人類之所以能夠感受到多彩的世界，是因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中的紅色（長波長，L）、綠色（中波長，M）和藍(lán)色（短波長，S）視錐細(xì)胞。此外，視桿細(xì)胞比視錐細(xì)胞具有更高的靈敏度，可以幫助在弱光下成像。為了實(shí)現(xiàn)彩色視覺，傳統(tǒng)成像方法常基于硅基光電探測(cè)器。

但硅材料的固有特性（例如帶隙不可調(diào)）導(dǎo)致其在模擬生物視覺系統(tǒng)方面缺乏競爭力。與晶體硅材料不同，有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電性能（例如高光吸收系數(shù)、高遷移率、低結(jié)合能）以及調(diào)節(jié)物理和化學(xué)性能的靈活性，為仿生光電器件的發(fā)展提供了巨大的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)和暨南大學(xué)麥文杰教授團(tuán)隊(duì)等合作，共同開發(fā)出一種受人類視覺細(xì)胞啟發(fā)的高分辨率彩色相機(jī)。該相機(jī)基于RGBW鈣鈦礦基光電探測(cè)器，以模擬人眼的L、M、S視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞，并結(jié)合了預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案照明和圖像重建技術(shù)。

該相機(jī)可以在漫反射模式下實(shí)現(xiàn)256 × 256像素的高分辨率圖像，遠(yuǎn)超最先進(jìn)的鈣鈦礦基人造眼或其他鈣鈦礦基成像系統(tǒng)。這項(xiàng)工作提出了一種研發(fā)仿生相機(jī)的新方法，并展示了其模仿生物眼睛功能的巨大潛力。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。

受人類視覺細(xì)胞啟發(fā)的鈣鈦礦基彩色相機(jī)

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員以人類視覺細(xì)胞為靈感，設(shè)計(jì)了一組模擬L、M、S視錐細(xì)胞的窄帶紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）鈣鈦礦基光電探測(cè)器，并采用傅里葉成像算法，開發(fā)出一種高分辨率彩色相機(jī)。更重要的是，為了進(jìn)一步賦予其在弱光下的成像能力，研究人員將具有更好光探測(cè)性能的寬帶白色（W）鈣鈦礦基光電探測(cè)器（模擬視桿細(xì)胞）集成到該成像系統(tǒng)中，提高了鈣鈦礦基相機(jī)在弱光下的成像分辨率。與傳統(tǒng)的基于CCD/CMOS和鏡頭組合的成像系統(tǒng)相比，基于鈣鈦礦基光電探測(cè)器的成像系統(tǒng)制備更加簡單且成本低。

鈣鈦礦基RGBW光電探測(cè)器性能

該鈣鈦礦基相機(jī)結(jié)合了預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案照明和圖像重建技術(shù)，在漫反射模式下展示了高分辨率的彩色圖像（高達(dá)256 × 256像素）。利用窄帶鈣鈦礦基光電探測(cè)器的優(yōu)異性能，該相機(jī)可以在~5.4μW/cm2的弱光下實(shí)現(xiàn)彩色成像。此外，由于在成像系統(tǒng)中集成了寬帶鈣鈦礦基光電探測(cè)器，增強(qiáng)了相機(jī)在弱光環(huán)境下的成像能力，使其可以在~0.7μW/cm2的弱光下實(shí)現(xiàn)物體輪廓成像。

256 × 256像素高分辨率成像演示

漫射光強(qiáng)度為~20μW/cm2時(shí)的彩色成像演示

弱光照明下的彩色成像演示

這項(xiàng)工作為彩色相機(jī)的發(fā)展開辟了新的視野，并為模仿生物眼睛找到了新的途徑。研究人員稱，通過進(jìn)一步的圖像融合技術(shù)和更高性能的光電探測(cè)器，未來有望獲得在弱光下超越人眼的高分辨率彩色成像系統(tǒng)。

審核編輯：劉清