暨南大学麦文杰&钟金钢Adv. Funct. Mater.：钙钛矿单像素照相机

暨南大学麦文杰&钟金钢Adv. Funct. Mater.：钙钛矿单像素照相机

【引言】

照相机是一种利用光学成像原理记录影像的设备，广泛应用于日常生活、科学研究、军事行动中。如今，商用照相机多使用成熟的硅基CCD或CMOS阵列作为感光元件，并且取得了巨大的进展。然而，随着摩尔定律走向终结，传统照相机的发展进入了瓶颈。目前商用硅芯片系列照相机主要面临以下两大难题： 1. 目前CCD/CMOS的成像分辨率达到现代工业水平制造极限，想要进一步通过增加阵列密度的方法来实现千万/亿万像素变得不现实。2. 受限于硅的间接带隙半导体特性，硅器件一般在300-1100nm之间的宽谱都有响应，很难做到300 nm以下紫外和1100nm以上的近红外二区成像，而且很难做到窄带响应，限制了传统硅基CCD/CMOS相机的应用场景。此外我国的半导体工业水平目前仍然相对较低，比如CMOS的市场国产率不足5%，芯片“卡脖子”问题仍然普遍存在。

近年来蓬勃发展的新型光电子材料（如钙钛矿材料，二维材料等）给高性能、低成本的照相机带来了可能。例如，通过调节钙钛矿材料卤族元素的比例（X=Cl, Br, I），很容易调节器件的光学带隙，从而调节响应波长；再如，通过掺杂稀土元素，钙钛矿材料可以实现近红外二区的响应。并且，钙钛矿材料器件的制作工艺相对简单，使用溶液旋涂法就可以得到满意的性能。然而，钙钛矿光电探测器仍处于基础研究阶段，人们往往只能制作低密度像素的阵列器件，造成了成像演示分辨率低的问题。并且，由于很难跟现有硅器件工艺兼容，同时没有合适的光学系统匹配，所有现今的钙钛矿光电探测器只能对片状物体进行透射成像，无法对实物成像（商用照相机多采用物体漫反射光进行成像）。因此，基于传统成像路线的阵列式钙钛矿照相机还有很长的路要走。

【研究进展】

近日，暨南大学麦文杰课题组与钟金钢课题组合作在材料学权威期刊Advanced Functional Materials上发表了一篇题目为“Achieving 256 × 256-Pixel Color Images by Perovskite-Based Photodetectors Coupled with Algorithms”的文章。该论文的第一作者为计钟博士，共同第一作者为刘于金博士生，通讯作者为麦文杰教授和钟金钢教授。该研究创新地将计算单像素成像算法与钙钛矿探测器结合，首次实现了钙钛矿探测器的256 × 256像素的成像演示。利用预先编码的条纹结构光对成像物体进行照明，使用钙钛矿光电探测器对物体漫反射光进行收集，变换不同结构光后得到一系列带有空间信息的电流值，再经过逆傅里叶变换算法就可以还原物体的二维图像。变换的结构光数目越多，图像的分辨率越高。得益于先进的计算成像算法，该成像方式只需要制作一个单像素探测器就能实现对图像空间分辨率的获取，避免了阵列器件的高工艺难度和高成本。此外计算成像技术结合了光学系统的信息获取能力和计算机的信息处理能力，突破了传统光学成像系统对于成像器件硬件的过度依赖，通过先进的超分辨算法就有望能够突破传统相机的成像分辨率。

钙钛矿单像素照相机概念

【图文简介】

图1 钙钛矿单像素照相机的设计

(a) 钙钛矿单像素照相机的硬件设备；首先由光源发射均匀光，经滤光片后打到投影设备上（投影仪或数字微镜阵列DMD），经投影透镜后形成条纹状的结构光，照射到成像物体上后发射漫反射，漫反射光随即被单像素的钙钛矿探测器以及后续电路接收；改变结构光，一系列带有空间信息的电流值，经过逆傅里叶变换算法可以还原物体的二维图像。

(b) 前几个结构光投影条纹与对应的电流值。

图2 高分辨率（256 × 256像素）图像展示

(a) 手机照片降频；此时降频图像模糊与单像素图像随投影次数增加而分辨率增加共轭。

(b) 单像素图像随投影次数增加而分辨率增加；经过了131072次投影，得到了256 × 256像素的高分辨率图像。注意：继续增加投影次数，分辨率可以进一步提高。

图3分析钙钛矿探测器噪声，提出探测器能否用与单像素照相机的标准

(a-c) 三种钙钛矿探测器（Al₂O₃优化的CsBi₃I₁₀ PD, 未优化的 CsBi₃I₁₀ PD、MAPbI₃）的光电流和暗电流。

(d) 三种钙钛矿探测器的q值。q值为本文提出的探测器能否用与单像素照相机的标准参数，其值为电流波动/响应度，即电流波动越小且响应度越大，成像质量越高。

(e) 波长响应

(f) 噪声分析

图4 不同钙钛矿探测器的成像结果

(a) 典型的结构光投影条纹；

(b) 对应的电流曲线；有“台阶”说明探测器质量好。

(c) 对应的成像结果；

(d) 不同钙钛矿在不同光强下的成像结果；

(e) 成像物体照片。

(f) 商用硅探测器的成像结果。

(g) 不同成像结果的信噪比。与图3的噪声分析结果一致，说明q参数可用。

图5钙钛矿单像素照相机的其他优点

(a) 散射介质成像示意

(b) 探测器与毛玻璃相对位置照片；

(c-d) 手机照片与钙钛矿单像素照相机照片；

(e-f) 在烟雾中成像的手机照片与钙钛矿单像素照相机照片；(a-f)说明可以克服散射介质成像。

(g-h) 非直视成像示意与成像结果；说明可以非直视成像。

(i) 电流值信号；经历过外界灯干扰、遮挡探测器、闪光灯干扰。

(j) 对应i图的成像结果，说明有较强的抗干扰能力。

(k-o) 成像物体（彩椒玩具）的手机照片、红、绿、蓝（使用图1描述的滤光片）、合成的彩色照片。说明钙钛矿单像素照相机具有彩色成像能力。

【小结】

综上所述，采用简易、可扩展、低成本的制造工艺，制备了多种单像素的钙钛矿光电探测器，结合单像素成像算法，实现了高分辨率的彩色成像。该钙钛矿单像素照相机具有以下优点：1克服了硅探测器的性能瓶颈和制作工艺困难，为低成本高性能照相机提供了新思路；2，可作为新材料/新结构探测器的成像测试平台，极大的扩展了新材料的应用。

文献链接：Achieving 256 × 256-Pixel Color Images by Perovskite-Based Photodetectors Coupled with Algorithms, Adv. Funct. Mater. 2021, 2104320.