透明光电探测器在AR中的应用进展

2020-11-20 09:06:40 科技智囊 2020年10期

李治玥 白洪斐 王婉霞 张世亮 尤瑞松

摘  要:AR技术能够将虚拟的世界带到现实生活中来,自出现以来就一直备受关注,近几年来更是迅猛发展。目前AR技术已经可以与智能手机等移动设备兼容,但这些设备显然至少需要占用使用者的一只手,因而给使用者的操作与控制带来不便。因此,可穿戴设备的发展显得尤为重要,在穿戴者与外界环境之间利用透明光电探测器构建一个虚拟与现实交互的世界,是一种非常具有前沿应用价值的技术。文章简要介绍了AR技术目前的发展及应用状况、透明光电探测器在AR中的应用机理、现状及趋势。

关键词:AR技术;透明光电探测器;可穿戴

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A

DOI:10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.10.08

The Application Progress of Transparent Photodetector in AR

Li Zhiyue1,2 Bai Hongfei2Wang Wanxia3Zhang Shiliang4You Ruisong2

(1.Department of Physics,the University of Hong Kong,Hong Kong,999077;2.School of Space Science and Physics,Shandong University,Shandong,Weihai,264209;3.School of Mechanical,Electrical & Information Engineering,Shandong University,Shandong,Weihai,264209;4.Soda ash plant of Shandong Haihua Co., Ltd,Shandong,Weifang,262737)

Abstract:AR technology can bring the virtual world to real life,and has been receiving much attention since its emergence,in the recent years,it has developed rapidly. At present,AR technology is already compatible with mobile devices such as smartphones,but these devices obviously need to occupy at least one users hand, which will cause inconvenience to the users operation and control. Therefore,the development of wearable devices is particularly necessary. The use of the transparent photodetector between the wearer and the external environment to build a world of virtual and real interaction is a very cutting-edge application technology. This article briefly introduces the current development and the applications,as well as the mechanism and trends of transparent photodetector in AR filed.

Key words:AR technology;Transparent photodetector;Wearable device

一、引言

AR技術,即增强现实技术,将数字内容叠加在用户对现实世界的看法上[1],并将融合后的场景呈现给用户[2]。AR技术有三个突出的特点:第一,真实世界和虚拟世界的信息集成;第二,实时交互性;第三,在三维尺度空间中增添、定位虚拟物体。增强现实要努力实现的不仅是将图像实时添加到真实的环境中,还要能够更改这些图像以适应用户的头部及眼睛转动,以便图像始终在用户视角范围内,增强现实系统正常工作需要头戴式显示器、跟踪系统及移动计算能力三个组件。开发人员的目标是将这三个组件集中到一个单元中,放置在设备中,该设备能以无线方式将信息转播到类似于普通眼镜的显示器上[3]。目前国内外已经研发了多种AR眼镜,如微软的HoloLens和Meta2,Google推出的Bose AR眼镜等。但现有的增强现实眼镜价格昂贵、体积较大,不方便携带,用户体验感并不是很好,所以并没有大范围普及。因此,亟须开发紧凑和轻便的光电检测元件,这些元件将用于从周围环境收集各种光学信息,并且这些检测器应该是人眼无法察觉的,允许在观众和外界之间创建透明的光学接口,以优化用户体验[4]。

二、AR技术进展

近年来随着科技的不断进步,增强现实技术在军事、文化、教育、建筑、医疗、娱乐、影视中都有所应用。AR技术在国内起步较晚,刚开始加入到AR技术研究中的有北京理工大学,其研发的“数字圆明园”,就是利用AR技术将圆明园的遗址废墟和当年未破坏前的场景结合,用立体显示技术真实地再现圆明园原来的场景[5]。

AR技术与智能手机等移动设备的结合如今变得越来越普遍,在2013年的时候,日本东京阳光水族馆利用增强现实技术,让用户在使用导航的时候,只需要将摄像头对准街道,屏幕上就会出现好几只摇摆前行的企鹅,用户可以跟随企鹅的步伐去阳光水族馆。最近,华为公司发布了其新产品华为P40,值得一提的是,致力于构建虚实融合新世界的“华为AR地图”也首次亮相。华为AR地图可以根据手机摄像头的每一帧实时影像,通过内置运动传感器数据的配合及其强大的运算处理能力,在100毫秒内完成厘米级位置计算和高精度姿态估算,并在摄像头开启状态下持续计算手机自身的实时空间位置与姿态。首批开放华为AR地图包括敦煌莫高窟、上海外滩、南京路步行街,可以说华为AR地图的出现,让我们以全新的角度看待世界、看待历史[6]。

在医疗方面,近年来人们对于非接触测温的需求激增,上海人工智能企业亮风台在春节期间展示了红外测温眼镜,工作人员穿戴AR眼镜以第一视角进行非接触式测温,无需近距离接触,3米外即可实时呈现人体温度,且支持全身检测。此外,通过人脸识别、车牌识别、二维码识别等,该设备还支持同步核查人员信息,建立人员档案,方便追溯人员运动轨迹,排查密切接触史,实现智能化、结构化数据管理与追踪[7]。

三、透明光电探测器在AR中的应用现状

随着5G时代的到来,增强现实技术的影响相比于其他领域显得更为重要。目前AR技术已经可以与智能手机等移动设备兼容,但这些设备显然至少需要占用使用者的一只手,这会给使用者的操作与控制带来不便,因此可穿戴设备的发展就显得尤为重要。而对于可穿戴设备来讲,实现紧凑轻巧的光电探测是一个亟待解决的问题,在穿戴者与外界环境之间利用透明光电探测器构建一个虚拟与现实交互的世界,是一种非常具有前沿应用价值的技术[1]。

增强现实、可穿戴及傳感等新兴技术的发展,要求开发紧凑和轻便的光电检测元件,这些元件将用于从周围环境收集各种光学信息,并且这些检测器应该是人眼无法察觉的,且允许在观众和外界之间创建透明的光学接口,以优化用户体验。另外,检测器应该能够提取光所携带的多维信息,包括强度、方向、波长、偏振态和相位,特别是光谱偏振检测器设计用于从场景中收集有价值的光谱和偏振信息,它们可以用作独立检测器,也可以用作成像系统中的智能像素。受人类视觉系统的启发,算法光谱学越来越流行,在这种算法中色彩感应元件没有滤镜,而显示的是宽的重叠光谱响应度曲线。例如,视网膜中的锥形感光细胞,通过学习以及积累经验,大脑可以利用视锥细胞光谱响应的重叠来区分细微的色差(即强度和波长),如果光谱响应不重叠,这将是不可能的,在这种情况下,将需要更多的传感器和滤波器来获得相同的效果[5]。鉴于当前希望将检测器放置在透明光学元件上而不被看到,因此,反射光或者光波前失真的问题需要解决。

通常将窄带彩色和偏振滤光片放置在检测器元件的前面,以确定光谱和偏振含量。高折射率半导体纳米线(NWs)非常适合实现微型光谱偏振计,它们提供方便的电荷提取并支持光学Mie共振[8-9],可用于调整其光谱和偏振相关的吸收[10]。基于这方面知识,有可能实现在红色、绿色和蓝色中具有重叠的响应度的颜色和偏振敏感检测像素。

四、当前有希望应用于透明光电探测器的材料

(一)单层WSe2薄膜

p型WSe2块状半导体的间接带隙约为1.2电子伏,而单层WSe2则具有直接带隙约为1.65电子伏。H.Zhou等通过化学气相沉积法直接在SiO2 /Si衬底上制备了大面积的WSe2原子厚度的WSe2薄膜(面积最大1平方厘米)[11]。Z.Zheng等展示了一种基于大面积高结晶性WSe2膜的柔性、透明、稳定且超宽带的光电探测器,该探测器是通过脉冲激光沉积(PLD)制备的[12]。得益于WSe2薄膜的2D结构,该器件在可见光范围内具有出色的平均透明度,可显示72%的光通量,并具有出色的光响应特性,包括超宽带检测光谱范围(370~1064 纳米),可逆光响应性接近0.92 A W-1,外部量子效率高达180%,上升时间相对较短,为0.9秒。该技术所制造的光电探测器还展示了出色的机械柔韧性和空气耐久性。在多个柔性或刚性基板上制造了PLD生长的WSe2薄膜光电探测器,并展现出独特的开关性能和出色的响应度。这种基于大面积WSe2薄膜的灵活、透明和宽带的光电探测器可以在可穿戴光电设备中具有潜在的应用。[13]

(二)铜基铜铁矿材料

铜基铜铁矿氧化物材料CuMO2(M = Al,Ga,In)是带隙宽的p型透明氧化物半导体。CuMO2的p型电导率源自铜铁矿结构中Cu阳离子的+1价,它们在透明光电器件中的应用引起了极大的关注。例如,透明的p-n结二极管,p沟道薄膜晶体管和p型染料敏化太阳能电池。尤其是CuGaO2是本征p型基于Cu的铜铁矿氧化物半导体之一,其带隙约为3.6电子伏,具有相对较宽的带隙,可见光透射率高于80%。p型CuGaO2半导体薄膜通常使用PLD和射频磁控溅射等真空沉积工艺制造[14]。

(三)二维硼纳米片

二维硼纳米片是一种本征元素p型半导体,具有出色的光响应。[15]纳米级硼的带隙估计为1.5电子伏[16],表明其作为紫外可见宽带光电检测材料的潜力。理论研究表明,二维硼具有高电导率(≈102Ω-1cm-1)和载流子迁移率(102 cm2 V-1 s-1)[17]。J.Xu等制作了厚度为10纳米的单晶超薄硼纳米片(UBNS),并通过构造FET器件研究了其电光性能[15]。

(四)硒化铜镓

作为典型的I–III–VI2黄铜矿化合物,硒化铜镓(CuGaSe2)由于其1.67电子伏的合适直接带隙和高的光吸收系数而成为一种有效的光吸收材料。W.Feng等通过简单的固态反应制备了单晶二维CuGaSe2纳米片。[18]研究了基于2D CuGaSe2纳米片的光电探测器的电子和光电性能。光电探测器对紫外线和可见光表现出敏感的反应。在490纳米的光照下,光电探测器的响应度和检测率分别高达103 A W-1和8×1011 Jones。CuGaSe2纳米片光电探测器对入射光表现出可重复且稳定的响应。笔者计算出上升时间为1.6秒,衰减时间确定为6.6秒。这些结果表明,二维CuGaSe2纳米片在未来的纳米光电器件中显示出巨大的潜力。

(五)ZnO

ZnO是重要的宽带隙半导体,在UV区域具有出色的光敏特性,但在可见光区域几乎透明。H.Shen等通过锂(Li)和氮(N)掺杂制备p型ZnO膜[19],并制造了无须外部电源即可运行的ZnO p–n同质结光电探测器。该器件采用了在蓝宝石衬底上薄膜堆叠的方式,该薄膜具有n-ZnO膜(厚度为530纳米)和p型ZnO膜(厚度为120纳米)。ZnO自供电设备显示出非常窄的光谱响应。此外,同质结光电探测器显示出非常长的可靠性和稳定性。该器件的响应性表明,5个月后几乎没有退化,这证明ZnO p–n同质结器件是长期无人值守的良好选择。

(六)基于Cu2O/ZnO核壳结构的光电探测器

Z.Li等人[20]报道了一种新的基于N/O核结构的光电导近红外探测器,以VO2(M)为核,V2O5为壳,表现出2873.7 A W-1的高响应度。由于在VO2(M)–V2O5异质界面上形成了p–n异质结,因此可以有效分离VO2(M)中生成的载流子。由于VO2的带隙小,所以获得的光电检测器显示出优异的红外光检测性能。与该光电导光电探测器相比,基于p–n异质结的光电探测器的性能更出色。X.Liu等人[21]报道了一种基于Cu2O/ZnO核壳结构的光电探测器,其中单壁CNT作为中间电极。从黑暗中的–曲线可以看出,自由载流子在Cu2O和ZnO之间无限制地转移。由于存在p–n结和Cu2O的窄带隙,其所获得的光电检测器在紫外线和可见光照射下均显示出大的光电流,由于没有施加偏压,这显示了其自供电特性。同时,在不同的功率强度下周期性地打开和关闭光时,光电探测器表现出良好的稳定性。混合光电探测器还具有快速响应速度(<100毫秒),这比大多数其他光电探测器要快。

(七)MoS2

由于二维层状材料中的电子状态对表面条件敏感,因此它们的导电特性和带隙在不同条件下会有所不同。因此,实验人员准备了许多2D/3D混合结构并将其构建到光电探测器中,这些结构具有独特的光电探测性能。Midya等人[22]报道了MoS2 /p-Si异质结光电探测器[23],该探测器在可见光区域显示高开/关比(>103)和宽带光响应。它显示出高的光响应性和快速的响应速度。J.Yang等人[24]通过在InGaZnO(IGZO)膜上沉积MoS2层来制造异质结光电晶体管,该膜具有宽的光谱响应性。由于其窄带隙,MoS2将被可见光激发并显示出显著的可见光响应性能。

五、总结与展望

目前,AR技术已经在娱乐、影视、医疗、教育等很多领域都有所应用,国内国外也已经研发了多种AR眼镜,但现有的增强现实眼镜价格昂贵、体积较大,不方便携带,用户体验感并不是很好,所以并没有大范围普及。目前AR技术已经可以与智能手机等移动设备兼容,但这些设备显然至少需要占用使用者的一只手,会给使用者的操作与控制带来不便,因此可穿戴设备的发展显得尤为重要。对于可穿戴设备来讲,实现紧凑轻巧的光电探测是一个亟待解决的问题。在此背景下,文章讨论了AR技术目前的应用现状、透明光电探测器的性能及目前的研究现状,并总结了目前有希望应用于透明光电探测器的不同材料。透明光电探测器在AR中应用是一种非常具有前沿应用价值的技术,对于在穿戴者与外界环境之间构建一个虚拟与现实交互的世界具有十分重要的意义。

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