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港理工团队研发仿生视觉传感器,可达199bB有效感知范围


  来源: DeepTech深科技 时间:2022-02-17 编辑:仪器仪表WXF
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豆瓣高分美剧《了不起的麦瑟尔夫人》故事背景为 20 世纪 50、60 年代,女主爸爸是在哥伦比亚大学担任终身教授的数学家,当他得知女儿兼职脱口秀演员时,十分震惊和不解。


几十年后的今天,在中国香港“却有”一位科学家在兼职脱口秀,他就是即将加入华为公司的香港理工大学博士后廖付友。


论文第一作者廖付友博士表演脱口秀

图 | 论文第一作者廖付友博士表演脱口秀(来源:廖付友)


其研究方向是半导体器件与工艺,2022 年大年初三,廖付友和导师港理工应用物理系教授柴扬,在 Nature Electronics 发了一篇论文。


图 | 相关论文(来源:Nature Electronics)


农历大年初八,Nature 官网以研究亮点(RESEARCH HIGHLIGHT)形式报道了这一工作,其上写道:“适应各种光强度半导体的器件,或可用于自动驾驶汽车和工业生产线。”


图 | Nature 官网研究亮点报道(来源:Nature 官网)


模拟人眼视网膜,研发仿生视觉适应传感器


该工作的背景在于,在人类生活环境中,从烈日当空的正午、到伸手不见五指的漆黑夜晚,自然光的强度分布非常广。如何在不同光照条件下准确提取外部环境的信息,是一个基础科学问题,具有非常实际应用的意义。


随着机器视觉的发展、及其在自动驾驶和实时视频分析等领域的应用,高分辨率、高图像捕获速度成为视觉传感器的必备能力,具体体现为良好的稳定性、以及宽感知范围,即在不同光照强度下感知目标的能力。


据悉,地球上自然光强度的分布超过 280dB,因此对于正确感知环境来说,在不同光照下准确捕获图像尤为重要。这就要求光电器件在弱光、以及亮光照明下,必须准确捕捉和感知细节。


目前,市场上主流的硅基 CMOS(互补金属氧化物半导体,Complementary metal Oxide Semiconductor)图像传感器通常只有 70dB 的感知范围,远低于自然场景的光强变化范围。


为实现较宽的感知范围,此前有学者探索过控制光学孔径、使用液态透镜、调节曝光时间、以及后端去噪算法等方法,但这些方法通常需要复杂的硬件和软件资源。


因此非常有必要在传感器终端发展出一种具有视觉适应功能和宽感知范围的光电器件,从而改善机器视觉的功能、降低硬件复杂性、并提升高图像识别效率。


相比硅基光电探测器,人眼的光接收细胞感知范围比较有限只有 40dB,但是人眼的视觉适应功能让我们可以感知和识别不同光照条件下的各种物体,哪怕是从较暗环境、转换到较亮环境中。


人眼的视觉适应功能让我们可以感知和识别不同光照条件下的各种物体

(来源:Nature Electronics)


人眼的视觉适应机制,依赖于每个光接收细胞在不同光照条件下光灵敏度的动态调节,其调节原理是在不同光照条件下,水平细胞控制视锥和视杆细胞之间的转换、以及光色素的产生和消失。

在该工作中,柴扬和团队研发出一种基于底栅光电晶体管阵列的仿生视觉适应传感器。该器件模拟了水平细胞和光接收细胞的结构,具有视觉亮适应和暗适应的功能,有效感知范围达到 199dB。

利用这款传感器,可在不借助大体积光学组件、以及复杂外围电路和后端信号处理的条件下,实现视觉适应功能和宽感知范围。


该器件模拟了水平细胞和光接收细胞的结构

(来源:Nature Electronics)


柴扬表示,其团队在 5 年前就已开展光电存储器的研究,这种新型器件能将光传感与光信息处理的功能在单一器件中完成。


2018 年,该团队发表了第一篇关于将光传感器与逻辑信息处理集成的论文[2]。随后,在此研究基础上进一步开展,2019 年柴扬等人设计并利用光控阻变随机存储器实现了图像感知和图像预处理的功能[3]。


在 2020 年,他们又率先提出近传感器和传感器内计算的方法[4,5]。人眼视网膜可以感知外界光信号,并根据光照强度自动调节光接收细胞的灵敏度,从而适应不同的背景光强度,这便是视网膜的视觉适应功能。


关键词:廖付友 仿生视觉传感器    浏览量:8479

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