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/00 前言/
前面的淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器系列介紹了按波長(zhǎng)分類的紫外、可見、紅外、X射線探測(cè)器的工作原理和主要分類，常見光電探測(cè)器的原理、材料和器件結(jié)構(gòu)、光電探測(cè)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(cè)器（由于時(shí)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(shè)計(jì)上的新、電路架構(gòu)上的新、光學(xué)設(shè)計(jì)上的新、工藝實(shí)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(shè)備是指可以穿戴在人體上實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、人機(jī)交互等功能的電子設(shè)備，其中可穿戴傳感器可以監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和環(huán)境信息等。近年來，可穿戴傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，在醫(yī)療健康、運(yùn)動(dòng)健身、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，后續(xù)隨著AI智能和萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，可穿戴設(shè)備將作為人物連接通信的樞紐，還將有更多更重要的應(yīng)用。近年，德國(guó)弗萊堡大學(xué)的CanDincer和哈佛大學(xué)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(lǐng)域的研究歷史、主要原理、最新發(fā)展、未來展望。
為了實(shí)現(xiàn)高舒適度、高靈活性、低功耗和低成本，可穿戴應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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(shè)備對(duì)器件的性能上沒有太苛刻要求，但是對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)的有設(shè)計(jì)上的要求。傳感器的設(shè)計(jì)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(jìn)行器件設(shè)計(jì)，這里就涉及到很多器件設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝兼容的問題。
可穿戴傳感器是一個(gè)比較大的領(lǐng)域范圍，對(duì)應(yīng)人體的眼、耳、鼻、舌、身五感有圖像傳感、聲學(xué)傳感、嗅覺傳感、味覺傳感、觸覺傳感（壓力傳感）。此外針對(duì)人體信號(hào)又有汗液檢測(cè)、血氧檢測(cè)、脈搏檢測(cè)、血糖檢測(cè)、心率檢測(cè)、血液檢測(cè)。對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域涵蓋較廣，包括MEMS，微流控、光電、生物醫(yī)學(xué)等等。
這里我們先主要關(guān)注光電領(lǐng)域。針對(duì)于可穿戴領(lǐng)域的光電探測(cè)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(shí)現(xiàn)生物信號(hào)的感知、檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各種小型化的POCT設(shè)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(cè)，X-ray用于組織和骨骼。此外針對(duì)靜態(tài)信號(hào)和動(dòng)態(tài)生理信號(hào)對(duì)探測(cè)器的性能要求也不同。
傳統(tǒng)的剛性光電探測(cè)器和圖像傳感器無法滿足可穿戴設(shè)備的柔性、輕便和低功耗要求，因此針對(duì)可穿戴領(lǐng)域的圖像傳感器和光電探測(cè)器主要向著柔性、低功耗、輕量化發(fā)展，為此對(duì)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(dǎo)體基底，因此非硅基的器件設(shè)計(jì)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(xué)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(shù)、薄膜晶體管技術(shù)為制造低成本、柔性光電探測(cè)器陣列提供了一種有前途的途徑。近年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院光技術(shù)研究所人報(bào)告了一種單片印刷的全有機(jī)柔性光電探測(cè)器有源矩陣。該器件由噴墨印刷的場(chǎng)效應(yīng)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(shí)現(xiàn)柔性圖像傳感器，并用于可穿戴設(shè)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(yīng)用。基于柔性的圖像傳感器設(shè)計(jì)由于擺脫了剛性基底和均勻網(wǎng)格像素設(shè)計(jì)，其在光學(xué)性能上具有很多傳統(tǒng)圖像傳感器不具有的優(yōu)勢(shì)，比如設(shè)計(jì)上和結(jié)構(gòu)上可以更逼近生物眼的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大景深、高分辨率、高靈敏度和低功耗?；谏锏难矍蛟O(shè)計(jì)與基于平面式的圖像傳感器相比有很多優(yōu)勢(shì)，比如人眼半球形探測(cè)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(shí)現(xiàn)寬視野和低像差，只需簡(jiǎn)單、由少數(shù)組件構(gòu)成的成像光學(xué)系統(tǒng)。舉個(gè)例子，在光學(xué)像差中的場(chǎng)曲、畸變就是由于光場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低像差的成像。
上圖總結(jié)了一些近年的類視網(wǎng)膜的相關(guān)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(guān)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(xué)設(shè)計(jì)、新形態(tài)結(jié)構(gòu)、新使用場(chǎng)景發(fā)展。比如基于這一柔性可以實(shí)現(xiàn)半球形成像陣列面設(shè)計(jì)、類復(fù)眼結(jié)構(gòu)、曲面可調(diào)設(shè)計(jì)、透明輕量設(shè)計(jì)等，從而實(shí)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(jiǎn)的光學(xué)設(shè)計(jì)，自動(dòng)變焦、更多的設(shè)計(jì)自由度?；谌嵝缘膱D像傳感不但可以用于智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、POCT等、還可以用于臨床醫(yī)療、人造器官等領(lǐng)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(shí)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(guān)的圖像傳感器和光電探測(cè)器在學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展突出，但是在產(chǎn)業(yè)界上，很多技術(shù)距離落地還有相當(dāng)一段距離要走。這里簡(jiǎn)單介紹一下目前搜索到的一些相關(guān)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(qiáng)現(xiàn)實(shí) (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(shè)計(jì)，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(shì)識(shí)別等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。其中核心技術(shù)包括高密度微顯示屏（14000 ppi MicroLED,注：microLED是目前顯示領(lǐng)域的新一代技術(shù)，可實(shí)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(shù)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(guān)于該圖像傳感器的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)可穿戴和小型化，做了電路和架構(gòu)層面的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但是未實(shí)現(xiàn)柔性化設(shè)計(jì)。相信在未來隨著柔性圖像傳感技術(shù)的逐漸成熟，其將對(duì)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(lǐng)域的知名廠商日本JDI公司，在前幾年開始正式進(jìn)軍圖像傳感器。該公司將其在顯示領(lǐng)域的技術(shù)積累遷移至圖像傳感器領(lǐng)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(cè)脈搏等生物信號(hào)，又能通過靜脈圖像識(shí)別個(gè)人身份，因此可以構(gòu)建非常安全的測(cè)量系統(tǒng)。該公司早在2020年聯(lián)合東京大學(xué)在Nature Electronics上發(fā)表文章，詳細(xì)介紹了他們這一柔性圖像傳感器技術(shù)。
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(diǎn)，基于其可以實(shí)現(xiàn)可穿戴、類視網(wǎng)膜等新形態(tài)的電子設(shè)備，從而在生物醫(yī)療、POCT、智能穿戴、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具備重要應(yīng)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(shí)也能感知和探測(cè)光學(xué)信號(hào)。近年來，透明圖像傳感器技術(shù)取得了快速發(fā)展，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能家居、汽車電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(shí)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(shè)備的不透明特性會(huì)成為其在人機(jī)交互界面、智能顯示器、IOT、以及AR/VR等應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用場(chǎng)景。
近日，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)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(cè)器和電極陣列組成，感光陣列由由石墨烯和量子點(diǎn)構(gòu)成，其像素實(shí)現(xiàn)了 85-95% 的光學(xué)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(shù)中的應(yīng)用。
圖像傳感+顯示的集成也是目前的一大研究熱點(diǎn)，可感可顯的交互屏幕為電子設(shè)備的智能化帶來更多功能和應(yīng)用。近日日本旭化成集團(tuán)和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院霍爾斯特中心、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)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(xué)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(jī)光電探測(cè)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(dǎo)電電極 (TCE) 和圖案化有機(jī)光電探測(cè)器子像素陣列實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透明性，該器件基于溶液法制備，可實(shí)現(xiàn)低成本、大像素尺寸、大面積陣列制備。文章中展示了當(dāng)該成像器與商用顯示器結(jié)合使用時(shí)，它可以實(shí)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(shì)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(shí)現(xiàn)傳感顯示一體屏幕設(shè)計(jì)。
蔡司在CES2024推出了Multifunctional Smart Glass技術(shù)，基于這一技術(shù)可以集成透明攝像頭 - “全息攝像頭”(holocam)。該技術(shù)利用耦合、解耦和光波導(dǎo)元件將入射光引導(dǎo)到隱藏的傳感器。該技術(shù)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(cè)等功能于一體。這一技術(shù)的關(guān)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(cè)、傳感、信息交互的相機(jī)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(jī)顯示屏等各個(gè)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(shì)，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(yīng)用場(chǎng)景帶來很多機(jī)會(huì)。
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（說明1：由于涉及的參考文獻(xiàn)和圖片比較多，如有遺漏還請(qǐng)諒解）
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