北理工研发可见光-短波红外图像传感器，实现高分辨率多光谱成像
在精准农业、医疗诊断及智能机器视觉等领域，可见光至短波红外（350–2500 nm）成像正发挥着关键作用。然而，传统硅基CMOS图像传感器仅能捕捉可见光（0.4–0.7 μm）信息，而铟镓砷等块体半导体材料又难以与硅基电路集成，使得可见光-短波红外（RGB-SWIR）光学信息一体化获取面临技术瓶颈。随着新型半导体材料的发展，这一难题逐步得到缓解。例如，有机光电探测器在可见光范围内具备优异的光谱选择性，胶体量子点则因带隙可调，具备向短波乃至长波红外扩展的潜力。此外，其溶液可加工性也为片上光电集成提供了新的可能性。基于有机-量子点像素的新架构在光谱响应方面展现出显著优势，有望成为下一代消费电子、工业检测及车载摄像头领域的关键技术。
据麦姆斯咨询报道，北京理工大学唐鑫教授与瓮康康副研究员团队近日推出一款基于CMOS集成的四通道图像传感器，像素阵列为640×512。该传感器融合了全聚合物体异质结与HgTe胶体量子点，实现了从350至2350 nm的宽波段高分辨成像。在“超分辨模式”下，通过引入融合“通道-空间”注意力机制的深度学习算法，将各光谱通道的分辨率由320×256提升至640×512，成功解决了平面集成架构带来的分辨率损失问题。此外，研究团队通过优化光交联动力学，将通道死像元率控制在1%以下，并开发出具备CMOS兼容性的直接光刻工艺，实现了高精度、无损片上图案化和光电集成。这项成果为多光谱成像、有机光电探测、量子点探测器以及超分辨率重建等技术奠定了坚实基础。相关研究以“High-Resolution Multispectral Photovoltaic Imagers from Visible to Short-Wave Infrared”为题发表于《Advanced Science》。合作单位包括北京理工大学、北京理工大学长三角研究院（嘉兴）、中芯热成科技（北京）有限责任公司、长春理工大学及中央民族大学。
可见光-短波红外多波段图像传感器设计
图1展示了该多通道图像传感器的核心设计理念与实现方式，涵盖集成架构、材料选择、图案化机制及CMOS兼容性等关键要素。相较于传统可见光与短波红外图像传感器的分离架构，该设计将两类像素集成于单一芯片，有效避免了复杂分光光路的设计难题。通过直接光刻图案化技术，实现了多波段像素的单片集成，解决了可见光与短波红外像素在CMOS工艺兼容性方面的挑战。采用图案化技术后，本体异质结（BHJ）和胶体量子点像素能够与读出电路（ROIC）单片集成，最终形成640×512像素阵列，像素间距为15 μm。
图1 可见光-短波红外多波段焦平面阵列（FPA）图像传感器设计
图案化单元器件性能
图2重点呈现了图案化处理后单元像素器件的性能表征情况。非破坏性图案化方法在维持光电探测器性能方面至关重要。为评估光电二极管架构在图案化过程中的兼容性，研究人员分别使用有机异质结和碲化汞量子点作为活性层，构建了单元器件，并系统地测试了图案化前后器件的电流特性、响应光谱、比探测率及响应度等关键参数。
图2 图案化单元像素器件性能
可见光-短波红外多波段图像传感器性能表征
该研究提出的直接光图案化方法与标准CMOS制造流程完全兼容。研究人员将三色可见光像素与碲化汞量子点短波红外像素集成在同一读出电路上。通过这一混合集成方案，成功构建了四通道成像器件。其中，可见光与短波红外像素以2×2阵列排列，每个子阵列的有效分辨率达到320×256。
图3 可见光-短波红外多波段图像传感器性能表征
可见光-短波红外四通道成像与超分辨率图像重建
在平面空间划分策略下，该多通道像素架构实现了RGB-SWIR四通道探测，但同时也将每个通道的分辨率降至320×256。为了缓解这一限制，研究人员提出了一种新的超分辨率重建算法，采用融合“通道-空间”注意力机制的特征增强网络，以补偿分辨率下降的问题。这一方法不仅提升了成像精度，还为平面集成式多通道图像传感器引入了一种突破性成像范式，有效缓解了光谱通道数量与空间分辨率之间的制约关系。
图4 可见光-短波红外四通道成像与超分辨率图像重建