摘 要：AR技術(shù)能夠?qū)⑻摂M的世界帶到現(xiàn)實生活中來，自出現(xiàn)以來就一直備受關(guān)注，近幾年來更是迅猛發(fā)展。目前AR技術(shù)已經(jīng)可以與智能手機等移動設(shè)備兼容，但這些設(shè)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(shè)備的發(fā)展顯得尤為重要，在穿戴者與外界環(huán)境之間利用透明光電探測器構(gòu)建一個虛擬與現(xiàn)實交互的世界，是一種非常具有前沿應(yīng)用價值的技術(shù)。文章簡要介紹了AR技術(shù)目前的發(fā)展及應(yīng)用狀況、透明光電探測器在AR中的應(yīng)用機理、現(xiàn)狀及趨勢。

　　關(guān)鍵詞：AR技術(shù);透明光電探測器;可穿戴

　　一、引言

　　AR技術(shù)，即增強現(xiàn)實技術(shù)，將數(shù)字內(nèi)容疊加在用戶對現(xiàn)實世界的看法上[1]，并將融合后的場景呈現(xiàn)給用戶[2]。AR技術(shù)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(xiàn)實要努力實現(xiàn)的不僅是將圖像實時添加到真實的環(huán)境中，還要能夠更改這些圖像以適應(yīng)用戶的頭部及眼睛轉(zhuǎn)動，以便圖像始終在用戶視角范圍內(nèi)，增強現(xiàn)實系統(tǒng)正常工作需要頭戴式顯示器、跟蹤系統(tǒng)及移動計算能力三個組件。開發(fā)人員的目標是將這三個組件集中到一個單元中，放置在設(shè)備中，該設(shè)備能以無線方式將信息轉(zhuǎn)播到類似于普通眼鏡的顯示器上[3]。目前國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了多種AR眼鏡，如微軟的HoloLens和Meta2，Google推出的Bose AR眼鏡等。但現(xiàn)有的增強現(xiàn)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(fā)緊湊和輕便的光電檢測元件，這些元件將用于從周圍環(huán)境收集各種光學(xué)信息，并且這些檢測器應(yīng)該是人眼無法察覺的，允許在觀眾和外界之間創(chuàng)建透明的光學(xué)接口，以優(yōu)化用戶體驗[4]。

　　二、AR技術(shù)進展

　　近年來隨著科技的不斷進步，增強現(xiàn)實技術(shù)在軍事、文化、教育、建筑、醫(yī)療、娛樂、影視中都有所應(yīng)用。AR技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，剛開始加入到AR技術(shù)研究中的有北京理工大學(xué)，其研發(fā)的“數(shù)字圓明園”，就是利用AR技術(shù)將圓明園的遺址廢墟和當(dāng)年未破壞前的場景結(jié)合，用立體顯示技術(shù)真實地再現(xiàn)圓明園原來的場景[5]。

　　AR技術(shù)與智能手機等移動設(shè)備的結(jié)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(xiàn)實技術(shù)，讓用戶在使用導(dǎo)航的時候，只需要將攝像頭對準街道，屏幕上就會出現(xiàn)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(fā)布了其新產(chǎn)品華為P40，值得一提的是，致力于構(gòu)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(jù)手機攝像頭的每一幀實時影像，通過內(nèi)置運動傳感器數(shù)據(jù)的配合及其強大的運算處理能力，在100毫秒內(nèi)完成厘米級位置計算和高精度姿態(tài)估算，并在攝像頭開啟狀態(tài)下持續(xù)計算手機自身的實時空間位置與姿態(tài)。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(xiàn)，讓我們以全新的角度看待世界、看待歷史[6]。

　　在醫(yī)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(yè)亮風(fēng)臺在春節(jié)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(xiàn)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(shè)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(xiàn)智能化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理與追蹤[7]。

　　三、透明光電探測器在AR中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　隨著5G時代的到來，增強現(xiàn)實技術(shù)的影響相比于其他領(lǐng)域顯得更為重要。目前AR技術(shù)已經(jīng)可以與智能手機等移動設(shè)備兼容，但這些設(shè)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(shè)備的發(fā)展就顯得尤為重要。而對于可穿戴設(shè)備來講，實現(xiàn)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(huán)境之間利用透明光電探測器構(gòu)建一個虛擬與現(xiàn)實交互的世界，是一種非常具有前沿應(yīng)用價值的技術(shù)[1]。

　　增強現(xiàn)實、可穿戴及傳感等新興技術(shù)的發(fā)展，要求開發(fā)緊湊和輕便的光電檢測元件，這些元件將用于從周圍環(huán)境收集各種光學(xué)信息，并且這些檢測器應(yīng)該是人眼無法察覺的，且允許在觀眾和外界之間創(chuàng)建透明的光學(xué)接口，以優(yōu)化用戶體驗。另外，檢測器應(yīng)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(tài)和相位，特別是光譜偏振檢測器設(shè)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(tǒng)中的智能像素。受人類視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，算法光譜學(xué)越來越流行，在這種算法中色彩感應(yīng)元件沒有濾鏡，而顯示的是寬的重疊光譜響應(yīng)度曲線。例如，視網(wǎng)膜中的錐形感光細胞，通過學(xué)習(xí)以及積累經(jīng)驗，大腦可以利用視錐細胞光譜響應(yīng)的重疊來區(qū)分細微的色差(即強度和波長)，如果光譜響應(yīng)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(dāng)前希望將檢測器放置在透明光學(xué)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(dǎo)體納米線(NWs)非常適合實現(xiàn)微型光譜偏振計，它們提供方便的電荷提取并支持光學(xué)Mie共振[8-9]，可用于調(diào)整其光譜和偏振相關(guān)的吸收[10]。基于這方面知識，有可能實現(xiàn)在紅色、綠色和藍色中具有重疊的響應(yīng)度的顏色和偏振敏感檢測像素。

　　四、當(dāng)前有希望應(yīng)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(dǎo)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(xué)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(jié)晶性WSe2膜的柔性、透明、穩(wěn)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(jié)構(gòu)，該器件在可見光范圍內(nèi)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(yīng)特性，包括超寬帶檢測光譜范圍(370～1064 納米)，可逆光響應(yīng)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(shù)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(xiàn)出獨特的開關(guān)性能和出色的響應(yīng)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(shè)備中具有潛在的應(yīng)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(dǎo)體。CuMO2的p型電導(dǎo)率源自銅鐵礦結(jié)構(gòu)中Cu陽離子的+1價，它們在透明光電器件中的應(yīng)用引起了極大的關(guān)注。例如，透明的p-n結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體，具有出色的光響應(yīng)。[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(dǎo)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(gòu)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(shù)而成為一種有效的光吸收材料。W.Feng等通過簡單的固態(tài)反應(yīng)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(xiàn)出敏感的反應(yīng)。在490納米的光照下，光電探測器的響應(yīng)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(xiàn)出可重復(fù)且穩(wěn)定的響應(yīng)。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(jié)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(dǎo)體，在UV區(qū)域具有出色的光敏特性，但在可見光區(qū)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(zhì)結(jié)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(shè)備顯示出非常窄的光譜響應(yīng)。此外，同質(zhì)結(jié)光電探測器顯示出非常長的可靠性和穩(wěn)定性。該器件的響應(yīng)性表明，5個月后幾乎沒有退化，這證明ZnO p–n同質(zhì)結(jié)器件是長期無人值守的良好選擇。

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