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/00 前言/
前面的浅谈光电探测器和图像传感器系列介绍了按波长分类的紫外、可见、红外、X射线探测器的工作原理和主要分类，常见光电探测器的原理、材料和器件结构、光电探测器的主要分类等内容。
这篇文章主要聊一聊最近看到的一些新型图像传感器和光电探测器（由于时间和篇幅有限，今天先写柔性和透明图像传感器部分，其他的后续文章中再展开介绍）。“新型"的主要体现有产品形态的新、功能设计上的新、电路架构上的新、光学设计上的新、工艺实现上的新、和材料、器件、物理层面上的新。
/01 可穿戴 · 柔性· 仿生眼/
可穿戴设备是指可以穿戴在人体上实现生理信号检测、环境检测、人机交互等功能的电子设备，其中可穿戴传感器可以监测人体生理参数、运动数据和环境信息等。近年来，可穿戴传感器技术发展迅速，在医疗健康、运动健身、环境监测等领域得到了广泛应用，后续随着AI智能和万物互联时代的到来，可穿戴设备将作为人物连接通信的枢纽，还将有更多更重要的应用。近年，德国弗莱堡大学的CanDincer和哈佛大学的James J. Collins等人在Nature Electronics上发表综述介绍了可穿戴传感器领域的研究历史、主要原理、最新发展、未来展望。
为了实现高舒适度、高灵活性、低功耗和低成本，可穿戴应用场景对于硬件、软件、算法都提出了一些特殊的要求，硬件层面上，可穿戴设备对器件的性能上没有太苛刻要求，但是对其形态结构的有设计上的要求。传感器的设计需要匹配可穿戴功能，因此需要基于透气、灵活和可拉伸的衬底材料进行器件设计，这里就涉及到很多器件设计、材料选择、工艺兼容的问题。
可穿戴传感器是一个比较大的领域范围，对应人体的眼、耳、鼻、舌、身五感有图像传感、声学传感、嗅觉传感、味觉传感、触觉传感（压力传感）。此外针对人体信号又有汗液检测、血氧检测、脉搏检测、血糖检测、心率检测、血液检测。对应的领域涵盖较广，包括MEMS，微流控、光电、生物医学等等。
这里我们先主要关注光电领域。针对于可穿戴领域的光电探测器和图像传感器有许多研究，可穿戴的图像传感器可以用于实现生物信号的感知、检测，实现各种小型化的POCT设备。不同的光波段还有不功能，比如近红外可用于血管成像、血氧检测，X-ray用于组织和骨骼。此外针对静态信号和动态生理信号对探测器的性能要求也不同。
传统的刚性光电探测器和图像传感器无法满足可穿戴设备的柔性、轻便和低功耗要求，因此针对可穿戴领域的图像传感器和光电探测器主要向着柔性、低功耗、轻量化发展，为此对器件和材料提出很多新的需求。首先柔性传感器需要基于柔性基板，而不是传统半导体基底，因此非硅基的器件设计是一大需求。常见的柔性基板材料包括聚合物（例如PDMS、PI、PET等）、金属箔（例如金、银等）和玻璃纤维等。近年，东京大学Tomoyuki Yokota等人发表综述介绍了近年来图像传感器的发展。
基于印刷电子技术、薄膜晶体管技术为制造低成本、柔性光电探测器阵列提供了一种有前途的途径。近年，德国卡尔斯鲁厄理工学院光技术研究所人报告了一种单片印刷的全有机柔性光电探测器有源矩阵。该器件由喷墨印刷的场效应晶体管 (OTFT) 和光电二极管 (OPD) 组成，它们被单片集成到同一超薄基板上，改该工作展示了通过超低成本的非硅基工艺实现柔性图像传感器，并用于可穿戴设备的可能性。
类视网膜，或者说仿生眼是柔性图像传感器的另一大应用。基于柔性的图像传感器设计由于摆脱了刚性基底和均匀网格像素设计，其在光学性能上具有很多传统图像传感器不具有的优势，比如设计上和结构上可以更逼近生物眼的设计方式，实现大视场、大景深、高分辨率、高灵敏度和低功耗。基于生物的眼球设计与基于平面式的图像传感器相比有很多优势，比如人眼半球形探测器几何形状，类似于许多其他生物系统中的几何形状，它能实现宽视野和低像差，只需简单、由少数组件构成的成像光学系统。举个例子，在光学像差中的场曲、畸变就是由于光场传播的球面特性和传感器的平面特性不匹配造成的，因此传统的平面式图像传感器并不利于实现高质量低像差的成像。
上图总结了一些近年的类视网膜的相关工作（具体内容这里先不展开，感兴趣的读者可以去看看相关文章，尤其是范志勇教授、John A. Rogers 教授的系列工作），可以看到近年来基于柔性的图像传感器，正摆脱传统图像传感的枷锁，向着新光学设计、新形态结构、新使用场景发展。比如基于这一柔性可以实现半球形成像阵列面设计、类复眼结构、曲面可调设计、透明轻量设计等，从而实现更类人眼的功能，基于这一类视网膜的柔性图像传感器可以具备比传统平面图像传感器更大的FOV,更大的景深，更高的分辨率，更小的像差，更简的光学设计，自动变焦、更多的设计自由度。基于柔性的图像传感不但可以用于智能机器人、可穿戴设备、POCT等、还可以用于临床医疗、人造器官等领域。此外，研究人员也在不断探索仿生眼+的图像传感器，比如基于这一类视网膜传感实现智能感知、少透镜、无滤光成像模式等等。
柔性、可穿戴、仿生眼相关的图像传感器和光电探测器在学术界的研究进展突出，但是在产业界上，很多技术距离落地还有相当一段距离要走。这里简单介绍一下目前搜索到的一些相关产品。
代表产品1：智能隐形眼镜mojo lens
Mojo Lens 是一种由 Mojo Vision 开发的隐形增强现实 (AR) 眼镜。它采用了微型显示器、处理器、电池和传感器等元件，可以将数字信息叠加到佩戴者的视野中。Mojo Lens 采用了与隐形眼镜相似的设计，将数字信息叠加到佩戴者的视野中，并通过眼球追踪和手势识别等方式进行实时交互。其中核心技术包括高密度微显示屏（14000 ppi MicroLED,注：microLED是目前显示领域的新一代技术，可实现高ppi显示），眼球追踪传感器、环境光传感器，虽然mojo version主打核心技术是microLED，但是其上也有集成图像传感器用于环境图像采集。目前关于该图像传感器的设计暂未有更多信息，不过从目前了解到的信息看，该图像传感器为了实现可穿戴和小型化，做了电路和架构层面的简化设计，但是未实现柔性化设计。相信在未来随着柔性图像传感技术的逐渐成熟，其将对可穿戴产品带来更多可能。
代表产品2：JDI 柔性薄型图像传感器
显示领域的知名厂商日本JDI公司，在前几年开始正式进军图像传感器。该公司将其在显示领域的技术积累迁移至图像传感器领域，推出了自己的柔性薄膜图像传感器，该传感器既能持续监测脉搏等生物信号，又能通过静脉图像识别个人身份，因此可以构建非常安全的测量系统。该公司早在2020年联合东京大学在Nature Electronics上发表文章，详细介绍了他们这一柔性图像传感器技术。
总的来说，柔性图像传感器具备可弯曲、低成本、可调节、大面积等特点，基于其可以实现可穿戴、类视网膜等新形态的电子设备，从而在生物医疗、POCT、智能穿戴、健康监测等领域具备重要应用。
/02 透明图像传感器/
透明图像传感器是一种新型的图像传感器，它可以透射可见光，同时也能感知和探测光学信号。近年来，透明图像传感器技术取得了快速发展，在增强现实、虚拟现实、智能家居、汽车电子等领域具有广阔的应用前景。从形态上说，透明图像传感器具备隐形性，因此可以实现集成到显示器、镜子、眼镜、车窗、建筑玻璃等中。
相比透明图像传感器，传统图像传感器本身以及堆叠的读出电子设备的不透明特性会成为其在人机交互界面、智能显示器、IOT、以及AR/VR等应用领域的一大限制因素。而透明图像传感器由于其隐形性、透明性、轻量化使得其具备比传统图像传感器更多的应用场景。
近日，巴塞罗那科学技术研究所与Qurv Technologies公司联合开发出了一款柔性透明图像传感器。该图像传感器由沉积在完全透明基板上的半透明光电探测器和电极阵列组成，感光阵列由由石墨烯和量子点构成，其像素实现了 85-95% 的光学透明度和高灵敏度。该文章展现了该图像传感器在眼球追踪技术中的应用。
图像传感+显示的集成也是目前的一大研究热点，可感可显的交互屏幕为电子设备的智能化带来更多功能和应用。近日日本旭化成集团和荷兰应用科学研究院霍尔斯特中心、荷兰埃因霍温理工大学合作，在Nature Electronics上发表论文，推出了其基于近红外敏感透明光学图像传感器的非接触式用户界面。该工作展示了集成于显示器顶部的视觉透明的近红外敏感有机光电探测器 (OPD) 阵列。该图像传感器通过使用印刷铜栅格作为底部透明导电电极 (TCE) 和图案化有机光电探测器子像素阵列实现了光学透明性，该器件基于溶液法制备，可实现低成本、大像素尺寸、大面积阵列制备。文章中展示了当该成像器与商用显示器结合使用时，它可以实现双控制模式下的非接触式用户界面交互，即光笔控制模式和手势控制模式。值得一提的是，这一透明图像传感器的制备工艺与显示面板的制备工艺完全兼容，因此可以较为容易的引入显示面板制作工序中实现传感显示一体屏幕设计。
蔡司在CES2024推出了Multifunctional Smart Glass技术，基于这一技术可以集成透明摄像头 - “全息摄像头”(holocam)。该技术利用耦合、解耦和光波导元件将入射光引导到隐藏的传感器。该技术可以使得原本无源的玻璃变成集成多功能有源元件的智能玻璃，比如集成显示、成像、传感、环境检测等功能于一体。这一技术的关键意义在于“This holographic camera turns any window into an invisible camera”这意味着以后用于环境检测、传感、信息交互的相机形式可以不局限于传统的摄像头，而是可以内置在建筑玻璃、车窗、手机显示屏等各个地方，极大的便利化了智能交互、智能物联。
透明图像传感器虽然在性能上和传统图像传感器相比没有优势，但是其形态和成像方式的革命性转变为其在新兴应用场景带来很多机会。
参考资料：
1.https://image-sensors-world.blogspot.com/2021/03/isscc-2021-presentations-on-line-mojo.html
2.https://metamandrill.com/mojo-vision/
3.Ates, H.C., Nguyen, P.Q., Gonzalez-Macia, L. et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat Rev Mater 7, 887–907 (2022). https://doi.org/10.1038/s41578-022-00460-x
4.Recent Progress of Flexible Image Sensors for Biomedical
Applications.DOI10.1002/adma.202004416
5.Ko, H., Stoykovich, M., Song, J. et al. A hemispherical electronic eye camera based on compressible silicon optoelectronics. Nature 454, 748–753 (2008). https://doi.org/10.1038/nature07113
6. An aquatic-vision-inspired camera based on a monocentric lens and a silicon nanorod photodiode array
7. Curved neuromorphic image sensor array using a MoS2-organic heterostructure inspired by the human visual recognition system
8.Origami silicon optoelectronics for hemispherical electronic eye systems: https://www.nature.com/articles/nature07113
9.Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye
10. Dynamically tunable hemispherical electronic eye
camera system with adjustable zoom capability
11. Gu, L., Poddar, S., Lin, Y. et al. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581, 278–282 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x
12. Long, Z., Qiu, X., Chan, C.L.J. et al. A neuromorphic bionic eye with filter-free color vision using hemispherical perovskite nanowire array retina. Nat Commun 14, 1972 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37581-y
13. Ruiz‐Preciado, L.A., Baek, S., Strobel, N. et al. Monolithically printed all-organic flexible photosensor active matrix. npj Flex Electron 7, 6 (2023). https://doi.org/10.1038/s41528-023-00242-7
14.https://www.j-display.com/en/product_tech/opdsensor.html
15.A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement
16.Yokota, T., Nakamura, T., Kato, H. et al. A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement. Nat Electron 3, 113–121 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-019-0354-7
17.https://www.electropages.com/blog/2023/09/researchers-create-transparent-image-sensor
18. https://www.zeiss.com/corporate/en/about-zeiss/present/newsroom/press-releases/2023/microoptics-ces.html
19.ACS Photonics 2023, 10, 9, 2994–3000Publication Date:August 25, 2023
20. Kamijo, T., van Breemen, A.J.J.M., Ma, X. et al. A touchless user interface based on a near-infrared-sensitive transparent optical imager. Nat Electron 6, 451–461 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00970-8
（说明1：由于涉及的参考文献和图片比较多，如有遗漏还请谅解）
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