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角度感应仿生光电探测器

发布:laserline    |    2018-12-02 23:30    阅读:788
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壁虎的耳朵含有一种类似于研究人员探测入射光角度的系统。[图像:Vitaliy Halenov ]

壁虎的耳朵和照相机中的感光像素有什么共同点?如果两者都能够测量源的方向时,它们将获得了很大的应用和生存优势,但是两者都受到尺寸的根本限制。尽管进化论已经解决了壁虎声音的问题,但是要设计出能够感知入射光角度的纳米级光电探测器还是比较困难的。现在,受到壁虎定向听觉的启发,美国一个工程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。(Nat. Nanotech. ,doi:10.1038 / s41565-018-0278-9)。这些微型探测器最终可以支持无透镜相机、增强现实和机器人视觉的进步。

根据美国斯坦福大学和威斯康星大学研究小组的说,该系统是第一个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。传统成像芯片中的像素只能检测光强度,并且通常需要与大型透镜组合以收集该信息。但是,随着成像系统的不断缩小,像素尺寸正在迅速接近光学波长,并且像透镜这样的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,角度敏感的亚波长像素对于先进的成像应用来说是一个非常有吸引力的前景。“在你的相机上制作一个小像素表示光来自这个或那个方向是很困难的,因为,理想情况下,像素非常小——现在大约是头发的1/100,”在斯坦福大学的OSA研究员Mark Brongersma,同时也是该研究的高级作者(和OSA研究员Shan.Fan一起)在这项研究的新闻稿中表示。“所以这就像两只眼睛非常靠近,并试图穿过它们来观察光线从哪里来。”

像人类这样的动物,其耳朵到耳朵的间距超过可听到的声音波长,可以通过它们各自耳朵中声波的强度和时间差来对声源进行三角测量。壁虎和大约15000种其他小动物的头部非常小,耳朵非常靠近,它们依靠通过头部的微小隧道来三角定位声音。基本上,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。该团队意识到允许壁虎三角测量声音位置的相同现象也可以对光进行三角定位测量。研究人员将两条100纳米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他们的光电探测器。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。这些细小的纳米线的厚度大约是头发的1/1000,它们的位置非常接近,以至于当光波以一定角度入射时,最靠近光源的电线实质上会在其相邻电线上产生投射阴影,干扰另一条电线探测光的方式。因此,检测光的第一根导线产生最强的电流,并且研究小组能够通过比较两条导线中的电流来绘制光波的角度。(更具体地说,当两根纳米线足够紧密地放置在一起时,它们表现为耦合的Mie谐振器,两个谐振器的振幅比强烈地依赖于入射光的角度。)

在一次演示中,研究小组使用两个角度感应光电探测器来三角测量520nm波长的LED光源的位置。研究人员将两个光电探测器安装在相距50毫米的两个芯片上。然后,他们测量了光的入射角,并使用了三角测量法来准确估计LED移动时的位置。由于纳米线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,包括有限的操作带宽、缺乏全方位和仰角能力以及难以区分多个入射波。该团队为这些问题提供解决方案,例如使用多个谐振检测器来扩展工作带宽并区分波。研究小组相信,他们的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,比如在自动车辆和机器人技术中更好的场景感知。光传感器也可能被纳入下一代智能光电和人工智能系统。Brongersma说:“我们已经为此工作了很长一段时间,想到我们可能在这里再待20年来发掘这个系统的所有潜力,这很有趣。”

来源: Optics Photonics

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