研究员介绍半透明图像传感器技术，革新AR/VR眼动追踪
半透明图像传感器的开发和分析
（映维网Nweon 2025年03月28日）能够捕获大量信息的图像传感器传统上是不透明的，因为像素和读出电子设备都吸收了光，它们彼此堆叠在一起。使图像传感器可见透明将在一系列的领域产生深远的影响，如增强现实和虚拟现实。
在一项研究中，加泰罗尼亚理工大学介绍了第一种半透明图像传感器的开发和分析，以及它作为眼动追踪设备的适用性。
所述组件由一个8x8的半透明光电探测器阵列和电极组成，电极放置在全透明的衬底之上。阵列的每个像素大小为60 x 140 {\mu}m，光学透明度为85-95%。像素具有很高的灵敏度，其中90%以上的像素在波长为637 nm时显示出噪点等效辐照度< 10-4 W/m2。
由于半透明光电探测器具有大量的内置增益，所以不透明读出电子器件可以放置在远离探测器阵列的地方，以确保最大的透明度和填充系数。事实上，透明图像传感器的操作和外观从根本上改变了我们对摄像头和成像的看法，因为它们可以隐藏在视线之外。
光电探测器能够将光转换为电信号，令信息时代的一系列重要技术成为可能，因为它们可以将视觉信息转换为数字数据。一个特定应用是眼动追踪，而这是虚拟现实和增强现实的关键支持技术，因为它允许注视点渲染来减少显示功耗。
到目前为止，大多数眼动追踪眼镜设计都与传统眼镜有明显的不同，因为它们使用一个或几个摄像头，以一定的角度安装，从而适当地提取瞳孔位置。这种结构通常具有较高的计算复杂度和功耗，由于所使用摄像头的低分辨率和角度位置而限制了凝视精度，占用宝贵的空间，并且过于显眼而不适合连续使用。
半透明光电探测器阵列可以解决相关问题，因为它直接将摄像头集成到眼镜，从而降低了计算复杂性，同时通过降低功耗和改进外形因素提高了便携性。这种方法同时将眼动追踪技术巧妙地融入日常生活，为广泛应用提供了可能。
现有的透明成像方法包括在透明衬底绘制非常小的有机光电探测器（OPD）像素。然而，这种方法的缺点是填充系数小，信噪比低。另一种半透明光电探测器制造方法是用光活性层构建OPD，在吸收红外线的同时，OPD是半透明的。不过，这种方法需要电子读出电路非常靠近光电探测器，所以在构建图像传感器时，透明度和填充系数显著降低。
针对所述问题，加泰罗尼亚理工大学团队提出了一种基于内置增益的半透明像素的解决方案，并可实现具有高填充因子的可扩展半透明图像传感器，同时不会影响透明度或可移植性。
研究人员展示了图像传感器捕获静止图像以及代表瞳孔的移动目标的视频的能力。对于眼动追踪应用而言，这种传感器具有非常大的潜力，因为它可以放置在用户的眼前。
这种格式允许无缝集成便携式眼动追踪，因为传感器可以制成眼镜的形式。由于捕获图像的全分辨率集中在眼睛，所以大大降低了眼动追踪的计算复杂度。
除了探测器天然的半透明外，图像传感器的一个重要创新是使用内置光导增益，它允许半透明光电探测阵列和非透明电子读出组件之间的分离。这克服了传统光电二极管的关键挑战，因为传统光电二极管要求读出电子器件非常靠近探测器，从而降低了填充因子并阻碍了透明度。
另外，作为原型的8x8阵列完全互连，进一步将读出从64 （8x8）减少到16（8+8）引脚，从而提供一个完全集成的系统，并可扩展到更大的像素密度和阵列大小。
最后，探测器具有在SWIR波段工作的能力，为人眼安全为了提供一种半透明且在可见光和SWIR范围内具有高响应性的图像传感器。
团队使用石墨烯/量子点（GQD）像素。用量子点敏化石墨烯可将其转化为高响应度的光导系统，同时保持≈1ms32的速度，并且由于石墨烯的高迁移率，器件表现出内置的光导增益。所以，光信号不需要在探测器附近放大。
相反，信号可以传输到阵列的边缘，允许使用远离图像传感器的非本地读出系统。另外，该技术允许高填充因子：QVGA （320x240像素）分辨率略高于95%。
8x8光电探测器阵列是在透明石英衬底处理，像素为60 x 140µm。为了允许非局部读出方案和高填充因子，像素通过ITO触点连接，高架柱形成3D桥状结构。然后，将石墨烯转移并与硫化铅量子点层一起敏化，形成具有光导增益的光导探测器16。
桥状3D ITO结构产生了位于瞳孔前方的半透明结构。3D结构的互连性允许标准的多路逐行读出，有效地减少了从光学芯片到读出电子设备的连接数量，从64 （8x8）到16（8+8）线键。
非局部读数允许将非透明电子设备放置在远离用户视线的地方。由于电阻阵列中器件之间的串扰可能存在问题，读出电子器件使用零电位扫描电路，允许逐行读出，同时避免串扰。为了补偿器件电阻的变化，电路中增加了一个暗电压减法元件。为了进一步避免像素之间的串扰，确保像素的电阻远高于ITO引线的电阻。
相关论文：Semi-Transparent Image Sensors for Eye-Tracking Applications
团队表示，基于相关方法的未来透明图像传感器可以扩展到更大的像素数，因为互连的m x n像素结构是可扩展。图像传感器技术的理论填充系数高于93%，是具有高填充系数的全透明高清相机的理想选择，能够进行实时测量。
另外红外灵敏度允许使用人眼无法检测到的主动光源，确保低噪点。他们表示：“我们的眼动追踪实现方法有可能加速AR/VR等领域采用眼动追踪设备。由于阵列的像素既半透明又灵活，因此眼动追踪可以实现在以前难以想象的形状上面，例如处方眼镜。”
