斯坦福等研制出仿生角度感应光电探测器 | 前沿

受壁虎定向听觉启发，美国斯坦福大学和威斯康星大学研究小组设计了一个能够同时测量光的强度和入射角的亚波长光电探测器，最终可以支持无透镜相机、增强现实和机器视觉的进步。研究小组称，该系统是第一个可确定光线角度的系统，并且比现有的深度感应方法简单得多。传统像素只能检测光强度，并且通常需要大型透镜组合。但像素尺寸正在迅速接近光学波长，且透镜等传统光学元件不能在不牺牲精度的情况下无限地小型化。因此，研究小组认为，可探测入射角度的亚波长像素对于先进的成像应用来说非常具有吸引力。

但制作一个小像素探测光的入射方向很困难，就像通过两只非常靠近的眼睛来观察光源方向。大型动物两只耳朵的间距超过可听到的声音波长，可以通过两只耳朵中声波的强度和时间差来对声源进行三角测量。壁虎等小动物耳朵非常靠近，依靠头部的微小隧道来三角定位声音：声波进入一个鼓膜并在这个隧道周围反弹，角度感测是通过两个耳朵之间的声波的相干耦合实现的。

团队意识到该机制也可用于光源的三角定位测量。研究人员将两条100nm长的硅纳米线并排排列，模仿壁虎的耳膜，从而将类似的结构应用于光电探测器。金电极覆盖在每个纳米线的末端，形成两个光电探测器，彼此电隔离但光学耦合。两条纳米线位置非常接近，以至于当光波以一定角度入射时，最靠近光源的纳米线会在相邻纳米线上产生投射阴影，干扰另一条纳米线探测光的方式。通过比较两条纳米线中的电流，可测得光波的角度。

研究小组演示了使用两个安装在相距50mm的两个芯片上的角度感应光电探测器来三角测量520nm波长LED光源的位置。由于纳米线的设置模仿了耦合壁虎耳朵的几何形状，所以该系统继承了相同的限制，包括有限的工作带宽、缺乏全方位和仰角测量能力以及难以区分多个入射波。团队为这些问题提供解决方案，例如使用多个谐振探测器来扩展工作带宽并区分多个入射波。研究小组相信，此研究可以开发出用于成像芯片的角度传感像素，从而实现许多光传感应用，比如为自动驾驶汽车和机器人带来更好的场景感知，也可能被纳入下一代智能光电和人工智能系统。

参考文献《Subwavelength angle-sensing photodetectors inspired by directional hearing in small animals》

（王振 摘编自 中国光学期刊网）

责编 李 畅

校对 李 畅

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