我们每天使用的智能手机和数码相机中，几乎都内置了图像传感器，它们的作用是“看见”世界、捕捉光影，并将画面转化为数码图像。这些传感器识别颜色的方式，其实和我们人眼相似：人眼通过视网膜中的红、绿、蓝三种感光细胞（也叫锥体细胞）来识别颜色；图像传感器的每一个像素点，也分别捕捉红光、绿光和蓝光，然后转化为电信号。
目前，大多数图像传感器采用的是硅材料。硅能吸收可见光谱中的所有颜色，但在实际应用中，每个像素都要加上一层颜色滤光片。例如，为了捕捉红色，就必须用滤镜屏蔽掉蓝色和绿色的光。这样一来，每个像素只能利用大约三分之一的光，其他的都被“浪费”了。
全光利用的新突破：堆叠式像素
为了解决这个问题，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和瑞士联邦材料实验室（Empa）的研究团队，提出了一种全新的图像传感器方案。他们的核心材料是“钙钛矿”（perovskite）——一种可以用于制造太阳能电池和其他光电器件的新型晶体半导体。相比硅，钙钛矿不仅更容易加工，而且只需调整其化学成分，就能吸收特定颜色的光。
研究人员发现，如果在钙钛矿中加入更多的碘元素，它就会吸收红光；加入溴，就能吸收绿光；加入氯，则能吸收蓝光。更重要的是，这些钙钛矿材料对其它颜色的光是透明的——这意味着，红、绿、蓝三个像素可以像“夹心饼干”一样堆叠在一起，而不必像传统传感器那样横向排列。每一层只吸收它需要的颜色，其余光线会透过继续下行。
这种结构不仅节省空间，还能让每个光子都被充分利用，理论上能带来三倍的光敏度和三倍的图像分辨率。
图：打破硅限制，钙钛矿传感器迈出商业化关键一步
原型机初步成功，迈向实际应用
早些年，研究团队已经在实验中用毫米级的大颗粒钙钛矿晶体验证了这种设计的可行性。现在，他们首次成功制造出了两款薄膜型原型图像传感器，不再只是“概念验证”，而是距离实际应用又前进了一大步。
虽然这两款原型传感器的像素仍较大（约0.5至1毫米），但团队表示，凭借成熟的薄膜制造工艺，未来将可以继续缩小像素尺寸，与现有商用图像传感器（像素在微米级）接轨，甚至做到比硅更小。正如电子元件发展的规律一样，最初的晶体管也是大块材料，而现在已经可以微缩到纳米级。
目前，研究团队还在优化像素读取和连接的电路结构，因为现有电子读取系统是为硅设计的，不适用于钙钛矿的材料特性。但他们相信这些技术难题是可以逐步攻克的。
应用前景广阔，不止是拍照
钙钛矿图像传感器的用途远不止于手机和相机拍照。由于它可以通过化学调整灵活选择吸收的光波长，因此特别适合“机器视觉”和“高光谱成像”等高端应用场景。
与人眼三原色（红绿蓝）不同，机器在特定任务中可能需要感知更多或不同波段的光，比如用于农业监测、环境检测、医疗成像等。而钙钛矿传感器可以定制多个“颜色通道”，每一层吸收的波段都清晰可控，避免了像硅那样需要依赖大量滤光片和复杂算法处理，效率更高、系统更简洁。
未来可期：高灵敏、高分辨、更智能的“新眼睛”
在多项实验中，研究人员验证了钙钛矿传感器在光敏度、色彩还原和分辨率方面的显著优势。此外，由于每个像素能完整采集所有颜色信息，还能减少数码成像中常见的问题，例如马赛克效应和莫尔条纹。
下一步，团队将继续推动像素微缩化，并改善电子读出系统，为钙钛矿图像传感器走向商用铺平道路。未来，它不仅可能成为智能手机、数码相机的新标配，还将在医疗、环保、农业等领域，成为机器“看见世界”的更智慧之眼。
