近日，南方科技大学微电子学院周菲迟团队联合哈工大（深圳）徐成彦、秦敬凯团队在可调景深三维视觉仿生眼取得重要突破，相关成果以《具有可调景深三维视觉功能的超高密度波导耦合型神经形态仿生眼》（A neuromorphic bionic eye with ultradense waveguide-coupled pixels for depth-tunable 3D vision）为题发表于《自然传感》（Nature Sensors）。该研究开发了基于超高密度波导耦合型像元的神经形态人工眼系统，打破了传统探测器中感光面积和探测灵敏度之间的制约关系，并实现了高质量空间成像和预处理功能的高效集成，为智能视觉传感技术的发展提供了新方案。
人眼视网膜不仅具有曲面结构以降低光学像差，还能通过突触可塑性对视觉信号进行预处理，从而实现高效的信息感知。受此启发，模拟人眼结构与功能的神经形态器件及曲面仿生视觉系统，为实现高性能机器视觉提供了重要途径。但大多数研究均聚焦于二维平面光电突触器件的开发，其较大的面积开销限制了像元的高密度集成，难以同时兼顾高灵敏光探测和高密度集成。此外，仿生视觉系统通常采用固定曲率结构，无法匹配可调焦镜头在不同焦距下产生的弯曲像面，制约了其在宽视场、低像差成像以及高质量三维视觉感知中的应用。
团队设计开发了一种基于超高密度波导耦合型像元的神经形态人工眼系统，通过在垂直排列的SU-8微柱波导表面同轴集成InNx感算一体神经形态视觉器件，构筑了模拟生物视网膜感光细胞结构和功能的一维像素单元。得益于波导结构增强的光－物质相互作用和扩展的轴向吸收长度，表面InNx器件的光吸收效率在极小面积开销下得到了大幅提高，突破了传统光电探测器中像素密度与探测灵敏度之间的限制。基于该像素结构，团队实现了最高约1014 Jones的比探测率和7000 PPI（每英寸像素数）的集成密度，其像元集成密度超过了人眼视网膜感光细胞密度约一个数量级。基于InNx内部天然的N空位等缺陷产生的持久光电导效应，器件实现了对生物突触可塑性的模拟。在此基础上，团队构建了以垂直波导耦合型像元阵列为核心的曲率可调神经形态人工眼系统。不同于传统固定曲率的人工眼无法随调焦过程动态匹配像面的限制，该系统能够根据成像距离主动调节传感器曲率，使探测面与光学焦面在宽成像范围内保持匹配，从而实现低像差、高质量三维视觉成像，其具有110°的宽视场和45.7%的场曲校正率。结合器件内信号处理能力与动态像差补偿机制，该系统不仅能够通过感内去噪提升人工神经网络图像识别精度，还实现了96.1%高精度三维空间运动跟踪与轨迹重构功能，为智能机器人和交互式人工智能系统提供了全新的仿生视觉解决方案。
波导耦合型像元及其神经形态人工眼
南方科技大学周菲迟副教授、哈工大（深圳）徐成彦教授、秦敬凯教授为论文共同通讯作者。南科大访问学生、哈工大（深圳）博士研究生黄沛禹和南科大博士后江碧怡为论文共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划等项目支持。
