我们日常使用的智能手机和数码相机中都内置了图像传感器，它们通过识别红、绿、蓝（RGB）三种颜色来还原彩色画面。这种识别方式模仿了人眼中的视锥细胞：每种细胞对特定颜色敏感。而在图像传感器中，每个像素都会吸收特定波长的光，并将其转化为电信号。
目前，市面上绝大多数图像传感器都是采用硅作为材料而制成的。这种半导体虽然能吸收整个可见光谱的光线，但为了实现RGB成像，仍需在每个像素前安装滤光片。比如，红色像素使用的滤镜会阻挡蓝光和绿光，造成约三分之二的光被浪费。因此，传统硅传感器的光利用率较低。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队提出了一个新颖的解决方案：利用钙钛矿材料来构建图像传感器。可在低光照环境下拍摄更清晰、色彩更真实的图像，分辨率也远超传统硅传感器。这项技术不仅适用于数码相机，还可用于医学影像分析、环境监测及农业自动化等领域。
让每个光子都不再浪费
他们创新的图像传感器的基础是卤化铅钙钛矿。这种晶体材料也是一种半导体，但与硅相比，它们不仅更易于加工，而且其物理性质也可以通过调控确切的化学成分而变化。这正是研究人员在制造钙钛矿图像传感器时所利用的。
具体而言，如果钙钛矿中含有更多的碘离子，它就会吸收红光；如果在钙钛矿中添加更多的溴，它就可以吸收绿光；如果添加更多的氯，就可以吸收蓝光。
而且与传统的滤光器不同，钙钛矿像素层对其他波长的光保持透明，允许通过，因此红、绿、蓝三种像素层可以垂直堆叠在一起，而不像硅图像传感器那样像素是并排排列的。
硅图像传感器（左）：由于光传感器并非完全透明，不同颜色的像素只能以马赛克式并排排列，每个像素仅感应一种颜色。钙钛矿图像传感器（右）：钙钛矿材料对特定波长具选择性吸收，上层像素对下层波长透明，因此不同颜色的感光层可垂直堆叠。每个像素可同时测量红、绿、蓝三种颜色。在相同面积下，钙钛矿图像传感器理论上可捕获三倍于传统硅传感器的光线，同时实现三倍的图像分辨率。（图/Sergii Yakunin / ETH Zurich/ Empa）
这种排列意味着，理论上，同样大小的以钙钛矿为基础的图像传感器，能够同时捕获三种颜色的光，提升三倍的光利用率和空间分辨率。
在早期实验中，研究团队使用毫米级单晶体构造出了“超大像素”，初步验证了钙钛矿图像传感的可行性。如今，他们首次打造出两款功能完整的薄膜钙钛矿图像传感器原型，标志着这项技术从一个粗略的概念迈向实际应用的重要一步。
虽然钙钛矿图像传感器仍处于早期发展阶段。但通过这两个原型，研究人员使用工业常见的薄膜制造工艺，实现了尺寸的小型化。与此同时，他们通过多轮实验，测试了这两种不同读数技术的原型机，并证实它们具有以下优势：
感光性显著提升；
色彩还原更为准确；
分辨率优于硅传感器；
可避免传统传感器常见的伪影（如去马赛克处理、莫尔条纹等）。
机器视觉的新选择
研究人员指出，更令人振奋的是，这种钙钛矿图像传感器的潜力远不止普通摄影，还在医学分析、农业监控、环境探测等“机器视觉”领域也大有用武之地。
传统图像传感器追求RGB成像，是因为人眼以RGB方式感知世界；但机器视觉的目标不同，常常需要超越RGB、涵盖更多波段的高光谱成像。钙钛矿材料可精确调控每层所吸收的波长，因此不仅能实现多个互不重叠的颜色通道，还能大幅减少滤光器的使用并降低后续图像处理的复杂度。相比之下，硅材料因吸光范围广，往往需搭配多个滤光器和复杂算法，效率低下、成本高昂。
研究人员表示，尽管目前的两个原型像素的尺寸在0.5到1毫米之间，远大于商业图像传感器中的像素的微米级水平，但他们相信钙钛矿具备更高的微缩潜力。
但他们也指出，钙钛矿与硅是两种性质截然不同的半导体，需要配套开发新的电子读取与信号处理系统。现在的电子接口是为硅优化的，而钙钛矿需要的是全新的技术栈。尽管挑战不少，研究团队相信，这项技术最终将催生一个更高效、色彩更真实的图像传感新时代。