研究人員受蛇類啟發(fā)研發(fā)出一種上轉(zhuǎn)換器件，可在室溫下讓標準CMOS傳感器實現(xiàn)4K紅外成像。這項新突破將類蛇熱視覺引入日常相機傳感器，推動紅外成像向低成本主流應(yīng)用邁進一步。

蛇類利用特殊頰窩器官在完全黑暗中感知熱信號，這種生物學超能力一直是工程師們希望復(fù)制的目標。當今紅外成像系統(tǒng)雖能實現(xiàn)類似功能，但依賴昂貴材料或笨重的冷卻設(shè)備，限制了便攜性。

作為智能手機和消費級相機核心的標準硅基CMOS傳感器雖成本低廉、普及度高，卻無法感知短波或中波紅外光。這一根本缺陷導(dǎo)致高性能紅外成像難以廣泛應(yīng)用于日常生活。

北京理工大學的研究團隊現(xiàn)已開發(fā)出可彌合這一鴻溝的人工"蛇類視覺"系統(tǒng)。他們將紅外-可見光上轉(zhuǎn)換器直接集成到標準CMOS芯片上，在無需昂貴冷卻設(shè)備的室溫條件下實現(xiàn)了4K紅外成像。

解鎖蛇類視覺

研究團隊表示："為賦予人工系統(tǒng)類蛇熱感知能力，我們必須克服室溫紅外探測固有的噪聲問題。"為此，他們采用碲化汞膠體量子點構(gòu)建了"勢壘異質(zhì)結(jié)"，通過氧化鋅和聚合物形成的屏障層有效阻擋熱噪聲（暗電流），同時確保信號載流子高效傳輸。

這使得傳感器無需低溫冷卻即可對短波和中波紅外波長保持敏感，與傳統(tǒng)紅外探測器形成顯著區(qū)別。團隊還創(chuàng)建了共宿主發(fā)光結(jié)構(gòu)，將紅外信號轉(zhuǎn)換為CMOS可讀取的可見光子。通過平衡器件內(nèi)電子與空穴的運動，大幅提升上轉(zhuǎn)換效率，將微弱紅外輸入轉(zhuǎn)化為明亮清晰的圖像。

實現(xiàn)4K高清成像

將該系統(tǒng)集成到標準8英寸CMOS晶圓后，可獲得3840×2160分辨率的紅外圖像，像素間距僅1.55微米。該系統(tǒng)能透視硅晶圓、檢測熱分布，并對常規(guī)傳感器不可見的環(huán)境進行成像。

研究團隊指出："這項技術(shù)為紅外成像開辟了低成本高性能路徑。"他們將探測范圍從可見光擴展至4.5微米紅外波段，"使光譜探測寬度提升14倍"，實現(xiàn)了可穿透霧霾的全天候視覺能力。

這項突破應(yīng)用前景廣闊：低成本4K紅外視覺可賦能新一代自動駕駛系統(tǒng)、工業(yè)檢測工具、醫(yī)療診斷設(shè)備、夜視裝備及消費級成像設(shè)備，更有望大幅降低目前局限于國防和高預(yù)算工業(yè)領(lǐng)域的短波/中波紅外系統(tǒng)成本。

通過模仿蛇類頰窩器官的生物藍圖并結(jié)合半導(dǎo)體制造技術(shù)，研究者開啟了通向普惠型熱視覺的道路，使自然界的非凡感知能力更接近低成本量產(chǎn)硬件的實現(xiàn)。

該項研究成果已發(fā)表于《光：科學與應(yīng)用》期刊。

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