改进用于机器视觉的图像传感器

近日，发表在《应用物理快报》上一篇论文中，威斯康星大学麦迪逊分校、圣路易斯华盛顿大学和豪威科技（OmniVision Technologies）的研究人员介绍了集成在图像传感器芯片上的最新纳米结构组件很有可能会对多模态成像产生重大影响。

这些研究成果可以使自动驾驶汽车能够看到拐角处，而不仅仅是前后方；生物医学成像可以检测不同组织深度的异常；望远镜可以看穿星际尘埃。

（a）只能检测光强度的传统传感器和（b）纳米结构多模态传感器的原理图，该传感器可以通过亚波长尺度的光物质相互作用来检测各种质量的光。

来自威斯康星大学麦迪逊分校的论文合著者Yurui Qu说：“图像传感器将逐渐转变为机器的理想人工眼睛，利用现有成像传感器取得的进展可能会产生更直接的影响。”

将光信号转换为电信号的图像传感器由单颗芯片上的数百万/数千万像素组成。开发人员面临的挑战是如何将多功能组件作为传感器的一部分进行集成化和小型化。

在发表的论文中，研究人员详细介绍了一种通过制造“片上光谱仪”来检测多波段光谱的有前途的方法。他们将硅光子晶体滤光片薄膜直接沉积在图像传感器像素顶部，以在入射光与传感器之间产生复杂的相互作用。

滤光片薄膜下方的传感器像素记录了光能的分布，从中可以推断出光谱信息。该器件尺寸面积小于6平方毫米，可以通过编程方式以满足各种动态范围、分辨率水平以及从可见光到红外光的光谱范围。

研究人员还介绍了构建可以检测光入射角度的纳米结构组件，以探测深度信息并在亚细胞尺度上构建3D形状。该工作灵感来自于壁虎等动物身上发现的定向听觉传感器，例如壁虎的头部太小而无法确定声音的来源，但他们使用“耦合耳膜”来测量声音的方向，其尺寸比相应的声波波长小几个数量级。

同样，耦合的硅纳米线被构造为谐振器以实现光学谐振。存储在两个谐振器中的光能对入射角很敏感。离光最近的纳米线产生强电流，而另一条纳米线产生弱电流。通过比较来自两条纳米线的强电流和弱电流，就可以确定入射光的角度。

数以百万计的纳米线可以放置在1平方毫米的芯片上。这项研究可以支持无镜头相机，增强现实和机器人视觉的进步。

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