人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的明適應(yīng)（圖1）是一個(gè)奇妙且至關(guān)重要的生理過(guò)程。借助視覺(jué)適應(yīng)機(jī)制，人眼能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中高效處理外部信息，極大拓展對(duì)光強(qiáng)的感知范圍。受人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，人工視覺(jué)系統(tǒng)（亦稱(chēng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)）在圖像感知、存儲(chǔ)以及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前的人工視覺(jué)器件在光波長(zhǎng)響應(yīng)范圍和光強(qiáng)度檢測(cè)能力方面仍存在局限性，從而影響了其應(yīng)用場(chǎng)景的拓展和圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性。因此，兼具寬光譜響應(yīng)和視覺(jué)適應(yīng)能力的人工視覺(jué)器件無(wú)疑將推動(dòng)仿生視覺(jué)電子傳感器的發(fā)展，為智能感知技術(shù)開(kāi)辟新的可能性。

圖1 （a）生物視覺(jué)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）視覺(jué)明適應(yīng)過(guò)程示意圖。

近日，華東師范大學(xué)上海類(lèi)腦智能材料與器件研究中心/極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室褚君浩院士和段純剛教授團(tuán)隊(duì)的田博博教授、彭暉教授和朱秋香副教授利用p型有機(jī)半導(dǎo)體聚三己基噻吩（P3HT）與Al電極形成的肖特基結(jié)，研制出基于ITO/P3HT/Al結(jié)構(gòu)的自供電視覺(jué)傳感器陣列。該光電傳感器在強(qiáng)光照射下，P3HT/Al界面通過(guò)不斷俘獲光生電子而降低肖特基勢(shì)壘高度，從而引起了自適應(yīng)的光電響應(yīng)，即光電流振幅隨著強(qiáng)光持續(xù)照射而衰減，成功模擬了人眼的明適應(yīng)行為。這在降低功耗、拓寬機(jī)器視覺(jué)的響應(yīng)范圍以及推動(dòng)先進(jìn)人工視覺(jué)系統(tǒng)集成方面展現(xiàn)出巨大潛力。相關(guān)成果以“A self-powered organic vision sensor array for photopic adaptation”為題于2025年2月10日在線發(fā)表在Nano Letters雜志上。華東師范大學(xué)田博博教授、彭暉教授與朱秋香副教授為本論文通訊作者，電子科學(xué)系代艷南博士與郝勝蘭博士后為本論文共同第一作者。

本研究利用P3HT與Al電極形成肖特基結(jié)，構(gòu)建了自供電的光電器件，并基于此結(jié)構(gòu)制備了10×5的陣列。P3HT薄膜的紫外-可見(jiàn)吸收光譜表征表明P3HT在350 nm - 750 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較寬的光譜吸收范圍。由于肖特基結(jié)的光生伏特效應(yīng)，在光照條件下，光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向相反方向移動(dòng)，從而產(chǎn)生光電流。在持續(xù)光照下，P3HT/Al界面、缺陷捕獲光生電子，導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘隨著強(qiáng)光持續(xù)照射而降低，光電流逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定（圖2）。這一現(xiàn)象與人眼的明適應(yīng)過(guò)程極為相似，因此研究團(tuán)隊(duì)基于該器件的光電響應(yīng)特性，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成功模擬了人眼的明適應(yīng)行為。

圖2 （a）ITO/P3HT/Al光電器件瞬態(tài)光電響應(yīng)，插圖為 ITO、P3HT 和 Al 的能帶結(jié)構(gòu)；;（b）不同階段ITO/P3HT/Al器件的能帶示意圖

圖3（a）用于圖像識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。（b）字母“E”“C”“N”和“U”圖案不同時(shí)刻的成像效果。（c）不同高斯噪聲水平（σ = 0、0.1、0.2、0.3 和 0.4）下明適應(yīng)的識(shí)別準(zhǔn)確率隨時(shí)間的變化。

團(tuán)隊(duì)以強(qiáng)度為50 mW cm-2的光源為背景光，230 mW cm-2的光源為圖案光檢測(cè)該視覺(jué)傳感器陣列的視覺(jué)明適應(yīng)行為。通過(guò)采集不同時(shí)刻字母“E”、“C”、“N”和“U”的圖像所對(duì)應(yīng)的光電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為不同灰度值的像素，作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。研究結(jié)果表明，不同數(shù)據(jù)集的圖像識(shí)別的平均測(cè)試準(zhǔn)確率從0.1秒時(shí)的不足25%（基本上無(wú)法區(qū)分四個(gè)字母）提升到15秒后的90%以上（圖3）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該ITO/P3HT/Al陣列可以實(shí)現(xiàn)人眼明適應(yīng)功能的模擬,為構(gòu)建下一代低能耗人工視覺(jué)系統(tǒng)提供了新的思路，并在安全駕駛、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青和面上、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家、重慶市杰青、上海市啟明星等項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)研究也感謝華東師范大學(xué)微納加工平臺(tái)支持。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-ZMEQ5B8USWYZC3UPIVTG