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15
2025
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北理工研发CMOS红外上转换人工视觉系统，实现超高清短波红外和中波红外成像
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在自然界残酷的生存法则中，蛇类拥有一项独特的“超能力”。凭借其特殊的感官——“颊窝器官”，蛇类能够探测红外辐射，这使得它们即使在伸手不见五指的黑夜，也能生成猎物的“热图像”，实现精准捕猎。
图1 受蛇类启发的红外可视化人工视觉
这种生物进化的智慧，长期以来一直是科学家们梦寐以求的视觉能力。在人类社会，无论是夜视侦察、自动驾驶，还是工业检测，都渴望拥有一双能穿透黑暗、雾霾的“红外眼”。然而，现有的高性能红外成像系统往往面临着巨大的技术门槛。目前的人工视觉系统主要局限于0.4-0.78 µm的可见光波段。想要探测更长波长的短波红外（SWIR）甚至中波红外（MWIR）波段，通常需要昂贵的半导体材料（如InGaAs或HgCdTe）以及复杂的低温制冷系统，以抑制材料在室温下产生的巨大暗电流噪声。这导致红外成像设备体积笨重、成本高昂，难以像可见光相机那样普及和集成。如何能在室温下，利用低成本的硅基CMOS工艺实现高性能的红外成像，一直是光电领域的重大挑战。
据麦姆斯咨询报道，北京理工大学唐鑫教授与牟鸽副研究员团队受蛇类启发，研发出一种集成CMOS传感器的红外上转换人工视觉系统。该团队通过设计胶体量子点势垒异质结架构，有效抑制了室温暗电流，并结合共宿主发光单元提升转换效率，首次在室温下实现了3840×2160超高分辨率的短波及中波红外可视化成像，为非制冷、大面阵红外成像器件的设计提供了全新的物理架构与集成思路，标志着仿生光电探测技术的重要进展。该技术具备低成本、易集成、可弯曲等优势，可广泛应用于全天候自动驾驶、工业探伤、安防夜视及生物医疗等领域，显著降低了高性能红外成像系统的应用门槛，具有巨大的产业化前景。这项研究以“Infrared visualized snakes-inspired artificial vision systems with CMOS sensors-integrated upconverters”为题发表在Light: Science & Applications期刊上。
研究团队通过构建独特的胶体量子点势垒异质结结构，并利用红外-可见光上转换技术，成功打破了可见光成像的限制，首次实现了在室温下对短波红外和中波红外的超高分辨率可视化成像。
图2 集成CMOS传感器的红外上转换人工视觉系统
为了赋予人工视觉系统像蛇一样的红外成像能力，研究团队在器件结构和材料设计上实现了多项突破：
势垒异质结架构：为了解决红外探测器在室温下暗电流过大的难题，团队设计了基于碲化汞（HgTe）胶体量子点的势垒异质结架构。与传统的同质结相比，这种结构利用氧化锌（ZnO）和聚合物（P3HT）构建了高效的界面势垒，有效阻挡了多数载流子的暗电流，同时消除了耗尽区中的隧穿电流，使得器件在室温下也能保持极高的信噪比，为非制冷红外成像奠定了基础。
图3 基于碲化汞胶体量子点的势垒异质结和同质结架构对比
“双剑合璧”的转换效率：在将红外光转换为可见光的过程中，团队引入了“共宿主发光单元”设计。通过优化空穴传输层和电子传输层，为空穴和电子构建了平衡的传输通道，大幅提升了发光效率。这意味着即使是微弱的红外信号，也能被高效转换为肉眼可见的明亮图像。
图4 红外-可见光上转换器件（a）能带结构图和（b）性能对比图
4K级超高分辨率：不同于传统红外相机低分辨率的限制，该研究将上转换器件直接集成在标准的8英寸硅基CMOS晶圆上。利用CMOS传感器成熟的大阵列小像元优势，实现了像素间距仅为1.55 µm的3840×2160（4K级）阵列。这使得人工视觉系统不仅能“看见”红外，还能以前所未有的清晰度捕捉细节，分辨率远超同类器件。
图5 用于超高分辨率红外成像的人工视觉系统：（a）集成了上转换器的CMOS传感器的人工视觉系统与传统CMOS系统的对比图。(b)上转换器集成到CMOS传感器的工艺流程图。人工视觉系统室温捕获（c）不同化学溶剂和硅片以及（d）透过硅片的光源阵列的图像。
综上所述，这项研究通过“CMOS+上转换”的创新模式，为红外成像技术开辟了一条低成本、高性能的新路径。该系统将探测波段从可见光（0.4-0.7 µm）拓展至中波红外（4.5 µm），拓宽了14倍之多。凭借其优异的穿透烟雾能力和夜视能力，该技术在未来有望广泛应用于：全天候自动驾驶：在雾霾或黑夜中提供清晰视野；半导体工业检测：穿透硅片检测内部缺陷；生物医疗与安防：提供无需制冷的高清热成像方案。随着材料工艺的进一步成熟，这种“像蛇一样看世界”的人工视觉技术，将不仅仅停留在实验室，而是真正走进各行各业，成为智能感知时代的“慧眼”。
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