理大成功研發模仿人類眼睛適應能力的先進視覺傳感器
香港 - Media OutReach - 2022年5月31日 - 香港理工大學(理大)與南韓延世大學的科學家最近取得科研突破，他們研發的光傳感器能仿效甚至超越人類視網膜對不同亮度的適應力，有望為未來無人駕駛車輛和工業用攝影機配備媲美人類的視力。
柴博士團隊研發的仿生視覺傳感器可以適應有效光暗范圍高達199分貝。相對之下，人類視網膜能適應強光至弱光亮度的環境，范圍約為160分貝。
帶領研究的理大應用物理學系副教授兼應用科學及紡織學院助理院長柴揚博士說：「新傳感器能大大提升機器視覺系統，令各種影像分析和辨識任務有更佳表現。」
機器視覺系統通常由多部攝影機和計算單元組成，透過擷取和處理影像進行例如面部辨識等任務。此類系統需要運用精密的電路和復雜的算法，才能在各種照明條件下「看得到」對象。然而，同類系統很少具備足夠效能來實時處理大量視覺信息，難以與人腦相比。
柴博士團隊研發的全新仿生(bioinspired)傳感器或可為以上難題提供答案——以傳感器直接適應光暗，減少依賴后臺運算。新傳感器仿效人類眼睛能適應不同亮度，就如肉眼可在極暗至極亮的照明條件下準確辨識各種對象。
柴博士解釋說：「人的瞳孔有助調節進入眼睛的光線量，而適應亮度則主要由視網膜細胞負責。」天然光強度的范圍廣達280分貝，而傳統硅基傳感器的適應范圍僅有70分貝。柴博士團隊研發的新傳感器有效范圍則高達199分貝，表現令人刮目相看。相對之下，人類視網膜能適應強光至弱光亮度的環境，范圍約為160分貝。
為實現上述表現，研究團隊首先利用一種具有獨特電學和光學特性的半導體二硫化鉬，制成近乎原子厚度的雙層超薄膜，并以此研制出用來探測光線的光敏晶體管管;再在雙層薄膜中引入「電荷陷阱態」，控制偵測光線的能力。
每一個仿生視覺傳感器均由這種光敏晶體管管的數組組成。它們能模仿人類肉眼內分別負責偵測暗光和強光的視桿和視錐細胞。因此，傳感器能在各種照明環境下偵測不同對象，也能因應不同亮度進行轉換與適應，范圍更勝人類眼睛。
應用在光敏晶體管管的「電荷陷阱態」其實是固體晶體結構中的雜質或缺陷，用來限制電荷移動。研究人員說： 「這些陷阱態令光信息得以儲存，并在小至每一個像素，動態調節設備的光電特性。」陷阱態通過控制電子移動，能精確調整光敏晶體管管傳導的電量，從而控制設備的光敏性，即其偵測光線的能力。
柴博士表示：「新的傳感器可降低硬件復雜度，并且在不同光暗下大幅提高影像對比，從而提供高效影像辨識。」
此嶄新的仿生視覺傳感器將推動新一代人工視覺系統的應用，不但可于自動駕駛車輛和制造業應用方面發揮功效，也可在邊緣運算和物聯網中找到其他令人雀躍的新應用。
這項研究已刊載于《自然?電子學》(Nature Electronics)學刊。
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