淺談光電探測(cè)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(cè)器和圖像傳感器系列介紹了按波長(zhǎng)分類的紫外、可見(jiàn)、紅外、X射線探測(cè)器的工作原理和主要分類，常見(jiàn)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(xiě)柔性和透明圖像傳感器部分，其他的后續(xù)文章中再展開(kāi)介紹）?！靶滦?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(lái)，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(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，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(lái)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(méi)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(wèn)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(jué)傳感、味覺(jué)傳感、觸覺(jué)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(wú)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(shuō)仿生眼是柔性圖像傳感器的另一大應(yīng)用?；谌嵝缘膱D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(kāi)，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(lái)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(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(jiàn)光，同時(shí)也能感知和探測(cè)光學(xué)信號(hào)。近年來(lái)，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(shuō)，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(kāi)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(lái)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(jué)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(guò)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(wú)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(méi)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(lái)很多機(jī)會(huì)。

參考資料：

1.https://image-sensors-world.blogspot.com/2021/03/isscc-2021-presentations-on-line-mojo.html

2.https://metamandrill.com/mojo-vision/

3.Ates, H.C., Nguyen, P.Q., Gonzalez-Macia, L. et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat Rev Mater 7, 887–907 (2022). https://doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x

4.Recent Progress of Flexible Image Sensors for Biomedical
Applications.DOI10.1002/adma.202004416

5.Ko, H., Stoykovich, M., Song, J. et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature 454, 748–753 (2008). https://doi.org/10.1038/nature07113

6. An aquatic-vision-inspired camera based on a monocentric lens and a silicon nanorod photodiode array

7. Curved neuromorphic image sensor array using a MoS2-organic heterostructure inspired by the human visual recognition system

8.Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems: https://www.nature.com/articles/nature07113

9.Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye

10. Dynamically tunable hemispherical electronic eye
camera system with adjustable zoom capability

11. Gu, L., Poddar, S., Lin, Y. et al. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581, 278–282 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x

12. Long, Z., Qiu, X., Chan, C.L.J. et al. A neuromorphic bionic eye with filter-free color vision using hemispherical perovskite nanowire array retina. Nat Commun 14, 1972 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37581-y

13. Ruiz‐Preciado, L.A., Baek, S., Strobel, N. et al. Monolithically printed all-organic flexible photosensor active matrix. npj Flex Electron 7, 6 (2023). https://doi.org/10.1038/s41528-023-00242-7

14.https://www.j-display.com/en/product_tech/opdsensor.html

15.A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement

16.Yokota, T., Nakamura, T., Kato, H. et al. A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement. Nat Electron 3, 113–121 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0354-7

17.https://www.electropages.com/blog/2023/09/researchers-create-transparent-image-sensor

18. https://www.zeiss.com/corporate/en/about-zeiss/present/newsroom/press-releases/2023/microoptics-ces.html

19.ACS Photonics 2023, 10, 9, 2994–3000Publication Date:August 25, 2023

20. Kamijo, T., van Breemen, A.J.J.M., Ma, X. et al. A touchless user interface based on a near-infrared-sensitive transparent optical imager. Nat Electron 6, 451–461 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00970-8

（說(shuō)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）