自适应隧穿光电二极管：让相机在明暗反差大的场景中看清物体

准确感知极端明暗反差环境（如强阳光直射与阴影共存）对自动驾驶、智能监控和机器人等智能系统至关重要。现有高动态范围（HDR）成像方案主要依赖软件算法（如多张不同曝光图像融合）或硬件手段（如机械快门调控），但普遍存在响应慢、运动拖影、功耗高、适应性差等问题。本文提出一种“硬件前置”的全新思路：将HDR功能直接集成到图像传感器的光电探测器中。研究人员基于PbTe/AlOx/Si异质结设计了一种可电调谐的隧穿光电二极管。通过施加不同电压，该器件可在三种工作模式间快速切换：光伏-直接隧穿（PV+DT）、光电导-直接隧穿（PC+DT）和光电导-福勒-诺德海姆隧穿（PC+FNT）。每种模式对应不同的感光灵敏度区间——低光、中光和强光，从而实现动态范围（DR）从80 dB、63 dB到32 dB的连续可调，整体覆盖高达150 dB。实测显示，该器件模式切换仅需34–85微秒，远快于传统HDR相机1–2秒的成像周期。在模拟夜间行车强眩光场景（照度跨度超120 dB）中，使用该传感器获取的三组低动态范围图像经融合后生成HDR图像，再输入标准目标检测模型Detectron2进行识别，对行人和车辆的分类置信度均超过91%，显著优于单一模式或普通HDR图像。此外，研究团队还构建了8×8像素阵列，并设计了基于光强频谱特征的自适应偏压选择电路，能根据环境亮度自动匹配最优工作模式。该技术将HDR处理从后端计算转移到传感器前端，不仅避免了图像处理延迟与运动伪影，还大幅降低了系统计算负担、能耗与数据存储需求，为下一代紧凑型、低功耗、高可靠性的智能视觉硬件提供了新路径。