导读

智能机器视觉要求光电传感器必须能够对极其微弱的光强变化产生清晰、可区分的电学响应，以确保目标特征被准确捕获。然而，传统光电探测器普遍存在光响应较弱、光电流与光强呈近似线性关系等问题，难以有效放大低对比度信号中的关键差异，同时易受背景光噪声干扰，限制了其在复杂环境中的识别能力。

受人类视觉系统自适应机制的启发，中国科学院金属研究所孙东明研究团队突破传统研究思路，创新性提出了一种具有可调灵敏度的光电晶体管，其栅极结构中集成了光电二极管作为光敏层。该结构使二极管的电导能够随光强变化而调控，进而动态改变栅介质与沟道间的电压分布，从而产生显著的光响应。通过调节栅压，器件的光响应范围可以被精细调控，在抑制噪声干扰的同时保持对低对比度目标的高灵敏度。该研究成果以“Bioinspired phototransistor with tunable sensitivity for low-contrast target detection”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

智能机器视觉在精确制导、智能监控以及早期预警等关键应用场景中发挥着至关重要的作用，这些系统亟需具备高灵敏度和高可靠性的光电传感器。特别是在背景光复杂、多源干扰显著的环境下，传感器必须能够对极其微弱的光强变化做出清晰、可观且可区分的电学响应以确保目标特征被准确捕获和解析，从而维持系统整体的稳定性和识别性能。

然而，传统光电探测器通常存在光响应强度有限、光电流随光强变化呈近似线性增长等固有缺陷，这使得器件在面对亮度差异细微的目标时难以产生足够显著的电学输出，无法有效放大弱光信号中的关键细节。同时，这种线性响应机制也使探测器在复杂环境下更容易受到背景光波动或电学噪声的干扰，进一步削弱其对低对比度特征的识别能力。

在人类视觉系统中，光适应机制使眼睛能够在强光与微光之间自由切换，始终保持清晰视力（图1）。视锥细胞和视杆细胞会根据环境亮度自动调节敏感度，而感光蛋白的动态合成与分解进一步扩大了视觉系统的适应范围，使人眼可覆盖高达 160 dB 的全局动态范围，并在局部条件下保持 40 dB 的细节分辨能力。这种以“相对光强差异”为核心的自适应策略，不仅让眼睛能够轻松识别低对比度目标，也能有效屏蔽无关噪声。

图1. 人眼的光强自适应功能。

创新研究

受人眼自适应机制启发，研究团队利用二维范德华异质结构构建了一种可调灵敏度的光电晶体管。其核心工作原理在于：将一个处于反偏状态的光电二极管嵌入晶体管的栅极结构。当光照改变二极管的电导时，栅压在二极管、栅介质和沟道之间的分配会随之动态调整——光越强，越多的电压被“推”向沟道，使其由导通转为关闭，从而放大光信号并对不同光强产生截然不同的响应。通过控制栅压，器件还能人为设定“何种光强会触发响应”，从而实现类似人眼的光适应能力（图2）。

基于这一创新机制，研究团队在两方面取得关键突破。首先，在低对比度目标识别方面，器件在光强变化极小的情况下也能产生显著而可区分的电学信号，实现超过1000倍的灵敏度提升，远超传统光电探测器，并在复杂环境下保持极强的抗噪声能力（图2）。其次，在响应范围可调方面，通过改变栅压，器件可以“选择性地”对特定光强段做出响应，就像为传感器设定一个可调节的“视敏区间”，既能屏蔽无关背景光，又能突出微弱但关键的目标特征，为复杂光照下的图像采集提供了新的灵活性和精准性（图2）。

图2. 可调灵敏度光电晶体管的结构、原理与光电特性。

这项突破性技术在低对比度目标识别方面具有广阔的应用前景。基于该器件所构建的智能视觉系统成功实现了低对比度目标的精准识别与稳定检测，在复杂场景中表现出卓越的适应性和鲁棒性，展现了其在新一代智能机器视觉中的应用潜力（图3）。

图3. 复杂光照条件下的低对比度目标识别。

总结展望

本研究提出了一种基于二维范德华异质结构的可调灵敏度光电晶体管，通过将反偏光电二极管引入栅极结构，实现光强依赖的电导调控与动态电压再分布。该器件在低对比度目标识别中实现超过1000倍的灵敏度提升，并具备优异的抗噪声能力和可调光强响应范围，为复杂光照条件下的精确成像提供了有效解决方案。

未来工作可进一步拓展器件的动态范围，使其在更宽光强区间保持稳定响应，并通过材料与结构设计实现响应波长范围的调控。此外，与大规模阵列集成与边缘计算的结合将推动其在智能视觉、弱光成像和自适应传感系统中的应用，展现更广阔发展潜力。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02051-1