人類之所以能夠感受到多彩的世界,是因為視網膜中的紅色(長波長,L)、綠色(中波長,M)和藍色(短波長,S)視錐細胞。此外,視桿細胞比視錐細胞具有更高的靈敏度,可以幫助在弱光下成像。為了實現(xiàn)彩色視覺,傳統(tǒng)成像方法?;诠杌?a target="_blank">光電探測器。
但硅材料的固有特性(例如帶隙不可調)導致其在模擬生物視覺系統(tǒng)方面缺乏競爭力。與晶體硅材料不同,有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電性能(例如高光吸收系數、高遷移率、低結合能)以及調節(jié)物理和化學性能的靈活性,為仿生光電器件的發(fā)展提供了巨大的潛力。
據麥姆斯咨詢報道,近日,中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊和暨南大學麥文杰教授團隊等合作,共同開發(fā)出一種受人類視覺細胞啟發(fā)的高分辨率彩色相機。該相機基于RGBW鈣鈦礦基光電探測器,以模擬人眼的L、M、S視錐細胞和視桿細胞,并結合了預先設計的圖案照明和圖像重建技術。
該相機可以在漫反射模式下實現(xiàn)256 × 256像素的高分辨率圖像,遠超最先進的鈣鈦礦基人造眼或其他鈣鈦礦基成像系統(tǒng)。這項工作提出了一種研發(fā)仿生相機的新方法,并展示了其模仿生物眼睛功能的巨大潛力。相關研究成果已發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。
受人類視覺細胞啟發(fā)的鈣鈦礦基彩色相機
在這項研究工作中,研究人員以人類視覺細胞為靈感,設計了一組模擬L、M、S視錐細胞的窄帶紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)鈣鈦礦基光電探測器,并采用傅里葉成像算法,開發(fā)出一種高分辨率彩色相機。更重要的是,為了進一步賦予其在弱光下的成像能力,研究人員將具有更好光探測性能的寬帶白色(W)鈣鈦礦基光電探測器(模擬視桿細胞)集成到該成像系統(tǒng)中,提高了鈣鈦礦基相機在弱光下的成像分辨率。與傳統(tǒng)的基于CCD/CMOS和鏡頭組合的成像系統(tǒng)相比,基于鈣鈦礦基光電探測器的成像系統(tǒng)制備更加簡單且成本低。
鈣鈦礦基RGBW光電探測器性能
該鈣鈦礦基相機結合了預先設計的圖案照明和圖像重建技術,在漫反射模式下展示了高分辨率的彩色圖像(高達256 × 256像素)。利用窄帶鈣鈦礦基光電探測器的優(yōu)異性能,該相機可以在~5.4μW/cm2的弱光下實現(xiàn)彩色成像。此外,由于在成像系統(tǒng)中集成了寬帶鈣鈦礦基光電探測器,增強了相機在弱光環(huán)境下的成像能力,使其可以在~0.7μW/cm2的弱光下實現(xiàn)物體輪廓成像。
256 × 256像素高分辨率成像演示
漫射光強度為~20μW/cm2時的彩色成像演示
弱光照明下的彩色成像演示
這項工作為彩色相機的發(fā)展開辟了新的視野,并為模仿生物眼睛找到了新的途徑。研究人員稱,通過進一步的圖像融合技術和更高性能的光電探測器,未來有望獲得在弱光下超越人眼的高分辨率彩色成像系統(tǒng)。
審核編輯:劉清
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原文標題:受人類視覺細胞啟發(fā)的鈣鈦礦基彩色相機,可高度模仿生物眼睛
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