暨南大學麥文杰&鐘金鋼Adv. Funct. Mater.：鈣鈦礦單像素照相機

暨南大學麥文杰&鐘金鋼Adv. Funct. Mater.：鈣鈦礦單像素照相機

【引言】

照相機是一種利用光學成像原理記錄影像的設備，廣泛應用于日常生活、科學研究、軍事行動中。如今，商用照相機多使用成熟的硅基CCD或CMOS陣列作為感光元件，并且取得了巨大的進展。然而，隨著摩爾定律走向終結，傳統照相機的發展進入了瓶頸。目前商用硅芯片系列照相機主要面臨以下兩大難題： 1. 目前CCD/CMOS的成像分辨率達到現代工業水平制造極限，想要進一步通過增加陣列密度的方法來實現千萬/億萬像素變得不現實。2. 受限于硅的間接帶隙半導體特性，硅器件一般在300-1100nm之間的寬譜都有響應，很難做到300 nm以下紫外和1100nm以上的近紅外二區成像，而且很難做到窄帶響應，限制了傳統硅基CCD/CMOS相機的應用場景。此外我國的半導體工業水平目前仍然相對較低，比如CMOS的市場國產率不足5%，芯片“卡脖子”問題仍然普遍存在。

近年來蓬勃發展的新型光電子材料（如鈣鈦礦材料，二維材料等）給高性能、低成本的照相機帶來了可能。例如，通過調節鈣鈦礦材料鹵族元素的比例（X=Cl, Br, I），很容易調節器件的光學帶隙，從而調節響應波長；再如，通過摻雜稀土元素，鈣鈦礦材料可以實現近紅外二區的響應。并且，鈣鈦礦材料器件的制作工藝相對簡單，使用溶液旋涂法就可以得到滿意的性能。然而，鈣鈦礦光電探測器仍處于基礎研究階段，人們往往只能制作低密度像素的陣列器件，造成了成像演示分辨率低的問題。并且，由于很難跟現有硅器件工藝兼容，同時沒有合適的光學系統匹配，所有現今的鈣鈦礦光電探測器只能對片狀物體進行透射成像，無法對實物成像（商用照相機多采用物體漫反射光進行成像）。因此，基于傳統成像路線的陣列式鈣鈦礦照相機還有很長的路要走。

【研究進展】

近日，暨南大學麥文杰課題組與鐘金鋼課題組合作在材料學權威期刊Advanced Functional Materials上發表了一篇題目為“Achieving 256 × 256-Pixel Color Images by Perovskite-Based Photodetectors Coupled with Algorithms”的文章。該論文的第一作者為計鐘博士，共同第一作者為劉于金博士生，通訊作者為麥文杰教授和鐘金鋼教授。該研究創新地將計算單像素成像算法與鈣鈦礦探測器結合，首次實現了鈣鈦礦探測器的256 × 256像素的成像演示。利用預先編碼的條紋結構光對成像物體進行照明，使用鈣鈦礦光電探測器對物體漫反射光進行收集，變換不同結構光后得到一系列帶有空間信息的電流值，再經過逆傅里葉變換算法就可以還原物體的二維圖像。變換的結構光數目越多，圖像的分辨率越高。得益于先進的計算成像算法，該成像方式只需要制作一個單像素探測器就能實現對圖像空間分辨率的獲取，避免了陣列器件的高工藝難度和高成本。此外計算成像技術結合了光學系統的信息獲取能力和計算機的信息處理能力，突破了傳統光學成像系統對于成像器件硬件的過度依賴，通過先進的超分辨算法就有望能夠突破傳統相機的成像分辨率。

鈣鈦礦單像素照相機概念

【圖文簡介】

圖1 鈣鈦礦單像素照相機的設計

(a) 鈣鈦礦單像素照相機的硬件設備；首先由光源發射均勻光，經濾光片后打到投影設備上（投影儀或數字微鏡陣列DMD），經投影透鏡后形成條紋狀的結構光，照射到成像物體上后發射漫反射，漫反射光隨即被單像素的鈣鈦礦探測器以及后續電路接收；改變結構光，一系列帶有空間信息的電流值，經過逆傅里葉變換算法可以還原物體的二維圖像。

(b) 前幾個結構光投影條紋與對應的電流值。

圖2 高分辨率（256 × 256像素）圖像展示

(a) 手機照片降頻；此時降頻圖像模糊與單像素圖像隨投影次數增加而分辨率增加共軛。

(b) 單像素圖像隨投影次數增加而分辨率增加；經過了131072次投影，得到了256 × 256像素的高分辨率圖像。注意：繼續增加投影次數，分辨率可以進一步提高。

圖3分析鈣鈦礦探測器噪聲，提出探測器能否用與單像素照相機的標準

(a-c) 三種鈣鈦礦探測器（Al₂O₃優化的CsBi₃I₁₀ PD, 未優化的 CsBi₃I₁₀ PD、MAPbI₃）的光電流和暗電流。

(d) 三種鈣鈦礦探測器的q值。q值為本文提出的探測器能否用與單像素照相機的標準參數，其值為電流波動/響應度，即電流波動越小且響應度越大，成像質量越高。

(e) 波長響應

(f) 噪聲分析

圖4 不同鈣鈦礦探測器的成像結果

(a) 典型的結構光投影條紋；

(b) 對應的電流曲線；有“臺階”說明探測器質量好。

(c) 對應的成像結果；

(d) 不同鈣鈦礦在不同光強下的成像結果；

(e) 成像物體照片。

(f) 商用硅探測器的成像結果。

(g) 不同成像結果的信噪比。與圖3的噪聲分析結果一致，說明q參數可用。

圖5鈣鈦礦單像素照相機的其他優點

(a) 散射介質成像示意

(b) 探測器與毛玻璃相對位置照片；

(c-d) 手機照片與鈣鈦礦單像素照相機照片；

(e-f) 在煙霧中成像的手機照片與鈣鈦礦單像素照相機照片；(a-f)說明可以克服散射介質成像。

(g-h) 非直視成像示意與成像結果；說明可以非直視成像。

(i) 電流值信號；經歷過外界燈干擾、遮擋探測器、閃光燈干擾。

(j) 對應i圖的成像結果，說明有較強的抗干擾能力。

(k-o) 成像物體（彩椒玩具）的手機照片、紅、綠、藍（使用圖1描述的濾光片）、合成的彩色照片。說明鈣鈦礦單像素照相機具有彩色成像能力。

【小結】

綜上所述，采用簡易、可擴展、低成本的制造工藝，制備了多種單像素的鈣鈦礦光電探測器，結合單像素成像算法，實現了高分辨率的彩色成像。該鈣鈦礦單像素照相機具有以下優點：1克服了硅探測器的性能瓶頸和制作工藝困難，為低成本高性能照相機提供了新思路；2，可作為新材料/新結構探測器的成像測試平臺，極大的擴展了新材料的應用。

文獻鏈接：Achieving 256 × 256-Pixel Color Images by Perovskite-Based Photodetectors Coupled with Algorithms,?Adv. Funct. Mater. 2021, 2104320.?