用于片上边缘提取的无计算、零偏置、超宽带光电探测器

《Advanced Materials》：Computation-Less, Bias-Free, and Ultra-Broadband Photodetector for On-Chip Edge Extraction

　　

边缘是视觉信息中的关键结构特征，其提取对于图像处理至关重要。然而，主流边缘提取技术要么依赖于以软件或硬件实现的数值计算，要么需要辅助性精密光学元件，因此在能耗、结构复杂度或工作光谱范围等方面面临挑战。本文提出了一种由物理机制赋能的边缘敏感光电探测器，以实现无计算片上边缘提取，具有零偏置工作和超宽带光响应特点。该器件表现出由光生载流子的扩散与不对称输运驱动的、依赖于位置的双向光响应，从而实现固有的空间微分。因此，单个器件即可在像素级直接感知边缘强度和方向。实验结果还表明，该器件可在无需任何外部电源的情况下工作，并在室温下表现出从近红外（NIR）到长波红外（LWIR）的超宽工作光谱范围，且对黑体辐射具有良好灵敏度。这些结果凸显了利用固有物理机制进行边缘提取的可行性，为开发紧凑、低功耗且功能化的光电器件提供了富有洞见的路径。

在图像中，边缘通常指强度发生急剧空间变化的区域，其可能源于表面不连续、反射率差异或照明边界。边缘携带场景结构和形态特征的关键信息，有效边缘提取可减少数据处理量、简化图像分析并保留物体边界特征，是图像分割、目标识别和机器视觉的基础任务。传统边缘提取依赖数值计算（如Sobel或Laplacian算子进行二维卷积），图像传感器采集信号后需经模数转换、存储和传输再交由中央处理器计算，传感与处理物理分离导致高能耗、高延迟和硬件开销。近年来，传感器内计算和光学计算被提出以降低延迟和提高效率。传感器内计算利用可重构光电探测器在