CMOS集成的人工视觉系统实现短波红外和中波红外成像
2026-01-10 15:07:06 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该人工视觉系统将红外到可见光波段的上转换器与CMOS图像传感器相集成，可在室温下实现短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）的直接可视化成像，代表了高分辨率宽带红外成像领域的开创性进展。
据麦姆斯咨询报道，近日，厦门大学的研究团队针对一项受蛇类颊窝器官卓越的中波红外辐射感知能力启发而研发的仿生人工视觉系统研究成果进行了评述。该人工视觉系统将红外到可见光波段的上转换器与CMOS图像传感器相集成，可在室温下实现短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）的直接可视化成像，代表了高分辨率宽带红外成像领域的开创性进展。这一技术突破为夜视、农业监控、工业检测等领域的低成本和柔性应用奠定了基础。该评述以“Towards broadband artificial vision: CMOS-integrated SWIR-MWIR imaging”为题发表于Light: Science & Applications期刊。
人工视觉系统从自然界多样化的视觉适应机制中汲取灵感，近年来迅速发展，成功突破了传统相机的性能局限。人工视觉系统模仿水生动物、猫科动物、鸟类以及招潮蟹等生物的视觉特性，从而实现宽视野、卓越的目标检测能力、中央凹聚焦多光谱成像以及全景视觉等功能。然而，现有多数视觉系统的探测范围仍然局限于可见光波波段（0.4-0.78 μm），极大限制了其在弱光、雾天及全黑暗环境下的应用。
蛇类提供了极具启发性的生物模型：其颊窝器官可探测中波红外辐射（3-5 μm），即使在完全黑暗中也能生成猎物的热像图（图1a）。2020年，基于溶液处理的胶体量子点（CQD）上转换器实现了6.5%的转换效率，将探测范围拓展至近红外（NIR）和1.6 μm以内的短波红外波段。然而，技术瓶颈依然存在：探测波长的增加会导致器件暗电流上升，造成室温条件下信噪比下降。此外，胶体量子点同质结的掺杂不均匀问题阻碍了大面积器件的制备，而这正是实现高分辨率CMOS集成的关键前提。
图1 CMOS集成的人工视觉系统短波红外和中波红外成像的工作原理
北京理工大学的研究团队在Light: Science & Applications期刊上发表的研究成果取得了突破性进展。研究团队设计了HgTe胶体量子点势垒异质结红外探测单元，并将其与CMOS图像传感器进行单片集成，在室温下实现了1.1-5.0 μm的宽带光谱响应（如图1b）。这项研究的核心创新点在于：ZnO/HgTe/P3HT界面势垒可在不牺牲光载流子传输效率的前提下，有效抑制多数载流子的暗电流，从而实现了零偏压下的高信噪比短波红外和中波红外探测。测试结果显示，该系统在短波红外（截止波长2.5 μm）的上转换效率达6.41%，在中波红外（截止波长4.5 μm）的上转换效率达4.06%。
图2 CMOS集成的人工视觉系统室温下的短波红外和中波红外探测性能表征
这项研究的关键突破在于晶圆级单片集成技术：通过真空沉积和溶液处理，将有机发光二极管（LED）和胶体量子点探测堆叠层直接制备于商用CMOS图像传感器阵列上（如图3）。该器件可实现4k分辨率（3840 × 2160）成像，以及每秒120帧的动态中波红外成像，并在机械弯曲状态下仍能保持性能稳定，展现出在柔性电子领域的应用潜力。这项研究还进行了透过硅片的短波红外成像和实时中波红外热成像（如图3），充分印证其探测灵敏度和实际应用价值。总之，这项研究将人工视觉系统的探测范围从可见光波段（0.4-0.7 μm）拓展到可见光至中红外波段（0.4-4.5 μm），光谱覆盖范围拓宽了约14倍（如图1c）。
图3 将上转换器件集成到CMOS图像传感器的工艺流程以及人工视觉系统的成像结果
这项工作通过将成熟的硅基读出技术与宽带红外上转换相集成，为CMOS兼容型人工视觉树立了新标杆。除实现了低成本夜视应用之外，短波红外和中波红外通道与可见光成像的结合，还可赋能自动驾驶、食品安全检测、环境监测及医疗诊断等领域。展望未来，该领域的主要发展目标包括：进一步抑制长波波段的热噪声，提升上转换效率，以及将光谱响应范围扩展至长波红外波段。而技术的突破有望通过胶体量子点材料化学、势垒工程器件物理以及光学/电子集成技术的三大方向协同优化来实现。正如蛇类颊窝器官使其能在完全黑暗中导航，这类仿生人工红外视觉技术有望在不久将来催生新一代普适化、柔性且低成本的成像解决方案。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02087-3
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