編輯 | 蘿卜皮

具有智能功能的先進(jìn)光電探測(cè)器，有望在未來(lái)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。然而，在有限數(shù)量的像素內(nèi)完成復(fù)雜的檢測(cè)任務(wù)仍然具有挑戰(zhàn)性。

吉林大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種差分鈣鈦礦半球形光電探測(cè)器，用作智能成像和位置跟蹤的智能定位器。鈣鈦礦半球形光電探測(cè)器具有高外量子效率（~1000%）和低噪聲（10^?13?A?Hz^?0.5），可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且大的信號(hào)響應(yīng)變化。

通過(guò)計(jì)算機(jī)算法分析僅 8 個(gè)像素的差分光響應(yīng)，可以在低成本、無(wú)透鏡的設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)彩色成像的能力和 4.7 nm 的計(jì)算光譜分辨率。

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模擬不同施加偏置下的差分電流信號(hào)，可以記錄多維檢測(cè)信息，通過(guò)顏色分類(lèi)功能動(dòng)態(tài)跟蹤物體在三維空間或二維平面中的運(yùn)行軌跡。

該研究以「Differential perovskite hemispherical photodetector for intelligent imaging and location tracking」為題，于 2024 年 1 月 17 日發(fā)布在《Nature Communications》。

具有先進(jìn)功能的智能化、低成本光電探測(cè)器是現(xiàn)代技術(shù)快速發(fā)展的必然趨勢(shì)。光子檢測(cè)的進(jìn)步涉及多種信息，例如光子效率、廣角視覺(jué)、圖像有效性、顏色分類(lèi)、物體定位、數(shù)字信息傳輸?shù)取?/span>

然而，光學(xué)成像中的傳統(tǒng)技術(shù)通常包含冗余、重復(fù)和不相關(guān)的信息，并且相機(jī)中的矩陣傳感器也給成像系統(tǒng)帶來(lái)了額外的成本和復(fù)雜性。

為了實(shí)現(xiàn)廣角、夜視等不同成像場(chǎng)景下的多功能，智能手機(jī)的傳統(tǒng)做法是集成多個(gè)攝像頭，在不同情況或需求下使用單獨(dú)的不同攝像頭。復(fù)雜的光學(xué)元件和重復(fù)的像素矩陣元件實(shí)際上是對(duì)空間和成本的浪費(fèi)。

基于傅里葉變換的單像素成像部分解決了這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)傅里葉變換將二維圖像轉(zhuǎn)換為頻域，僅一個(gè)單像素光電探測(cè)器就可以通過(guò)監(jiān)測(cè)物體反射光引起的光電流變化來(lái)記錄圖像信息。借助傅里葉算法，通過(guò)傅里葉逆變換，根據(jù)傅里葉譜系數(shù)重建物體圖像。

在最新的研究中，吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有8個(gè)差分像素的差分鈣鈦礦半球形光電探測(cè)器；使用不同應(yīng)用偏差下的差分像素大小、位置和響應(yīng)率，以及傅里葉變換算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合 (NNF) 輔助機(jī)器學(xué)習(xí)，能夠兼容地集成各種功能，例如計(jì)算光譜儀、廣角成像、顏色分類(lèi)、位置跟蹤等。

低噪聲（~10^?13?A?Hz^?0.5）、高 EQE（~1000%）和半球形器件架構(gòu)使大差分信號(hào)能夠收集更多感興趣的信息。將差分光電探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)與機(jī)器學(xué)習(xí)和 NNF 工藝相結(jié)合，可以進(jìn)一步增強(qiáng)最先進(jìn)的光電探測(cè)器。

這種簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了構(gòu)建復(fù)雜探測(cè)器陣列的空間和成本，而且將探測(cè)器性能推向了智能化。然而，數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程仍然需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，這可能會(huì)延遲結(jié)果的及時(shí)性或損害結(jié)果的準(zhǔn)確性。

盡管如此，仍需要進(jìn)一步的模型設(shè)計(jì)和算法優(yōu)化，通過(guò)展示智能性能的進(jìn)步來(lái)提高差分檢測(cè)器的成熟度。通過(guò)集成差分半球形探測(cè)器陣列，大多數(shù)先進(jìn)光電探測(cè)器可以進(jìn)一步智能化和小型化，以適應(yīng)未來(lái)的人工智能應(yīng)用。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44857-4