论文概览
针对传统成像系统难以兼顾高光谱分辨与色彩识别的瓶颈，北京大学深圳研究生院联合西安电子科技大学创新性地提出仿生视觉融合策略：结合螳螂虾的多光谱感知能力与人脑的神经处理机制，开发出全球首款钙钛矿基智能多光谱相机。该研究通过气溶胶-液-固喷涂技术(ALS)制备出覆盖紫外-可见光谱的七通道窄带光电探测器阵列，结合深度学习颜色融合算法(MSCF-DNN)，首次实现单次拍摄捕获七通道光谱图像并精准还原RGB色彩，同时突破传统相机对同色异谱现象的识别极限。该成果以"Biovision-Inspired Perovskite Intelligent Camera for Panchromatic and Metameric Sensing"为题发表于Advanced Materials。
技术亮点
仿生视觉融合：集成螳螂虾12通道光谱感知优势与人脑神经网络处理能力，解决生物视觉"感知-处理"不可兼得难题。
钙钛矿厚膜阵列：ALS喷涂技术实现单基底七种带隙钙钛矿厚膜(1~20 μm)图案化，无需滤光片即支持紫外至近红外窄带检测。
离子迁移增强策略：过量MAI提升离子迁移率，使外量子效率(EQE)翻倍，探测器响应速度(2.22~6.44 ms)超越人眼(10 ms)。
单像素计算成像：傅里叶单像素算法绕过钙钛矿阵列集成难题，反射模式下单次采集七通道光谱图像。
研究意义
✅ 突破色彩识别瓶颈：7通道输入深度学习网络(MSCF-DNN7)将平均色差降至8.6，远优于传统RGB融合(色差>25)。
✅ 攻克同色异谱难题：多光谱感知能力精准区分光谱分布不同但人眼视觉相同的颜色，为工业检测提供新工具。
✅ 推动智能成像变革：自驱动、无滤光片设计简化系统架构，适配机器视觉、遥感与医疗成像。
✅ 验证长期稳定性：探测器在60%湿度下经500次光照循环后性能无衰减。
深度精读
图1：仿生钙钛矿智能视觉系统
该图展示了从螳螂虾复眼和人类视觉系统获得灵感的仿生视觉系统设计。图中对比了螳螂虾的12色光感受器(图1c)与人类的三色锥细胞视觉处理机制(图1d)，提出将两者优势结合的创新方案。通过气溶胶-液体-固体喷涂技术(ALS)制备的七通道窄带钙钛矿光电探测器阵列(图1e)实现了从紫外到可见光的光谱覆盖(图1g)，其光谱响应曲线刻意模仿螳螂虾的视觉特征。设计的深度学习颜色融合网络(MSCF-DNN，图1g)赋予系统人类大脑般的色彩处理能力，为后续多光谱成像奠定基础。
图2：钙钛矿厚膜可控制备方法
系统比较了传统多晶厚膜(图2a)和单晶厚膜(图2b)制备方法的局限性，重点介绍了自主研发的ALS技术(图2c)。该技术通过调控气溶胶-液体-固体三相平衡，在玻璃基底上成功图案化了七种不同带隙的钙钛矿厚膜(F1-F7)。扫描电镜(图2d,e)显示薄膜厚度可达1μm且结晶质量优异，吸收光谱(图2f)和光致发光谱(图2g)证实了带隙的精确调控能力。X射线衍射(图2h)分析表明所有薄膜均保持纯相，为窄带光电探测器阵列的构建提供了材料基础。
图3：多组分窄带光电探测器阵列
展示了p-i-n结构探测器阵列的设计(图3a)与性能优化过程。通过调控钙钛矿厚度(图3b)和引入过量MAI(图3d)，将PD3在570nm处的峰值响应提升2倍。开尔文探针力显微镜(图3e-k)揭示了过量离子迁移形成的界面电场(E_ion)可抵消内建电场(E_bi)，增强长波载流子收集。最终构建的七通道探测器阵列(图3m,n)在零偏压下实现465-785nm窄带响应(半高宽<50nm)，比探测率达1.3×10^12 Jones，响应时间快于人眼10毫秒，为后续多光谱成像提供了硬件支撑。
图4：多光谱计算成像系统
提出基于傅里叶单像素重建算法的反射式成像方案(图4a)。通过投影结构光图案(图4a,b)和探测器采集的I-M曲线，成功重建彩色蝴蝶的七通道光谱图像(图4b)。该系统绕过了传统高密度阵列集成的难题，在保持光谱分辨率的同时显著简化系统架构。各通道图像(PD1-PD7)对蝴蝶不同颜色区域表现出特异性响应，验证了系统模仿螳螂虾光谱视觉的能力，为后续颜色融合提供了多维度光谱数据基础。
图5：颜色融合与色差分析
设计的MSCF-DNN网络(图5c-e)通过增加输入光谱通道数(3/5/7通道)逐步提升色彩还原能力。对彩色面具的定量分析显示(图6)，七通道融合图像的色差(ΔE<11)显著低于三通道融合(ΔE>20)和直接RGB合并方案。特别在红、绿色区域(图6k-n)，七通道系统的色差降低幅度达50%，证实多光谱输入可有效模拟人类四色视觉(图5a)的增强色彩感知能力。
图6：同色异谱识别应用
通过北京大学校徽的模拟实验(图7c-g)验证系统破解同色异谱的能力。当两种光谱不同但RGB值相同的红色分别用于校徽图案和背景时，传统RGB合并图像(图7d)无法区分，而七通道MSCF-DNN融合图像(图7g)清晰分离二者。这归因于多光谱探测器捕获了超越三原色的光谱指纹信息，结合深度学习实现了类似螳螂虾的超凡光谱分辨力，为印刷品防伪、艺术品鉴定等场景提供新工具。
总结展望
本研究通过跨学科仿生设计，首次实现了螳螂虾光谱感知与人类色彩处理能力的有机融合。ALS技术突破钙钛矿厚膜图案化瓶颈，傅里叶单像素成像规避阵列集成难题，MSCF-DNN网络赋予系统"光谱感知-脑补色彩"的智能特性。未来可在三方向深化：①开发动态可调带隙探测器，实现自适应光谱分析;②结合神经形态芯片，构建端到端的光谱-色彩转换系统;③拓展至短波红外波段，发展"超视觉"检测技术。这种"硬件简化+算法增强"的技术路线，为医疗内窥镜、卫星遥感等需要高精度色彩还原的领域开辟了新途径。
文献来源
Li, Y., Jin, Z., Liu, Y. et al. Biovision-Inspired Perovskite Intelligent Camera for Panchromatic and Metameric Sensing. Advanced Materials (2025).
DOI: 10.1002/adma.202508984
