北理工在红外仿生视觉系统方面取得进展，实现SWIR/MWIR超高分辨率成像
2025-08-24 15:25:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
北京理工大学研发了集成CMOS图像传感器与上转换器的人工视觉系统，以突破可见光探测的限制，首次实现3840 × 2160超高分辨率的短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）可视化成像。
生物视觉为具有多样化视觉功能特征的人工视觉系统的开发提供了灵感，然而，现有系统的探测波长仅限于可见光范围（0.4 ~ 0.78 μm），这限制了其应用范围。蛇类通过颊窝器官（pit organ）探测并转换红外光（如图1），从而生成动物的热像图，使其即使在黑暗环境中也能精准地瞄准捕食者或猎物。
据麦姆斯咨询报道，受蛇类天然红外可视化能力的启发，北京理工大学的研究团队提出了一种集成CMOS图像传感器与上转换器的人工视觉系统，以突破可见光探测的限制，首次实现3840 × 2160超高分辨率的短波红外（SWIR）和中波红外（MWIR）可视化成像。通过对红外探测单元的胶体量子点（CQD）势垒异质结架构设计并引入共宿主发射单元，该系统在室温下的性能表现优异：短波红外波段的亮度和上转换效率分别可达6388.09 cd m⁻²和6.41%，中波红外波段的亮度和上转换效率分别可达1311.64 cd m⁻²和4.06%。该人工视觉系统拓宽了红外技术在夜视、农业科学和工业检测等领域的应用范围，标志着生物人工视觉的重大进展。相关研究内容以“Infrared visualized snakes-inspired artificial vision systems with CMOS sensors-integrated upconverters”为题发表在Light: Science & Applications期刊上。
通过集成CMOS图像传感器与上转换器作为人工视觉感知单元，能够以极低的成本实现数千万像素的超高分辨率红外可视化成像。上转换器可通过晶圆级制造工艺沉积在3840 × 2160像素和1.55 μm像素尺寸的硅基CMOS图像传感器上（如图1c）。图1d (i)展示了红外光到可见光上转换器和可见光CMOS图像传感器的架构示意图。基于CQD的红外探测光电二极管的上转换器堆叠包括红外透明电极、空穴阻挡层（HBL）、HgTe CQD红外传感层、空穴传输层（HTL）、探测/发射单元界面层，以及由HTL、可见光发射层（EML）、电子传输层（ETL）和可见光透明电极组成的有机可见光发光二极管（LED）。可见光传感器则包含片上透镜、彩色滤光片、光电二极管和电路。所制备的CMOS图像传感器集成上转换器的透射电子显微镜（TEM）横截面图显示了清晰的层边界（如图1d(ii)）。图1e展示了上转换器的能带结构图。图1f展示了该上转换器在室温下成功将截止波长为2.5 μm的短波红外和截止波长为4.5 μm的中波红外转换为峰值波长520 nm的绿色可见光。
图1 人工视觉系统的架构设计和工作机制
具有无带隙特性的块体HgTe CQD可将吸收波长扩展至短波红外和中波红外波段，因此常被选择为红外传感材料。通过调控颗粒尺寸，可高效调谐HgTe CQD的能带隙（Eg）（如图2a）。图2b展示了基于“PIN”同质结和势垒异质结的HgTe CQD光电二极管的工作机制。基于势垒异质结的中波红外HgTe CQD探测器在600℃黑体辐射下，即使在室温零偏压条件下工作，仍表现出强光响应与高信噪比（如图2c）。图2d展示了室温下短波红外和中波红外HgTe CQD探测器的典型电流密度与电压曲线。
图2 HgTe CQD探测器在短波红外和中波红外波段的室温光探测性能表征
发射单元的可见光透明电极是实现可见光从上转换器到CMOS图像传感器传输的必要组件，可以最大限度地减少可见光亮度的损失。实验表明，覆盖三氧化钨（30 nm WO₃）的铝/银（2 nm Al/ 8 nm Ag）薄膜在整个可见光范围内透光率最佳，其平均可见光透过率接近60%（如图3a）。
图3 透明共宿主可见光发射特性
通过集成室温短波红外/中波红外探测光电二极管与透明共宿主可见光发光二极管（LED），研究人员成功制备了性能优异的上转换器。在室温下测量了上转换器的性能，实验装置示意图如图4a所示。短波红外到可见光、中波红外到可见光的上转换器的光子到电子和电子到光子转换效率分别如图4b、图4c所示。
图4 高性能的短波红外和中波红外上转换性能测试
受天然蛇类启发的人工视觉系统可以通过集成高性能上转换器与CMOS图像传感器来实现（如图5a）。图5b展示了上转换器与晶圆级CMOS图像传感器集成结构：上转换器由基于CQD的红外异质结光电二极管、界面层和能带匹配的有机发光二极管组成；CMOS图像传感器包含微透镜、彩色滤光片、光电二极管、晶体管和电路。在确保上转换器高性能的前提下，红外成像的分辨率和画面尺寸取决于所选CMOS图像传感器。在本研究中，采用3840 × 2160像素、1.55 μm像素尺寸的CMOS图像传感器与上转换器相集成的人工视觉系统实现了120 Hz帧率的高分辨率短波红外和中波红外成像。
图5 用于超高分辨率红外成像的人工视觉系统
综上所述，受天然具备红外视觉的蛇类启发，这项研究开发了集成CMOS图像传感器与上转换器的人工视觉系统，并在室温下演示了3840 × 2160超高分辨率短波红外和中波红外可视化成像应用。由于基于CQD的红外探测单元采用了势垒异质结架构，在不影响光生载流子传输效率的情况下，有效地抑制了暗电流，使上转换器能够实现室温下高灵敏度的短波红外和中波红外传感。此外，由于共宿主发射单元在发射层中形成平衡的载流子传输通道而具有高发光效率，这有助于上转换器的性能提高。扩展至红外波段的人工视觉系统可在任何天气条件下工作，无论昼夜或极端天气，并能在工业检测、食品安全、气体传感，农业科学和自动驾驶等新兴领域发挥作用。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02001-x
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