改进用于机器视觉的图像传感器

(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示意图，该传感器可以通过亚波长尺度的光与物质相互作用检测各种质量的光。图片来源：Yurui Qu 和 Soongyu Yi

图像传感器测量光强度，但还是要提取光的角度、光谱和其他方面，以显着推进机器视觉。

在应用物理快报中，威斯康星大学麦迪逊分校、圣路易斯华盛顿大学和 OmniVision Technologies 的研究人员着重介绍了集成在图像传感器芯片上的新的纳米结构组件，这些组件有可能对多模态成像产生影响。

这些发展可以使自动驾驶汽车能够看到拐角处，而不仅仅是直线，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。

威斯康星大学麦迪逊分校的合著者 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的显着成就的进化可能会产生更直接的影响。”

将光转换为电信号的图像传感器由单个芯片上的数百万像素组成。挑战在于如何将多功能组件组合并小型化作为传感器的一部分。

在他们自己的工作中，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。他们将由硅制成的光子晶体滤光片直接沉积在像素顶部，以在入射光和传感器之间产生复杂的相互作用。

薄膜下方的像素记录了光能的分布，从中可以推断出光谱信息。该设备尺寸不到百分之一平方英寸，可编程以满足各种动态范围、分辨率水平以及从可见光到红外的几乎任何光谱状态。

研究人员构建了一个组件，可检测角度信息以测量深度并在亚细胞尺度上构建 3D 形状。他们的工作受到了在壁虎等动物身上发现的定向听觉传感器的启发，壁虎的头部太小，无法像人类和其他动物一样确定声音的来源。相反，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。

类似地，成对的硅纳米线被构造为谐振器以支持光学谐振。存储在两个谐振器中的光能对入射角很敏感。离灯近的电线发出比较强的电流。通过比较来自两根导线的强和弱电流，可以确定入射光波的角度。

数以百万计的这些纳米线可以放置在一个 1 平方毫米的芯片上。该研究可以支持无镜头相机、增强现实和机器人视觉的进步。

《多模态光感像素阵列》一文由Yurui Qu、Soongyu Yi、Lan Yang、Zongfu Yu撰写。这篇文章将出现在2022 年 7 月 26 日的应用物理快报上。

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