新二维材料像素传感器，弱光下拍出超清晰相片

2018年3月7日，一位女士在纽约时代广场迎着风雪拍照。（Don EMMERT / AFP）

人们一直在探究如何在光线不足的情况下，拍出更清晰的照片。近期，美国宾州大学研发一款由二维材料做出来的新型像素传感器，能在低光时拍出清晰的照片，且耗能比传统的传感器来的更低。

拥有270多年历史的宾州大学（University of Pennsylvania）的这项研发成果发表在2022年11月的《自然》杂志上。

该研究团队发现，二硫化钼（MoS 2）材料做成的传感器处理（常见于摄像头），可以减少许多机器在视觉应用上的能源和硬件负担，这是目前最先进的有源像素传感器（APS）技术中所缺乏的。

他们使用一种只有一个原子或几个原子厚度的单层二硫化钼光电晶体管阵列材料（一种半导体并且对光敏感），并使用低工耗且紧密型的二维（2D）APS技术。该技术在单个设备中集成了图像捕获（感测）和图像处理（计算）功能，使得拍照时更加清晰且功耗更低。

这种材料做出来的产品特性，包括对低光源的敏感性，对传感器的动态范围很重要。动态范围一般是指，相机在低光源和强光源下透过感光元件“看到”物体的能力。人眼的动态范围，会比一般的相机来得更好，因此能在夜间观察到更多的星星或其它天体。

这项研究的主要作者、工程科学与力学副教授萨普塔什·达斯（Saptarshi Das）对宾大的新闻社解释说，“拍摄时相机会对照片进行动态范围和图像处理，使用户能够在各种不利于摄影的条件下拍摄出清晰的照片。图像处理指的是将那些拍摄的干扰物（雾气、雨水）清除，让照片变得更清晰，而动态范围则可以拍一张背景满是星星的夜景照片”。

实验中，研究人员发现单层二硫化钼光电晶体管材料，拥有强大的信号转换、电荷到电压之间的转换和数据传输能力。使其成为APS理想材料，该传感器可以同时进行光传感和传感器内图像处理，即对原始拍摄的照片进行降噪，使照片变得更加清晰和精美。

论文中提到，他们用该材料开发了一款只有不到0.09平方厘米的传感器，里面含有900个像素，而每个像素大小约100 微米左右。这比当今大多CMOS图像传感器对于光要敏感得多，且像素密集度也更大。另外，每个像素需要的能量更小，这意味着手机或相机的摄像头可节省更多能源。

宾大研究生研究助理阿基尔·多达（Akhil Dodda）对宾大的新闻社表示，“由于拍摄大量图像时，需要耗费更多的能源成本，若这种材料把能源成本降低100倍，将能拍摄更多图像，这会使人们在摄影时更具有连续性，这正是材料创新发挥作用的地方。”

达斯教授说，“当你用手机拍摄一张照片时，相机会在手机中进行优化处理。这使得照片有时候会比你用眼睛看到的更好。使用那种材料开发的下一代手机摄像头，就可能同时进行图像捕捉与图像处理，这是老一代相机中没有的。”

除了在未来实现顶级手机摄像头外，该团队还设想他们改进的传感器技术可以用于其它方面，包括将更好的光传感器用于物联网和工业4.0应用上。对此，多达则补充说，“在物联网时代机器需要透过大量的传感器识别物体，但传统传感器消耗大量能源，因此开发一种非常节能的传感器就变得十分重要。”

“工业4.0应用”所指的是工业结合著传统行业、人工智能（AI）、云储存和网络，目标是通过智能自动化开发，使工业达到智能自动化流程。