研究人員受蛇類啟發研發出一種上轉換器件,可在室溫下讓標準CMOS傳感器實現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用邁進一步。
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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制的目標。當今紅外成像系統雖能實現類似功能,但依賴昂貴材料或笨重的冷卻設備,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。這一根本缺陷導致高性能紅外成像難以廣泛應用于日常生活。
北京理工大學的研究團隊現已開發出可彌合這一鴻溝的人工"蛇類視覺"系統。他們將紅外-可見光上轉換器直接集成到標準CMOS芯片上,在無需昂貴冷卻設備的室溫條件下實現了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建了"勢壘異質結",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,與傳統紅外探測器形成顯著區別。團隊還創建了共宿主發光結構,將紅外信號轉換為CMOS可讀取的可見光子。通過平衡器件內電子與空穴的運動,大幅提升上轉換效率,將微弱紅外輸入轉化為明亮清晰的圖像。
實現4K高清成像
將該系統集成到標準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。該系統能透視硅晶圓、檢測熱分布,并對常規傳感器不可見的環境進行成像。
研究團隊指出:"這項技術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",實現了可穿透霧霾的全天候視覺能力。
這項突破應用前景廣闊:低成本4K紅外視覺可賦能新一代自動駕駛系統、工業檢測工具、醫療診斷設備、夜視裝備及消費級成像設備,更有望大幅降低目前局限于國防和高預算工業領域的短波/中波紅外系統成本。
通過模仿蛇類頰窩器官的生物藍圖并結合半導體制造技術,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硬件的實現。
該項研究成果已發表于《光:科學與應用》期刊。
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