机器视觉的发展，可用于智能车辆和实时视频分析等应用，要求硬件具有高分辨率，高图像捕捉速度，良好的稳定性和在一系列照明条件下的检测能力。不同光照下的准确图像捕捉对于环境的正确感知尤其重要，因为自然光的强度跨度很大（280 dB）。这需要光电设备能够准确地捕捉和感知阴影和突出的细节。为了实现这一目标，目前的系统使用的电路和算法降低了效率，增加了复杂性。然而，在感官终端提供视觉适应功能和广泛感知范围的光电器件的开发，可用于改善机器视觉功能，降低硬件复杂度和提供高图像识别效率。

近日，香港理工大学深圳研究院柴扬和韩国延世大学Jong-Hyun Ahn等人开发了一种由生物启发的视觉传感器，该传感器是基于二硫化钼的光电晶体管，具有时变的激活和抑制特性。电荷陷阱态被有意地引入二硫化钼的表面，使得在不同的光照条件下，可以动态调制器件的光敏性。传感器的光强依赖性特征符合韦伯定律，即感知的刺激变化与光刺激成正比。该方法在不同的光照条件下具有高度局域化和动态调制的光敏度，具有视觉适应性，创造了高达199 bB的有效感知范围。光电晶体管阵列表现出暗斑和光适应图像对比度增强。相关工作以“Bioinspired in-sensor visual adaptation for accurate perception”为题发表在最新一期的《Nature Electronics》。文章的第一作者为香港理工大学深圳研究院LiaoFuyou。

图1. 视网膜的视觉适应

暗视和明视的适应

人类视网膜的视觉适应功能依赖于各种各样的生物细胞，包括感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)和水平细胞(图1a)。这种视觉适应的工作机制主要依赖于杆状细胞和锥状细胞之间通过水平细胞的负反馈进行切换以及再生/漂白光色素。刺激的感知变化与最初的刺激成正比，这被称为韦伯定律(图1b)。当从明亮的环境暴露到昏暗的环境时，一个人最初几乎看不到任何东西，在视觉适应(暗点适应)后逐渐能看到物体，因为视网膜的敏感性随着时间逐渐增加(图1c)。一个人最初会被明亮的物体眩光，在适应后会逐渐看到它们，因为视网膜的敏感度会随着时间逐渐下降(图1d)。

图2. MoS2光电晶体管的光强依赖性特性

二硫化钼(MoS2)光电晶体管的光强依赖性特性

具有局部底栅结构的双层MoS 2光电晶体管(图2a)允许光直接照到MoS 2通道区域，以获得更好的光学吸收。图2b为MoS 2光电晶体管在V D = 1 V时，在不同入射功率密度(P in)的照明下，从6 nW cm -2到60 mW cm -2 (660 nm波长)的传递特性曲线。MoS 2光电晶体管的阈值电压(V TH)随着引脚的增加向更负的方向偏移，这表明在光照下载流子密度增大。光电流(I ph)定义为I ph = I illumination−I dark，其中I illumination表示光照条件下的I D。从I ph对P in的依赖关系(图2c)中观察到，在负栅偏压(V G =−6 V)下，I ph几乎随P in (α = 1.1)线性增加，这表明光产生的载流子几乎与入射光子通量成正比。此外，MoS 2器件在负涡激电(类似于杆状细胞的特性)下具有高的S ph，而在正涡激电(类似于锥状细胞的特性)下具有低的S ph。根据不同的P in值，局部施加不同的V G值，MoS 2光电晶体管可以较好地适应韦伯定律，这类似于视网膜水平细胞根据不同光照条件的负反馈在感光器中的视杆细胞和视锥细胞之间的转换。

图3. MoS2光电晶体管的时间依赖性特性

MoS2光电晶体管的时间依赖性特性

在固定V G的条件下，测试了连续光照条件下器件的时间依赖性I D。研究者施加负的V G (V G =−2 V)，并在连续光照条件(60 μW cm -2)下记录I D 120 s，如图3a所示。很明显，在连续光照条件下，I D随时间逐渐增加，表现出电流激励特性。还在相同的光照条件下对正V G (V G = +4 V)进行了测试(图3b)。而在连续光照条件下，I D随时间逐渐减小，表现出电流抑制行为。为了解释负(正)V G下电流激发(抑制)效应随时间变化的现象，研究者绘制了二硫化钼光电晶体管的能带图(图3d)。经UVO处理的MoS 2在能带中具有多个局域陷阱态，这主要是由于S空位的缺陷构型。这些圈闭态分布在能带隙的宽能量范围内，表现为双极性圈闭态。

图4. MoS2光电晶体管阵列的暗斑和光适应

通过视觉传感器阵列实现视觉适应功能

图像‘8’图案对应的20个器件在6 μW cm -2的弱光下，其余44个器件在600 nW cm -2的昏暗背景照明下(图4a)。图4c显示了从I D中提取的‘8’在昏暗灯光下不同时间的感知模式。随着视觉适应效果的提高，其图像对比度分别增加到51 (5 s)、173 (40 s)和255 (120 s)。随着时间的推移，图像对比度的增强类似于视网膜的暗点适应。

小结

研究者报道了一种使用底栅双层MoS 2光电晶体管的视觉传感器阵列，它可以模拟视网膜中水平细胞和感光细胞的功能。器件缺陷物理源于有意引入的陷波态，能够在不同的光照条件下动态调制器件的光敏性。光电晶体管的栅端允许我们根据基于电荷捕获和解捕获机制的P in来控制器件的光响应特性。这种MoS 2光电晶体管阵列既具有暗光性又具有光适应性，提供了广阔的感知范围和增强的图像对比度。这种受生物启发的传感器内视觉适应可以在机器视觉应用中使用，简化或减少电路和复杂的处理算法要求。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00713-1

来源：高分子科学前沿

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