具有视觉明适应行为的自供电有机视觉传感器阵列

人类视觉系统的明适应（图1）是一个奇妙且至关重要的生理过程。借助视觉适应机制，人眼能够在动态环境中高效处理外部信息，极大拓展对光强的感知范围。受人类视觉系统的启发，人工视觉系统（亦称机器视觉系统）在图像感知、存储以及神经形态计算等领域展现出广阔的应用前景。然而，当前的人工视觉器件在光波长响应范围和光强度检测能力方面仍存在局限性，从而影响了其应用场景的拓展和图像识别的准确性。因此，兼具宽光谱响应和视觉适应能力的人工视觉器件无疑将推动仿生视觉电子传感器的发展，为智能感知技术开辟新的可能性。

图1 （a）生物视觉结构示意图；（b）视觉明适应过程示意图。

近日，华东师范大学上海类脑智能材料与器件研究中心/极化材料与器件教育部重点实验室褚君浩院士和段纯刚教授团队的田博博教授、彭晖教授和朱秋香副教授利用p型有机半导体聚三己基噻吩（P3HT）与Al电极形成的肖特基结，研制出基于ITO/P3HT/Al结构的自供电视觉传感器阵列。该光电传感器在强光照射下，P3HT/Al界面通过不断俘获光生电子而降低肖特基势垒高度，从而引起了自适应的光电响应，即光电流振幅随着强光持续照射而衰减，成功模拟了人眼的明适应行为。这在降低功耗、拓宽机器视觉的响应范围以及推动先进人工视觉系统集成方面展现出巨大潜力。相关成果以“A self-powered organic vision sensor array for photopic adaptation”为题于2025年2月10日在线发表在Nano Letters杂志上。华东师范大学田博博教授、彭晖教授与朱秋香副教授为本论文通讯作者，电子科学系代艳南博士与郝胜兰博士后为本论文共同第一作者。

本研究利用P3HT与Al电极形成肖特基结，构建了自供电的光电器件，并基于此结构制备了10×5的阵列。P3HT薄膜的紫外-可见吸收光谱表征表明P3HT在350 nm - 750 nm的波长范围内表现出较宽的光谱吸收范围。由于肖特基结的光生伏特效应，在光照条件下，光生载流子在内建电场的作用下向相反方向移动，从而产生光电流。在持续光照下，P3HT/Al界面、缺陷捕获光生电子，导致肖特基势垒随着强光持续照射而降低，光电流逐渐减小并最终趋于稳定（图2）。这一现象与人眼的明适应过程极为相似，因此研究团队基于该器件的光电响应特性，结合人工神经网络，成功模拟了人眼的明适应行为。

图2 （a）ITO/P3HT/Al光电器件瞬态光电响应，插图为 ITO、P3HT 和 Al 的能带结构；;（b）不同阶段ITO/P3HT/Al器件的能带示意图

图3（a）用于图像识别的人工神经网络示意图。（b）字母“E”“C”“N”和“U”图案不同时刻的成像效果。（c）不同高斯噪声水平（σ = 0、0.1、0.2、0.3 和 0.4）下明适应的识别准确率随时间的变化。

团队以强度为50 mW cm-2的光源为背景光，230 mW cm-2的光源为图案光检测该视觉传感器阵列的视觉明适应行为。通过采集不同时刻字母“E”、“C”、“N”和“U”的图像所对应的光电流信号，将其转化为不同灰度值的像素，作为人工神经网络的输入。研究结果表明，不同数据集的图像识别的平均测试准确率从0.1秒时的不足25%（基本上无法区分四个字母）提升到15秒后的90%以上（图3）。该实验结果表明，该ITO/P3HT/Al阵列可以实现人眼明适应功能的模拟,为构建下一代低能耗人工视觉系统提供了新的思路，并在安全驾驶、机器视觉等领域具有广阔的应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金优青和面上、重点研发计划青年科学家、重庆市杰青、上海市启明星等项目的资助。该项研究也感谢华东师范大学微纳加工平台支持。

论文链接：

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