每部智能手机和数码相机都内置有图像传感器。它们区分颜色的方式与人眼相似。在人类的视网膜中，单个视锥细胞能够识别红色、绿色和蓝色（RGB）。在图像传感器中，单个像素吸收相应的波长并将其转换为电信号。

绝大多数图像传感器由硅制成。这种半导体材料通常吸收整个可见光谱范围内的光。为了将其制成RGB图像传感器，必须过滤入射光。红色像素包含滤光片，用于阻挡（并浪费）绿色和蓝色等等。因此，硅图像传感器中的每个像素只能接收大约三分之一的可用光。

图片来源： ETH Zurich

据外媒报道，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的研究人员开发了一种由钙钛矿制成的新型图像传感器。这种半导体材料能够在光线较少的情况下实现更佳的色彩还原，并减少图像伪影。钙钛矿传感器也特别适用于机器视觉。在期刊《Nature》发表的一项研究中，研究人员展示了这项新技术的工作原理。

堆叠像素

改创新型图像传感器的基础是卤化铅钙钛矿。这种晶体材料也是一种半导体。然而，与硅相比，它特别易于加工，并且其物理特性会随着其确切的化学成分而变化。这正是研究人员在制造钙钛矿图像传感器时所利用的优势。

如果钙钛矿中碘离子含量略高，它就会吸收红光。对于绿光，研究人员会添加更多溴，对于蓝光，则添加更多氯——无需任何滤光片。钙钛矿像素层对其他波长的光保持透明，允许它们穿过。

这意味着红、绿、蓝像素可以在图像传感器中堆叠排列，这与硅图像传感器的像素并排排列不同。

工作中的图像传感器

得益于这种结构，钙钛矿基图像传感器理论上可以捕获比相同表面积的传统图像传感器高三倍的光，同时提供三倍的空间分辨率。几年前，Kovalenko团队的研究人员就已证明这一点，最初是用毫米级单晶制成的单个超大像素。

现在，他们首次构建了两个功能齐全的薄膜钙钛矿图像传感器。“我们正在进一步开发这项技术，从粗略的原理验证阶段，到可以实际应用的规模，”Kovalenko说道。

电子元件的正常发展历程。“第一个晶体管由一大块锗和几个连接点组成。60年后的今天，晶体管的尺寸只有几纳米。”

钙钛矿图像传感器仍处于早期研发阶段。然而，通过这两个原型，研究人员已经证明该技术可以实现微型化。这些传感器采用工业上常见的薄膜工艺制造，至少在垂直方向上达到了目标尺寸。

“当然，优化的空间始终存在，”Kovalenko团队的共同作者Sergii Yakunin指出。

研究人员在大量实验中对两种读出技术不同的原型进行了全面测试。结果证明了钙钛矿的优势：传感器对光更敏感，色彩还原更精确，并且能够提供比传统硅技术更高的分辨率。

每个像素都能捕捉所有光线，这也消除了数码摄影中的一些伪像，例如去马赛克和摩尔纹效应。

医学和环境领域的机器视觉

然而，消费级数码相机并非钙钛矿图像传感器的唯一应用领域。由于其材料特性，它们也特别适用于机器视觉。人眼对红、绿、蓝三色的聚焦决定了其颜色的可读性。

这些图像传感器以RGB格式工作，因为人类的眼睛以RGB模式进行观察。然而，在解决特定任务时，建议指定计算机图像传感器应读取的其他最佳波长范围。通常，存在三个以上的波长范围，即所谓的高光谱成像。

钙钛矿传感器在高光谱成像方面具有决定性的优势。研究人员可以精确控制每层吸收的波长范围。

“利用钙钛矿，我们可以定义更多彼此清晰分离的颜色通道，”Yakunin说道。硅具有宽吸收光谱，需要大量的滤光片和复杂的计算机算法。

“即使颜色数量相对较少，这也非常不切实际，”Kovalenko说道。基于钙钛矿的高光谱图像传感器可以用于医学分析或农业和环境的自动化监测等。

下一步，研究人员希望进一步缩小钙钛矿图像传感器的尺寸，并增加像素数量。他们的两个原型的像素尺寸在0.5到1毫米之间。商用图像传感器的像素尺寸在微米级（1微米等于0.001毫米）。

“用钙钛矿制造比用硅制造更小的像素应该是可能的，”Yakunin说道。电子连接和处理技术需要根据新技术进行调整。

“如今的读出电子器件针对硅进行了优化。但钙钛矿是一种不同的半导体，具有不同的材料特性，”Kovalenko说道。然而，研究人员相信这些挑战是可以克服的。