基于手势控制的非接触式用户界面通常依赖于近红外摄像头。然而，这类系统往往受到其有限的视场和高精度校准要求的限制。
据麦姆斯咨询报道，近日，日本旭化成集团（Asahi KASEI）、荷兰应用科学研究院霍尔斯特中心（TNO at Holst Centre）和荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）的联合科研团队在Nature Electronics期刊发表了以“A touchless user interface based on a near-infrared-sensitive transparent optical imager”为主题的论文。该论文第一作者为旭化成集团Takeshi Kamijo，通讯作者为Takeshi Kamijo和霍尔斯特中心Albert J. J. M. van Breemen。
这项研究工作的论文报道了一种基于视觉透明的近红外敏感有机光电探测器（OPD）阵列传感器的非接触式用户界面，可用于显示器的屏幕前方。光学透明度是通过利用印刷铜栅格作为底部透明导电电极（TCE）和图案化有机光电探测器子像素阵列来实现的。电光建模用于优化图像传感器的设计，从而在850 nm处获得10¹² Jones的光电探测率，高达70%的可见光透射率（VLT）。研究证明，当与商用显示器相结合时，该图像传感器可用作发光笔控制和手势控制的非触摸式用户界面。
图1 非接触式用户界面演示
视觉透明的近红外敏感OPD
研究人员使用了倒置的OPD堆叠（如图2a），该堆叠基于300 nm的光敏薄膜，槽模涂覆于印刷铜栅格TCE（70-120 nm）电极顶部，其具有非晶铟镓氧化锌（a-IGZO）电子传输层（16 nm）和SU8边缘覆盖层（1.8 µm）。OPD层通过光刻进行图案化处理，以实现高光学透明度。
图2 视觉透明的近红外敏感OPD
该研究接下来讨论了铜栅格和图案化OPD设计对光学透射率的影响及其设计优化。
近红外OPD的电光模拟与设计规则
为了优化该印刷铜栅格TCE的近红外敏感OPD的性能，研究人员利用数字电光与2D有限元建模（FEM）测量相结合的方法进行了外部量子效率（EQE）模拟。OPD子像素阵列的填充因子是VLT与像素响应之间的权衡。为了在16 × 16 OPD阵列中设计出单独可读像素的最优并行OPD子像素阵列，研究人员建立了光学透射率预测模型。通过将平行OPD子像素阵列划分为三个简化组件来建模：（1）不含铜线的光敏堆叠；（2）非光敏堆叠，即不含铜线的平行阵列开放区；（3）印刷铜线。相关模拟结果如图3所示。
图3 通过电光建模优化非接触式用户界面中离散OPD和OPD阵列设计
离散近红外敏感OPD
随后，研究人员使用具有最优铜栅格和OPD子像素设计的离散近红外敏感OPD来测量OPD的性能，相关结果如图4所示。
图4 离散近红外敏感OPD的特性
近红外敏感OPD阵列的制备与表征
为了实现视觉透明的近红外敏感16 × 16 OPD阵列，研究人员针对16 × 16阵列中的每个OPD主像元，实现了一个14 × 14并行OPD子像元阵列。每个OPD子像素的有效面积为50 × 50 µm²，OPD子像素间距为240 µm。每个主像元的总光敏面积为0.49 mm²。图5a展示了在笔记本电脑显示器前放置OPD阵列的照片，清晰显示了高VLT（约为70%），这几乎不会影响显示器的可视度。该图像传感器通过测量整个像素阵列上光响应的线性度以及暗响应与光响应的一致性来表征，相关结果如图5b至图5d所示。
图5 视觉透明的近红外敏感OPD阵列的制备与表征
技术应用演示：
（1）近红外发光笔非接触式用户界面：
首次技术应用演示时，研究人员展示了使用近红外发光笔的非接触式用户界面（如图6a至图6d）。将该透明的图像传感器置于160 ppi的笔记本电脑显示器前（如图6a）。鉴于该传感器的高VLT，显示可视度几乎没有受到损失。
（2）手势识别非接触式用户界面：
接下来，研究人员演示了使用手势识别的非接触式用户界面（如图6e至图6h）。在这种情况下，近红外发光二极管（LED）集成于该图像传感器的周围。将该组件再次置于160 ppi笔记本电脑显示器前（如图6e）。手势是通过捕捉手指（被近红外光发光LED所照射）所反射的近红外光来成像识别的。其概念在图1e中有直观展示。
图6 非接触式用户界面演示视频中的静态图像
综上所述，该研究报道了一种溶液处理的大面积、视觉透明的近红外敏感OPD阵列传感器，可用于非接触式用户界面应用的商用显示器屏幕前方。通过利用线宽1 μm的印刷铜栅格TCE，以及基于196个图案化50 μm的OPD子像素并行阵列的近红外敏感OPD，实现了良好的透明度。EQE模拟用于确定铜栅格的设计，在850 nm处EQE值达到36%。该研究的离散子像素具有低暗电流密度（约为10⁻⁶ mA/cm²），在850 nm处的探测率约为10¹² Jones。利用并行OPD子像素阵列的光学建模优化了16 × 16图像传感器设计，最终达到约70%的VLT以及最大的总光敏器件面积，从而实现高信号输出。研究人员展示了透明近红外敏感图像传感器，当集成于商用显示器前时，可用于发光笔和手势控制的非触摸式用户界面。该方法基于可扩展的平板显示器兼容制造工艺，这将有助于促进该技术的应用。该技术适用于如自动取款机（ATM）、电子标牌和交互式白板等各类显示应用，无尺寸限制和校准要求。
这项研究是在霍尔斯特中心与旭化成集团之间的联合开发项目的框架内进行的，由旭化成集团资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-023-00970-8
