透明光電探測器在AR中的應用進展

李治玥 白洪斐 王婉霞 張世亮 尤瑞松

摘? 要：AR技術能夠將虛擬的世界帶到現實生活中來，自出現以來就一直備受關注，近幾年來更是迅猛發展。目前AR技術已經可以與智能手機等移動設備兼容，但這些設備顯然至少需要占用使用者的一只手，因而給使用者的操作與控制帶來不便。因此，可穿戴設備的發展顯得尤為重要，在穿戴者與外界環境之間利用透明光電探測器構建一個虛擬與現實交互的世界，是一種非常具有前沿應用價值的技術。文章簡要介紹了AR技術目前的發展及應用狀況、透明光電探測器在AR中的應用機理、現狀及趨勢。

關鍵詞：AR技術;透明光電探測器;可穿戴

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：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，即增強現實技術，將數字內容疊加在用戶對現實世界的看法上[1]，并將融合后的場景呈現給用戶[2]。AR技術有三個突出的特點：第一，真實世界和虛擬世界的信息集成;第二，實時交互性;第三，在三維尺度空間中增添、定位虛擬物體。增強現實要努力實現的不僅是將圖像實時添加到真實的環境中，還要能夠更改這些圖像以適應用戶的頭部及眼睛轉動，以便圖像始終在用戶視角范圍內，增強現實系統正常工作需要頭戴式顯示器、跟蹤系統及移動計算能力三個組件。開發人員的目標是將這三個組件集中到一個單元中，放置在設備中，該設備能以無線方式將信息轉播到類似于普通眼鏡的顯示器上[3]。目前國內外已經研發了多種AR眼鏡，如微軟的HoloLens和Meta2，Google推出的Bose AR眼鏡等。但現有的增強現實眼鏡價格昂貴、體積較大，不方便攜帶，用戶體驗感并不是很好，所以并沒有大范圍普及。因此，亟須開發緊湊和輕便的光電檢測元件，這些元件將用于從周圍環境收集各種光學信息，并且這些檢測器應該是人眼無法察覺的，允許在觀眾和外界之間創建透明的光學接口，以優化用戶體驗[4]。

二、AR技術進展

近年來隨著科技的不斷進步，增強現實技術在軍事、文化、教育、建筑、醫療、娛樂、影視中都有所應用。AR技術在國內起步較晚，剛開始加入到AR技術研究中的有北京理工大學，其研發的“數字圓明園”，就是利用AR技術將圓明園的遺址廢墟和當年未破壞前的場景結合，用立體顯示技術真實地再現圓明園原來的場景[5]。

AR技術與智能手機等移動設備的結合如今變得越來越普遍，在2013年的時候，日本東京陽光水族館利用增強現實技術，讓用戶在使用導航的時候，只需要將攝像頭對準街道，屏幕上就會出現好幾只搖擺前行的企鵝，用戶可以跟隨企鵝的步伐去陽光水族館。最近，華為公司發布了其新產品華為P40，值得一提的是，致力于構建虛實融合新世界的“華為AR地圖”也首次亮相。華為AR地圖可以根據手機攝像頭的每一幀實時影像，通過內置運動傳感器數據的配合及其強大的運算處理能力，在100毫秒內完成厘米級位置計算和高精度姿態估算，并在攝像頭開啟狀態下持續計算手機自身的實時空間位置與姿態。首批開放華為AR地圖包括敦煌莫高窟、上海外灘、南京路步行街，可以說華為AR地圖的出現，讓我們以全新的角度看待世界、看待歷史[6]。

在醫療方面，近年來人們對于非接觸測溫的需求激增，上海人工智能企業亮風臺在春節期間展示了紅外測溫眼鏡，工作人員穿戴AR眼鏡以第一視角進行非接觸式測溫，無需近距離接觸，3米外即可實時呈現人體溫度，且支持全身檢測。此外，通過人臉識別、車牌識別、二維碼識別等，該設備還支持同步核查人員信息，建立人員檔案，方便追溯人員運動軌跡，排查密切接觸史，實現智能化、結構化數據管理與追蹤[7]。

三、透明光電探測器在AR中的應用現狀

隨著5G時代的到來，增強現實技術的影響相比于其他領域顯得更為重要。目前AR技術已經可以與智能手機等移動設備兼容，但這些設備顯然至少需要占用使用者的一只手，這會給使用者的操作與控制帶來不便，因此可穿戴設備的發展就顯得尤為重要。而對于可穿戴設備來講，實現緊湊輕巧的光電探測是一個亟待解決的問題，在穿戴者與外界環境之間利用透明光電探測器構建一個虛擬與現實交互的世界，是一種非常具有前沿應用價值的技術[1]。

增強現實、可穿戴及傳感等新興技術的發展，要求開發緊湊和輕便的光電檢測元件，這些元件將用于從周圍環境收集各種光學信息，并且這些檢測器應該是人眼無法察覺的，且允許在觀眾和外界之間創建透明的光學接口，以優化用戶體驗。另外，檢測器應該能夠提取光所攜帶的多維信息，包括強度、方向、波長、偏振態和相位，特別是光譜偏振檢測器設計用于從場景中收集有價值的光譜和偏振信息，它們可以用作獨立檢測器，也可以用作成像系統中的智能像素。受人類視覺系統的啟發，算法光譜學越來越流行，在這種算法中色彩感應元件沒有濾鏡，而顯示的是寬的重疊光譜響應度曲線。例如，視網膜中的錐形感光細胞，通過學習以及積累經驗，大腦可以利用視錐細胞光譜響應的重疊來區分細微的色差（即強度和波長），如果光譜響應不重疊，這將是不可能的，在這種情況下，將需要更多的傳感器和濾波器來獲得相同的效果[5]。鑒于當前希望將檢測器放置在透明光學元件上而不被看到，因此，反射光或者光波前失真的問題需要解決。

通常將窄帶彩色和偏振濾光片放置在檢測器元件的前面，以確定光譜和偏振含量。高折射率半導體納米線（NWs）非常適合實現微型光譜偏振計，它們提供方便的電荷提取并支持光學Mie共振[8-9]，可用于調整其光譜和偏振相關的吸收[10]。基于這方面知識，有可能實現在紅色、綠色和藍色中具有重疊的響應度的顏色和偏振敏感檢測像素。

四、當前有希望應用于透明光電探測器的材料

（一）單層WSe2薄膜

p型WSe2塊狀半導體的間接帶隙約為1.2電子伏，而單層WSe2則具有直接帶隙約為1.65電子伏。H.Zhou等通過化學氣相沉積法直接在SiO2 /Si襯底上制備了大面積的WSe2原子厚度的WSe2薄膜（面積最大1平方厘米）[11]。Z.Zheng等展示了一種基于大面積高結晶性WSe2膜的柔性、透明、穩定且超寬帶的光電探測器，該探測器是通過脈沖激光沉積（PLD）制備的[12]。得益于WSe2薄膜的2D結構，該器件在可見光范圍內具有出色的平均透明度，可顯示72%的光通量，并具有出色的光響應特性，包括超寬帶檢測光譜范圍（370～1064 納米），可逆光響應性接近0.92 A W-1，外部量子效率高達180%，上升時間相對較短，為0.9秒。該技術所制造的光電探測器還展示了出色的機械柔韌性和空氣耐久性。在多個柔性或剛性基板上制造了PLD生長的WSe2薄膜光電探測器，并展現出獨特的開關性能和出色的響應度。這種基于大面積WSe2薄膜的靈活、透明和寬帶的光電探測器可以在可穿戴光電設備中具有潛在的應用。[13]

（二）銅基銅鐵礦材料

銅基銅鐵礦氧化物材料CuMO2（M = Al，Ga，In）是帶隙寬的p型透明氧化物半導體。CuMO2的p型電導率源自銅鐵礦結構中Cu陽離子的+1價，它們在透明光電器件中的應用引起了極大的關注。例如，透明的p-n結二極管，p溝道薄膜晶體管和p型染料敏化太陽能電池。尤其是CuGaO2是本征p型基于Cu的銅鐵礦氧化物半導體之一，其帶隙約為3.6電子伏，具有相對較寬的帶隙，可見光透射率高于80%。p型CuGaO2半導體薄膜通常使用PLD和射頻磁控濺射等真空沉積工藝制造[14]。

（三）二維硼納米片

二維硼納米片是一種本征元素p型半導體，具有出色的光響應。[15]納米級硼的帶隙估計為1.5電子伏[16]，表明其作為紫外可見寬帶光電檢測材料的潛力。理論研究表明，二維硼具有高電導率（≈102Ω-1cm-1）和載流子遷移率（102 cm2 V-1 s-1）[17]。J.Xu等制作了厚度為10納米的單晶超薄硼納米片（UBNS），并通過構造FET器件研究了其電光性能[15]。

（四）硒化銅鎵

作為典型的I–III–VI2黃銅礦化合物，硒化銅鎵（CuGaSe2）由于其1.67電子伏的合適直接帶隙和高的光吸收系數而成為一種有效的光吸收材料。W.Feng等通過簡單的固態反應制備了單晶二維CuGaSe2納米片。[18]研究了基于2D CuGaSe2納米片的光電探測器的電子和光電性能。光電探測器對紫外線和可見光表現出敏感的反應。在490納米的光照下，光電探測器的響應度和檢測率分別高達103 A W-1和8×1011 Jones。CuGaSe2納米片光電探測器對入射光表現出可重復且穩定的響應。筆者計算出上升時間為1.6秒，衰減時間確定為6.6秒。這些結果表明，二維CuGaSe2納米片在未來的納米光電器件中顯示出巨大的潛力。

（五）ZnO

ZnO是重要的寬帶隙半導體，在UV區域具有出色的光敏特性，但在可見光區域幾乎透明。H.Shen等通過鋰（Li）和氮（N）摻雜制備p型ZnO膜[19]，并制造了無須外部電源即可運行的ZnO p–n同質結光電探測器。該器件采用了在藍寶石襯底上薄膜堆疊的方式，該薄膜具有n-ZnO膜（厚度為530納米）和p型ZnO膜（厚度為120納米）。ZnO自供電設備顯示出非常窄的光譜響應。此外，同質結光電探測器顯示出非常長的可靠性和穩定性。該器件的響應性表明，5個月后幾乎沒有退化，這證明ZnO p–n同質結器件是長期無人值守的良好選擇。

（六）基于Cu2O/ZnO核殼結構的光電探測器

Z.Li等人[20]報道了一種新的基于N/O核結構的光電導近紅外探測器，以VO2（M）為核，V2O5為殼，表現出2873.7 A W-1的高響應度。由于在VO2（M）–V2O5異質界面上形成了p–n異質結，因此可以有效分離VO2（M）中生成的載流子。由于VO2的帶隙小，所以獲得的光電檢測器顯示出優異的紅外光檢測性能。與該光電導光電探測器相比，基于p–n異質結的光電探測器的性能更出色。X.Liu等人[21]報道了一種基于Cu2O/ZnO核殼結構的光電探測器，其中單壁CNT作為中間電極。從黑暗中的–曲線可以看出，自由載流子在Cu2O和ZnO之間無限制地轉移。由于存在p–n結和Cu2O的窄帶隙，其所獲得的光電檢測器在紫外線和可見光照射下均顯示出大的光電流，由于沒有施加偏壓，這顯示了其自供電特性。同時，在不同的功率強度下周期性地打開和關閉光時，光電探測器表現出良好的穩定性。混合光電探測器還具有快速響應速度（<100毫秒），這比大多數其他光電探測器要快。

（七）MoS2

由于二維層狀材料中的電子狀態對表面條件敏感，因此它們的導電特性和帶隙在不同條件下會有所不同。因此，實驗人員準備了許多2D/3D混合結構并將其構建到光電探測器中，這些結構具有獨特的光電探測性能。Midya等人[22]報道了MoS2 /p-Si異質結光電探測器[23]，該探測器在可見光區域顯示高開/關比（>103）和寬帶光響應。它顯示出高的光響應性和快速的響應速度。J.Yang等人[24]通過在InGaZnO（IGZO）膜上沉積MoS2層來制造異質結光電晶體管，該膜具有寬的光譜響應性。由于其窄帶隙，MoS2將被可見光激發并顯示出顯著的可見光響應性能。

五、總結與展望

目前，AR技術已經在娛樂、影視、醫療、教育等很多領域都有所應用，國內國外也已經研發了多種AR眼鏡，但現有的增強現實眼鏡價格昂貴、體積較大，不方便攜帶，用戶體驗感并不是很好，所以并沒有大范圍普及。目前AR技術已經可以與智能手機等移動設備兼容，但這些設備顯然至少需要占用使用者的一只手，會給使用者的操作與控制帶來不便，因此可穿戴設備的發展顯得尤為重要。對于可穿戴設備來講，實現緊湊輕巧的光電探測是一個亟待解決的問題。在此背景下，文章討論了AR技術目前的應用現狀、透明光電探測器的性能及目前的研究現狀，并總結了目前有希望應用于透明光電探測器的不同材料。透明光電探測器在AR中應用是一種非常具有前沿應用價值的技術，對于在穿戴者與外界環境之間構建一個虛擬與現實交互的世界具有十分重要的意義。

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