中国科学家突破仿生光电探测技术 复杂光照环境识别能力提升千倍

在智能安防、交通监测、工业质检和灾害预警等场景中,机器视觉系统正从“看得见”向“看得准”升级。

然而,复杂光照条件下的“低对比度目标”探测长期是制约工程落地的关键瓶颈:雾霾中车辆轮廓、伪装物体边界、昏暗背景里的细微纹理,往往与背景信号差异极小,传统探测器在强光干扰、散射反射和器件本底噪声共同作用下,容易出现目标信号被淹没、误检漏检率上升等问题。

造成这一难题的根源,一方面在于现实光照变化幅度大、速度快,既可能出现强烈背光、局部眩光,也可能出现大范围低照度与对比度压缩;另一方面,传统光电探测器多依赖固定增益或单一工作区间,面对“强背景+弱目标”的组合时,往往难以兼顾动态范围与微弱差异放大。

此外,现有部分神经形态视觉器件或动态视觉传感方案虽可通过延长曝光、引入复杂电路或算法增强对比,但在响应速度、系统复杂度、功耗与稳定性之间难以取得平衡,在快速变化场景中更容易暴露出适配性不足的问题。

针对上述痛点,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心孙东明研究团队从人眼视觉适应机制中寻找启发。

人眼之所以能在从星光到阳光的宽亮度范围内保持辨识能力,关键在于“分工明确的双系统”与持续的自适应调节:视锥细胞擅长明亮环境的高分辨率视觉,视杆细胞在暗光下发挥优势;同时视网膜感光蛋白可随环境光强变化调节灵敏度,使输出信号更贴近有效信息。

将这一思路迁移到器件层面,意味着要让探测器具备随光强变化主动调整“响应区间”的能力,从而把有限的增益用在真正需要的亮度范围与空间位置上。

在此基础上,研究团队在传统光电晶体管结构中引入具有自适应响应特性的“栅极光敏窗口”,并采用经特殊处理的二硫化钼材料构建关键部件。

该结构可随光照强度变化自动改变导电特性,进而调配器件内部电压分布,使其在背景整体变化时能够“自我校准”。

形象地说,它相当于为探测器设置了一个可自动调节的“光圈”:当环境光变强或变弱,器件会重新分配内部工作状态,突出目标区域的微弱光信号差异,同时抑制无关背景与噪声贡献。

更重要的是,使用者可通过调节工作电压,灵活设定高灵敏度响应的亮度区间,使器件能够像人眼一样“按需聚焦”,对特定亮度范围内的微小变化产生更强电信号响应。

从实验结果看,该仿生可调灵敏度光电晶体管在低对比度目标探测方面表现突出:相较传统器件,灵敏度提升超过1000倍,并在强烈、杂乱的光照干扰下仍能稳定提取目标特征。

这一提升不仅意味着更强的微弱信号分辨能力,也表明其在噪声抑制与复杂光照适应方面具备潜在工程价值。

对于需要实时性和可靠性的应用场景而言,若能在器件端完成更有效的“前端筛选”和“动态增益分配”,将有助于减轻后端算法负担,提升系统整体鲁棒性与能效比。

从影响层面观察,该成果为智能感知器件发展提供了新的技术路径:通过材料与结构协同设计,把“自适应”从算法层前移到器件层,使传感端在源头就具备环境适配能力。

对安防监控、道路交通与低能见度环境识别而言,这种器件有望提高在雾霾、夜间、逆光等条件下的识别稳定性;对工业检测与医疗成像等要求精细差异辨识的方向,也可能带来更高的信号可信度和更低的误差风险。

面向应用落地,还需在工程化方面持续推进。

其一,围绕器件一致性、长期稳定性与批量制造工艺,需要建立更完备的评估与优化体系,确保在不同温湿度、强光冲击和长期工作条件下性能可重复、可验证。

其二,应结合系统级需求,开展与镜头、读出电路、算法模型的协同设计,形成可集成、可标定的整机方案。

其三,在标准与测试方法上,可探索针对复杂光照、低对比度目标的统一评价指标,推动从实验指标向应用指标的转化。

展望未来,随着新材料体系、器件结构与集成技术的迭代,仿生可调灵敏度探测有望与边缘计算、类脑视觉等方向形成合力,进一步提升在动态场景中的实时感知能力。

若能在保持高灵敏度的同时兼顾高速响应、低功耗与规模化制造,这类“自适应前端”器件或将成为下一代机器视觉系统的重要基础部件,为智能交通、公共安全、城市治理以及极端环境作业提供更可靠的感知支撑。

从模仿自然到超越传统,这一仿生光电探测技术的突破再次印证了跨学科融合创新的巨大潜力。

当科学家将目光投向生物界的精妙设计,并运用现代材料科学和工程技术加以实现时,往往能够开辟出意想不到的技术新天地。

这不仅为解决当前技术难题提供了新思路,更为未来智能感知技术的发展描绘了广阔前景。