將來自多光譜圖像的信息組合成融合圖像，不僅可以提供豐富的信息，而且有助于人類或機(jī)器感知。目前主要的解決方案是使用多種不同響應(yīng)波段的光電探測器，但這需要利用復(fù)雜的算法和系統(tǒng)來解決像素與位置的失配問題。一個(gè)理想的解決方案是像素級(jí)多光譜圖像融合，這項(xiàng)技術(shù)利用了相同光電探測器的多光譜圖像，從而避免了失配問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心的科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Flexible and broadband colloidal quantum dots photodiode array for pixel-level X-ray to near-infrared image fusion”為主題的論文。該論文第一作者為Jing Liu，通訊作者為唐江教授和高亮副教授。

這項(xiàng)研究提出了一種通過低溫方法制造的柔性硫化鉛膠體量子點(diǎn)（PbS CQD）光電二極管陣列，該陣列具有從X射線到近紅外（NIR）波段的超寬帶響應(yīng)范圍。該光電二極管的結(jié)構(gòu)和厚度經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可減少通過界面缺陷的載流子復(fù)合，并改善耗盡區(qū)的載流子產(chǎn)生。隨后，研究人員進(jìn)一步展示了利用該P(yáng)bS CQD光電二極管陣列對(duì)膠囊進(jìn)行的無損檢測，這表明了利用該單個(gè)光電探測器在像素級(jí)X射線到紅外波段圖像融合方面的巨大潛力。

將X射線、可見光和紅外圖像融合為一幅圖像，可以有效且全面地構(gòu)建完整的醫(yī)學(xué)圖譜，傳統(tǒng)方法是使用X射線、可見光、紅外光三種光電探測器單獨(dú)探測，然后利用視覺算法實(shí)現(xiàn)圖像融合（如圖1a）。然而，目前鮮少有關(guān)于單個(gè)柔性光電探測器能夠捕獲X射線、可見光和紅外圖像來實(shí)現(xiàn)圖像融合的研究報(bào)道（如圖1b）。本研究提出的PbS CQD寬帶光電探測器的工作原理如圖1c所示，其中PbS CQD薄膜通過光電效應(yīng)將X射線以及紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR）光子的能量傳遞給電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)探測。

圖1 像素級(jí)X射線至紅外波段的圖像融合及工作機(jī)理

圖2a展示了以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）作為柔性襯底和含有一個(gè)PIN異質(zhì)結(jié)的單個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)。圖2b為光電二極管的截面掃描電鏡（SEM）圖像，顯示了ITO/NiOx/PbS CQD/C60/ZnO/Al層堆疊良好。該柔性PbS CQD光電二極管的電流密度電壓（J-V）曲線如圖2d所示。最終結(jié)果顯示，該器件同時(shí)具有高比探測率（D*）、大線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）和快速響應(yīng)速率的優(yōu)點(diǎn)，顯示出最先進(jìn)的綜合性能。

圖2 紫外-可見-近紅外光照射下PbS CQD光電二極管的器件性能

柔性X射線探測器對(duì)于牙科檢查非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└玫膱D像質(zhì)量并減少X射線曝光。正如預(yù)期的那樣，該柔性PbS CQD光電二極管具有靈敏的X射線探測性能，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 柔性PbS CQD光電二極管在X射線照射下的性能

最后，研究人員制備了柔性PbS CQD光電二極管陣列，以展示其在X射線、可見光和近紅外照射下的成像應(yīng)用。圖4a為透射模式下的成像過程示意圖：光源包含X射線、可見光和紅外光，成像對(duì)象為膠囊，探測器為柔性PbS CQD光電二極管陣列。

圖4 柔性PbS CQD光電二極管陣列的圖像融合

綜上所述，該研究制備了一種具有從X射線到近紅外波段的超寬帶響應(yīng)范圍的柔性PbS CQD光電二極管陣列。在可見光和紅外光照射下，該器件表現(xiàn)出較高的響應(yīng)度（0.38 A/W）和外部量子效率（EQE，76.6%）、低暗電流密度（50.9 nA/cm2）、大LDR（>85 dB）、高探測率（1.01 × 1012 Jones）以及高達(dá)-3 dB帶寬（32 kHz）。此外，該器件在大曲率（30°-60°）彎曲200次后還能表現(xiàn)出良好的柔性，性能幾乎沒有下降。最后，研究人員將該P(yáng)bS CQD光電二極管陣列應(yīng)用于X射線、可見光和近紅外波段的像素級(jí)圖像融合。融合圖像可以直接從不同波段的圖像中收集到更全面的信息，成像過程不存在像素失配，也無需進(jìn)行復(fù)雜的成像處理。研究結(jié)果表明，該柔性PbS CQD光電二極管陣列是一種實(shí)現(xiàn)X射線、可見光和近紅外波段的像素級(jí)圖像融合的簡單且有效的解決方案，在柔性電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

這項(xiàng)研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0715502）、國家自然科學(xué)基金（No. 62204091）、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021BAA014）、湖北省國際科技合作項(xiàng)目（2021EHB010）、浙江省自然科學(xué)基金探索項(xiàng)目（No. LY23F040005）、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金（No. 2020CFA034）、溫州市科研項(xiàng)目（G20210013）、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)基金（No. GJHZ20210705142540010）、中國博士后科學(xué)基金（2021M691118、2022M711237）和光谷實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新項(xiàng)目（OVL2021BG009、OVL2023ZD002）的資助和支持。

審核編輯：劉清