料包括聚合物（例如PDMS、PI、PET等）、金屬箔（例如金、銀等）和玻璃纖維等。近年，東京大學Tomoyuki Yokota等人發(fā)表綜述介紹了近年來圖像傳感器的發(fā)展。

基于印刷電子技術、薄膜晶體管技術為制造低成本、柔性光電探測器陣列提供了一種有前途的途徑。近年，德國卡爾斯魯厄理工學院光技術研究所人報告了一種單片印刷的全有機柔性光電探測器有源矩陣。該器件由噴墨印刷的場效應晶體管 (OTFT) 和光電二極管 (OPD) 組成，它們被單片集成到同一超薄基板上，改該工作展示了通過超低成本的非硅基工藝實現(xiàn)柔性圖像傳感器，并用于可穿戴設備的可能性。

類視網(wǎng)膜，或者說仿生眼是柔性圖像傳感器的另一大應用。基于柔性的圖像傳感器設計由于擺脫了剛性基底和均勻網(wǎng)格像素設計，其在光學性能上具有很多傳統(tǒng)圖像傳感器不具有的優(yōu)勢，比如設計上和結構上可以更逼近生物眼的設計方式，實現(xiàn)大視場、大景深、高分辨率、高靈敏度和低功耗?；谏锏难矍蛟O計與基于平面式的圖像傳感器相比有很多優(yōu)勢，比如人眼半球形探測器幾何形狀，類似于許多其他生物系統(tǒng)中的幾何形狀，它能實現(xiàn)寬視野和低像差，只需簡單、由少數(shù)組件構成的成像光學系統(tǒng)。舉個例子，在光學像差中的場曲、畸變就是由于光場傳播的球面特性和傳感器的平面特性不匹配造成的，因此傳統(tǒng)的平面式圖像傳感器并不利于實現(xiàn)高質(zhì)量低像差的成像。

上圖總結了一些近年的類視網(wǎng)膜的相關工作（具體內(nèi)容這里先不展開，感興趣的讀者可以去看看相關文章，尤其是范志勇教授、John A. Rogers 教授的系列工作），可以看到近年來基于柔性的圖像傳感器，正擺脫傳統(tǒng)圖像傳感的枷鎖，向著新光學設計、新形態(tài)結構、新使用場景發(fā)展。比如基于這一柔性可以實現(xiàn)半球形成像陣列面設計、類復眼結構、曲面可調(diào)設計、透明輕量設計等，從而實現(xiàn)更類人眼的功能，基于這一類視網(wǎng)膜的柔性圖像傳感器可以具備比傳統(tǒng)平面圖像傳感器更大的FOV,更大的景深，更高的分辨率，更小的像差，更簡的光學設計，自動變焦、更多的設計自由度。基于柔性的圖像傳感不但可以用于智能機器人、可穿戴設備、POCT等、還可以用于臨床醫(yī)療、人造器官等領域。此外，研究人員也在不斷探索仿生眼+的圖像傳感器，比如基于這一類視網(wǎng)膜傳感實現(xiàn)智能感知、少透鏡、無濾光成像模式等等。

柔性、可穿戴、仿生眼相關的圖像傳感器和光電探測器在學術界的研究進展突出，但是在產(chǎn)業(yè)界上，很多技術距離落地還有相當一段距離要走。這里簡單介紹一下目前搜索到的一些相關產(chǎn)品。

代表產(chǎn)品1：智能隱形眼鏡mojo lens

Mojo Lens 是一種由 Mojo Vision 開發(fā)的隱形增強現(xiàn)實 (AR) 眼鏡。它采用了微型顯示器、處理器、電池和傳感器等元件，可以將數(shù)字信息疊加到佩戴者的視野中。Mojo Lens 采用了與隱形眼鏡相似的設計，將數(shù)字信息疊加到佩戴者的視野中，并通過眼球追蹤和手勢識別等方式進行實時交互。其中核心技術包括高密度微顯示屏（14000 ppi MicroLED,注：microLED是目前顯示領域的新一代技術，可實現(xiàn)高ppi顯示），眼球追蹤傳感器、環(huán)境光傳感器，雖然mojo version主打核心技術是microLED，但是其上也有集成圖像傳感器用于環(huán)境圖像采集。目前關于該圖像傳感器的設計暫未有更多信息，不過從目前了解到的信息看，該圖像傳感器為了實現(xiàn)可穿戴和小型化，做了電路和架構層面的簡化設計，但是未實現(xiàn)柔性化設計。相信在未來隨著柔性圖像傳感技術的逐漸成熟，其將對可穿戴產(chǎn)品帶來更多可能。

代表產(chǎn)品2：JDI 柔性薄型圖像傳感器

顯示領域的知名廠商日本JDI公司，在前幾年開始正式進軍圖像傳感器。該公司將其在顯示領域的技術積累遷移至圖像傳感器領域，推出了自己的柔性薄膜圖像傳感器，該傳感器既能持續(xù)監(jiān)測脈搏等生物信號，又能通過靜脈圖像識別個人身份，因此可以構建非常安全的測量系統(tǒng)。該公司早在2020年聯(lián)合東京大學在Nature Electronics上發(fā)表文章，詳細介紹了他們這一柔性圖像傳感器技術。

總的來說，柔性圖像傳感器具備可彎曲、低成本、可調(diào)節(jié)、大面積等特點，基于其可以實現(xiàn)可穿戴、類視網(wǎng)膜等新形態(tài)的電子設備，從而在生物醫(yī)療、POCT、智能穿戴、健康監(jiān)測等領域具備重要應用。

/02 透明圖像傳感器/

透明圖像傳感器是一種新型的圖像傳感器，它可以透射可見光，同時也能感知和探測光學信號。近年來，透明圖像傳感器技術取得了快速發(fā)展，在增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、智能家居、汽車電子等領域具有廣闊的應用前景。從形態(tài)上說，透明圖像傳感器具備隱形性，因此可以實現(xiàn)集成到顯示器、鏡子、眼鏡、車窗、建筑玻璃等中。

相比透明圖像傳感器，傳統(tǒng)圖像傳感器本身以及堆疊的讀出電子設備的不透明特性會成為其在人機交互界面、智能顯示器、IOT、以及AR/VR等應用領域的一大限制因素。而透明圖像傳感器由于其隱形性、透明性、輕量化使得其具備比傳統(tǒng)圖像傳感器更多的應用場景。

近日，巴塞羅那科學技術研究所與Qurv Technologies公司聯(lián)合開發(fā)出了一款柔性透明圖像傳感器。該圖像傳感器由沉積在完全透明基板上的半透明光電探測器和電極陣列組成，感光陣列由由石墨烯和量子點構成，其像素實現(xiàn)了 85-95% 的光學透明度和高靈敏度。該文章展現(xiàn)了該圖像傳感器在眼球追蹤技術中的應用。

圖像傳感+顯示的集成也是目前的一大研究熱點，可感可顯的交互屏幕為電子設備的智能化帶來更多功能和應用。近日日本旭化成集團和荷蘭應用科學研究院霍爾斯特中心、荷蘭埃因霍溫理工大學合作，在Nature Electronics上發(fā)表論文，推出了其基于近紅外敏感透明光學圖像傳感器的非接觸式用戶界面。該工作展示了集成于顯示器頂部的視覺透明的近紅外敏感有機光電探測器 (OPD) 陣列。該圖像傳感器通過使用印刷銅柵格作為底部透明導電電極 (TCE) 和圖案化有機光電探測器子像素陣列實現(xiàn)了光學透明性，該器件基于溶液法制備，可實現(xiàn)低成本、大像素尺寸、大面積陣列制備。文章中展示了當該成像器與商用顯示器結合使用時，它可以實現(xiàn)雙控制模式下的非接觸式用戶界面交互，即光筆控制模式和手勢控制模式。值得一提的是，這一透明圖像傳感器的制備工藝與顯示面板的制備工藝完全兼容，因此可以較為容易的引入顯示面板制作工序中實現(xiàn)傳感顯示一體屏幕設計。

蔡司在CES2024推出了Multifunctional Smart Glass技術，基于這一技術可以集成透明攝像頭 - “全息攝像頭”(holocam)。該技術利用耦合、解耦和光波導元件將入射光引導到隱藏的傳感器。該技術可以使得原本無源的玻璃變成集成多功能有源元件的智能玻璃，比如集成顯示、成像、傳感、環(huán)境檢測等功能于一體。這一技術的關鍵意義在于“This holographic camera turns any window into an invisible camera”這意味著以后用于環(huán)境檢測、傳感、信息交互的相機形式可以不局限于傳統(tǒng)的攝像頭，而是可以內(nèi)置在建筑玻璃、車窗、手機顯示屏等各個地方，極大的便利化了智能交互、智能物聯(lián)。

透明圖像傳感器雖然在性能上和傳統(tǒng)圖像傳感器相比沒有優(yōu)勢，但是其形態(tài)和成像方式的革命性轉(zhuǎn)變?yōu)槠湓谛屡d應用場景帶來很多機會。

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（說明1：由于涉及的參考文獻和圖片比較多，如有遺漏還請諒解）