非接触式用户界面通常依赖近红外相机捕捉手势动作，然而，相机识别的范围十分有限并且需要高精度校准，这些因素限制了其在实际生活中的广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，日本和荷兰的研究团队开发了一种视觉透明的近红外有机图像传感器，并将其集成到商用显示器前方。进而可以通过近红外笔灯和手势进行控制，实现了非接触式用户界面。作为一种创新型无接触交互方案，该系统有希望应用于自动取款机、电子标牌和交互式白板等多种场景。相关研究成果以“A touchless user interface based on a near-infrared-sensitive transparent optical imager”为题，发表在Nature Electronics期刊上，其通讯作者为旭化成株式会社（Asahi Kasei Corporation）的Takeshi Kamijo和荷兰应用科学研究组织（TNO）霍尔斯特中心（Holst Centre）的Albert J. J. M. van Breemen。
图1a展示了该有机光电探测器（OPD）的器件结构。研究人员选择了能级匹配良好的PCE-10和IEICO-4F作为光活性层材料（图1b和1c）以确保对近红外光的有效探测。为了在整个面向用户的器件区域内实现高可见光透过率（VLT），研究团队采用了铜栅透明电极（TCE）（图1d和1e），并制备了图案化平行排列的OPD像素阵列（图1f和1g）。通过这种设计，图像传感器不仅保持了高效的近红外光检测性能，还显著提升了VLT，可以满足ATM等多种显示应用的需求。
图1 （a）近红外感应OPD器件结构；（b）活性层化学结构；（c）OPD器件能级和功函图；铜栅透明电极的（d）俯视图；（e）显微图像；图案化平行排列OPD像素阵列的（f）示意图；（g）显微图像。
铜栅和图案化OPD的设计和优化主要依赖于电子光学建模。研究人员首先利用数值电光模拟和二维有限元建模对不同方案下的EQE（外量子效率）进行模拟。通过将不同铜线宽度和间距下OPD的模拟EQE数据与实验EQE数据进行对比（图2a），可以发现EQE模拟总体上很好地再现了实验结果。当线宽为1 μm时，铜线最佳间距为10-20 μm。此外，研究人员又构建了一个光学透射预测模型来探究VLT和像素响应之间的最佳平衡。通过Setfos 5.2软件模拟每个组件的光学透射，并根据填充因子加权求和，从而计算出整个阵列的VLT。图2b表明实验结果与计算的整体光学透射率同样非常吻合，VLT值达到64%，显著高于非图案化OPD。图2c表明最终优化后的铜栅设计（铜线宽1 μm，间距20 μm，子像素间距240 μm）使VLT达到了约70%，同时保持了较高的有效光电转换面积和EQE，非常适合作为非接触式用户界面集成在显示屏上。
图2 （a）OPD的模拟EQE和实际EQE与铜线间距的关系；（b）图案化OPD、非图案化OPD的光学透过率与波长的关系和图案化OPD的模拟光学透过率；（c）铜栅间距为10 μm和20 μm时VLT与OPD子像素间距的关系。
为了研究优化后OPD的探测性能，研究人员首先测试了最优铜栅设计下传感器的近红外感应特性，发现该OPD在–2 V偏压下的暗电流密度（Jdark）仅为1.8 × 10⁻⁶ mA cm⁻²，与先前报道的同类器件相比毫不逊色。在光强为0.28 mW cm⁻²的850 nm光照下，光电流密度（Jphoto）达到8 × 10⁻²mA cm⁻²，比Jdark高出四个数量级，显示出良好的二极管特性。如图3b所示，该OPD对850 nm近红外光在200 nW cm⁻²至0.8 mW cm⁻²的光强范围内具有良好的线性光响应特性，这对非接触式用户界面的实际应用非常有利。因为线性的光电流响应不仅可以用于二维控制（即显示屏的平面内方向），而且还能实现深度控制（即显示屏的平面外方向）。图3c和3d分别显示了–2 V偏压下，EQE和光谱响应度（SR）随波长的变化。该OPD在850 nm处的EQE高达36%，940 nm处为25%，对应的SR值分别为0.25 A/W和0.19 A/W。值得注意的是，850 nm是人体皮肤反射率最高的波长之一（30–70%），本文在该波长下的EQE值也是文献中报道的最高值之一。最终，该器件在850 nm和–2 V偏压下取得1.1 × 10¹² Jones的比检测率，证明了其卓越的探测器性能。
图3 （a）在黑暗和光照条件的J–V曲线，插图显示了在离散偏压下通过静态测量重建的 J-V曲线；（b）–2 V偏压下光电流密度（Jphoto）–暗电流密度（Jdark）与光强的函数关系；（c）–2 V偏压下测量的EQE；（d）–2 V偏压下测量的光谱响应度和探测率。
为了最终实现高灵敏度的非接触式界面，如图4a所示，研究人员开发了一个总面积为9.7 × 9.7 cm²的视觉透明的16 × 16级别OPD阵列，每个OPD主像素包含14 × 14个平行排列的子像素，其中每个子像素的有效面积为50 × 50 µm²，最终每个主像素的总光活性层面积达到0.49 mm²，实现了每英寸4.2个像素的分辨率，与商用投射电容式触摸屏相当。为了确保每个像素都能单独电气连接，研究人员在接合焊盘上放置了读出集成电路，并在传感器区域顶部贴了一层光学透明的阻隔膜以防止器件受潮降解。图4b展示了安装在笔记本电脑显示屏前的OPD阵列照片，可以看到在高VLT下，屏幕可视性几乎没受到影响。图4c表明在–2 V偏压下，光电流密度与850 nm近红外光强度呈线性关系，电流密度在10到90 µW/cm² 范围内线性增加，对应的电流密度范围为0.3 × 10⁻²至2.7 × 10⁻² mA/cm²。图4d表明传感器暗响应和光响应均呈现窄高斯分布，显示出传感器良好的均匀性和一致性。从图4e中可以看到，图像传感器对850 nm光脉冲（强度46 µW/cm²，持续时间50毫秒）的瞬态光电流响应表现出快速且稳定的特性，上升时间和下降时间分别为2.4 ms和2.8 ms。这些结果证明了该有机图像传感器不仅具备优异的成像质量和高灵敏度，还具有快速响应能力和高度一致的性能，非常适合用于高精度的非接触式用户界面应用。
图4 （a）近红外感应OPD阵列示意图；（b）视觉透明的近红外感应OPD阵列在笔记本电脑显示器前的照片；（c）–2 V偏压下OPD阵列像素电流密度与光强的函数关系；（d）OPD阵列的像素电流密度直方图；（e）–2 V偏压下OPD阵列的瞬态光电流响应。
接下来展示了两个基于该非接触式用户界面的实景应用。研究人员首先展示了一个使用近红外发光笔灯的非接触式用户界面（图5a-d）。视觉透明的非接触式用户界面被放置在160 ppi的笔记本电脑显示屏前（图5a），通过近红外发射笔进行非接触控制，可以灵敏的实现平移屏幕、放大或缩小等动作。此外，研究人员还展示了基于近红外LED的手势识别功能的非接触式用户界面（图5e-h），该LED灯集成在相机周围，可以捕捉手指反射的近红外光进行成像。手指位置信息提取方法与笔灯演示类似，信噪比可以达到56 dB，位置精度达到0.65 mm（约4个像素），同样适用于商用160 ppi笔记本电脑显示。这些演示证明了该技术不仅能够提供高效、精准的非接触式交互体验，还能保持良好的光学透明性和图像质量。
图5 （a-d）使用近红外发射笔灯的非接触式用户界面演示；（e-h）使用手势识别的非接触式用户界面演示。
综上所述，这项研究报道了一种溶液加工、大面积且视觉透明的近红外有机图像传感器，并将其应用于商用显示器顶部的非接触式用户界面，实现了非接触式交互。研究人员利用铜栅透明导电电极和196个图案化平行阵列的OPD子像素，实现了高达70%的可见光透过率和优异的探测器性能。通过将这种透明近红外感应图像传感器集成到商用显示器前，实现了同时支持笔灯控制和手势控制的非接触式用户界面。这项技术作为一种创新的非接触交互解决方案，非常有希望应用于自动取款机、电子标牌和交互式白板等多种场景。
https://doi.org/10.1038/s41928-023-00970-8
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