随着智能安防和预警系统等智能机器视觉技术的快速发展，复杂光照环境下对低对比度目标的精准识别成为亟需突破的关键问题。在实际应用中，目标与背景之间的光强差异往往极其微弱，且伴随强烈的环境光噪声，使得传统基于光电二极管或光电晶体管的探测器难以产生足够显著的电学响应，目标特征极易被噪声淹没。尽管现有的神经形态视觉器件和动态视觉传感方案可通过延长曝光时间或引入复杂电路结构提升对比度，但普遍存在响应速度受限、系统复杂度高、难以适应快速变化场景等问题。

针对上述挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研人员从人眼视觉适应机制中获得启发，提出了一种仿生可调灵敏度光电晶体管，为复杂光照条件下低对比度目标的高灵敏、抗噪声探测提供了新方案。相关研究成果以题为“Bioinspired phototransistor with tunable sensitivity for low-contrast target detection”的论文，于2026年1月2日发表在Nature旗下国际光学期刊Light: Science & Applications上。

人类视觉系统依赖视锥细胞与视杆细胞的协同作用，并通过感光蛋白的动态调节，实现对不同光强区间的自适应感知，从而在极宽的整体动态范围内仍能准确识别局部低对比度目标。受此启发，科研人员在光电晶体管中引入了一种具有自适应光响应特性的栅极光敏结构，使器件灵敏度能够随光强和外加电压动态调节，从而模拟人眼“按需感知”的工作模式（图1）。利用氧等离子体处理的MoS₂与本征MoS₂构建光电二极管，并将其引入晶体管栅极，构筑了一种新型仿生光电晶体管结构。该光敏二极管的电导率随光照强度自适应变化，进而重构栅极电压在二极管与栅介质之间的分配关系，实现对特定光强区间电学响应的显著放大（图2）。

通过调节栅压，器件可精准设定其高灵敏响应窗口，仅对目标光强范围内的微弱变化产生显著输出信号，而对无关背景光和噪声实现有效抑制。实验结果表明，该仿生光电晶体管在低对比度目标探测中展现出显著优势，其探测灵敏度较传统光电探测器提升超过三个数量级，同时具备优异的抗噪声干扰能力（图3）。在复杂光照和强背景干扰条件下，器件仍能够稳定、清晰地识别目标特征，为低对比度视觉感知提供了一种高效、紧凑的新型解决方案（图4）。

本研究由金属所孙东明研究员、刘驰研究员和成会明院士共同指导。金属所博士研究生韩如月、辽宁大学贾大宇副教授、金属所李波副研究员和冯顺副研究员为共同第一作者，贾大宇副教授开展了机器视觉系统的仿真设计工作，山西大学/辽宁材料实验室韩拯教授在器件制备方面提供了重要支持。

该成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、辽宁省科技厅、金属所及沈阳材料科学国家研究中心等多个项目与机构的资助。

图 1.仿生可调灵敏度光电探测器。a 人眼视网膜通过光适应机制在不同光照条件下实现高效视觉感知。视杆细胞和视锥细胞可根据环境光强动态调节自身灵敏度，从而在强光与弱光条件下均保持良好的感知能力。b 视网膜、传统光电探测器与仿生光电探测器的光响应特性对比。视网膜和仿生光电探测器能够突出目标与背景之间的相对光强差异，并有效抑制无关噪声；而传统光电探测器由于灵敏度固定、响应关系单一，难以对低对比度目标进行有效识别。

图2.可调灵敏度光电晶体管的结构与工作特性。a 可调灵敏度光电晶体管的结构示意图，由MoS₂场效应晶体管与光电二极管集成构成。其中，h-BN同时作为介电层和保护层，石墨作为接触电极与栅极。b,c 器件关键异质结构的截面高分辨透射电镜图像，表明各功能层之间界面清晰、结构完整。d,e 氧等离子体处理前MoS₂中元素组成的变化，验证了光电二极管的形成。f,g 器件在暗态与光照条件下的能带结构示意图，展示了光照引起的电学调控机制。h 器件等效电路示意图。i 器件在暗态及不同光强照射下的转移特性曲线，表明其光响应可随光强和栅压实现有效调控。

图3.可调灵敏度光电晶体管的光电性能。a 器件在不同光强和不同栅压条件下的光响应行为，表明其光电响应可通过栅压进行有效调控。b 不同栅压下器件电流随入射光强变化的关系，显示出对特定光强区间的增强响应特性。c 可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管在不同光强条件下的电流变化对比，表明该器件能够放大目标光强变化并抑制无关背景信号。d 可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管在不同光强条件下的响应度对比，显示其在低光强和低对比度条件下具有显著优势。

图4.低对比度目标的稳健识别能力。a 集成可调灵敏度光电晶体管阵列的智能机器视觉系统示意图。b 采用传统光电晶体管阵列与可调灵敏度光电晶体管阵列进行成像的对比结果，显示后者在低对比度条件下能够更清晰地突出目标特征。c 在不同平均对比度条件下，可调灵敏度光电晶体管与传统光电晶体管的识别准确率对比，表明前者在复杂光照环境中具有明显优势。d 在椒盐噪声干扰条件下的识别结果对比，显示可调灵敏度光电晶体管在强噪声环境下仍保持较高的识别鲁棒性。

——像人眼一样智能：金属所发明“会调灵敏度”的光电探测器

你是否曾在烈日下看不清手机屏幕，或者夜晚被对面车灯晃得睁不开眼？这时我们的眼睛会自动调节灵敏度，让我们在强光或弱光下都能看清东西。现在，科学家们让机器也拥有了这种能力。

最近，中国科学院金属研究所的科研团队受人类视觉系统启发，研发出一种新型光电探测器，它能像人眼一样根据环境光线自动调节灵敏度，专门用于识别那些与背景差异极小的“隐形”目标。这项研究成果已发表在光学领域顶级期刊《Light: Science & Applications》上。

 为什么要研究这个？

在许多重要领域，识别低对比度目标至关重要：

· 智能驾驶：识别大雾、暴雨或强逆光环境下的行人、障碍物

· 医学影像：从背景噪声中提取微弱的病变信号

· 工业检测：发现产品表面细微的瑕疵或缺陷

传统的光电探测器有个“死板”的问题：它们对所有光线的反应是固定的。在光线复杂的环境下，目标与背景的亮度差异很微弱，而环境噪声又很强，就像在喧闹的派对上听清轻声细语一样困难。

现有的一些技术方案要么反应太慢，要么需要复杂的电路系统，难以满足实时快速探测的需求。

 人眼的智慧：我们的视觉系统如何工作？

人类视觉系统的精妙之处在于它的“自适应”能力：

· 双重感光系统：视锥细胞负责明亮环境下的彩色视觉，视杆细胞负责暗光下的黑白视觉

· 动态调节：瞳孔大小自动变化，感光细胞的敏感度也会调整

· 局部适应：不同区域的眼睛组织可以独立适应不同的亮度

正是这种智能调节机制，让我们既能看清阳光下的细节，也能适应夜晚的昏暗，甚至在复杂光线下分辨微弱的对比差异。

 科学家是怎么模仿人眼的？

研究团队设计了一种创新的“仿生光电晶体管”，它的核心是一种可调节的“光敏门控”结构：

1. 智能光敏层：使用特殊处理的二硫化钼材料制成光敏二极管

2. 自适应调节：这个光敏层的导电性会随光照强度自动变化

3. 精准控制：通过外加电压，可以设定探测器对哪个亮度范围最敏感

简单来说，这个器件就像一个有“智能滤镜”的相机：

· 如果你要探测暗处的微弱目标，它就调高对弱光的敏感度

· 如果背景太亮，它就降低对强光的敏感度，只关注目标所在亮度范围

· 整个过程自动、快速完成，不需要复杂的计算或控制电路

 这项技术有多厉害？

实验结果显示，这种新型探测器在低对比度目标识别方面表现突出：

· 灵敏度极高：比传统光电探测器高出1000倍以上

· 抗干扰能力强：在强背景噪声下仍能稳定工作

· 响应速度快：能适应快速变化的光照环境

· 结构紧凑：不需要复杂的附加电路，易于集成

 这将如何改变我们的生活？

这项技术的应用前景十分广泛：

· 更安全的自动驾驶：让汽车在极端天气和光线条件下“看得更清”

· 更精准的医疗诊断：帮助医生从复杂影像中发现早期病变迹象

· 更智能的安防监控：在复杂环境下可靠识别潜在威胁

· 更先进的机器人视觉：让工业机器人能完成更精密的检测任务

研究团队表示，这种仿生设计思路不仅解决了低对比度目标探测的难题，也为未来智能感知器件的发展提供了新方向。随着技术的进一步成熟，我们有望在各种智能设备中看到类似的“仿生视觉”技术，让机器真正学会“像人一样看世界”。

这项研究展现了跨学科创新的力量——从生物学获得灵感，用材料科学实现功能，最终服务于广泛的工程应用。科学与自然之间的这种对话，正在推动着技术的一次次飞跃。

 声明：“AI读进展”内容由人工智能技术自动生成，其内容旨在辅助读者初步了解相关领域研究动态，不代表中国科学院金属研究所正式学术观点或完整研究成果，不作为学术论证依据。