可见光至短波红外（350-2500 nm）成像在精准农业、医疗诊断、机器视觉等多个领域发挥着至关重要的作用。然而，传统硅基CMOS图像传感器仅能获取可见光（0.4-0.7 μm）信息，且铟镓砷等块体半导体材料无法实现硅基电路片上直接集成，导致可见光-短波红外（RGB-SWIR）光学信息一体化获取的图像传感器研制受阻，传统半导体芯片至今尚无解决方案。针对以上挑战，新型半导体材料的出现与发展为可见光-短波红外图像传感器提供了有前景的替代方案：①有机光电探测器在可见光探测中表现出优异的本征光谱选择性；②胶体量子点（CQDs）则具有尺寸可调的带隙，能够实现延伸至短波红外甚至长波红外波段的光谱探测；③其溶液加工的特性，使得片上直接光电集成成为可能。在光谱响应范围方面，CMOS集成式有机-量子点像素新架构展现了超越现有硅基可见光图像传感器的颠覆性优势，有望推动下一代消费电子、工业检测、车载摄像头等场景技术升级。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学唐鑫教授、瓮康康副研究员团队开发了一种硬件-算法协同设计的CMOS集成四通道图像传感器，像素阵列为640×512。通过全聚合物体异质结与HgTe胶体量子点的单片集成，实现350-2350 nm宽波段高分辨成像。在 “超分辨模式”下，借助融合“通道-空间”注意力机制的深度学习算法，将各光谱通道分辨率从320×256恢复至640×512，解决了平面集成架构的分辨率损失难题。此外，该成像器通过精确匹配光交联动力学，实现了<1%的通道死像元率，且开发的直接光刻工艺具有CMOS兼容能力，确保了器件的高分辨率、无损片上图案化及光电集成。这项研究为CMOS集成、多光谱成像、有机光电探测器、量子点探测器及超分辨率重建应用铺平了道路。相关研究成果以“High-Resolution Multispectral Photovoltaic Imagers from Visible to Short-Wave Infrared”为题发表在Advanced Science期刊上。论文完成单位包括：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聚焦多通道图像传感器的核心设计与制备基础，系统呈现集成架构、材料选型、图案化机理及CMOS兼容特性。对比采用可见光图像传感器+短波红外图像传感器的分离架构，这项研究聚焦单一集成芯片设计，将可见光像素与短波红外像素集成于单芯片，解决了复杂分光光路设计难题，且通过直接光刻图案化工艺，实现多波段探测像素单片集成，解决了可见光与短波红外像素CMOS工艺的兼容性难题。利用图案化技术，本体异质结（BHJ）及胶体量子点像素可以与读出电路（ROIC）单片集成，具有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）图像传感器的设计

图案化单元件器件性

能图2主要展示图案化后单元像素器件性能表征。非破坏性图案化方法对于保持高性能光电探测器的光电完整性至关重要。为了评估光电二极管架构中像素图案化的兼容性，采用有机异质结和碲化汞量子点作为活性层，制备了单元器件，并对图案化前后的电流曲线、响应光谱、比探测率、响应度等关键指标进行了系统表征。

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

所提出的直接光图案化方法与标准CMOS制造工艺完全兼容。研究人员将基于聚合物的三色可见光像素与基于碲化汞量子点的短波红外像素单片集成到同一读出电路上。这种混合集成策略使得四通道成像器件得以实现，其中可见光和短波红外像素以2×2阵列排列，每个子阵列的有效分辨率为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和超分辨率图像重建

多通道像素架构通过平面空间划分实现了多通道（RGB-SWIR）探测，但同时也将每个波段通道的物理分辨率降低至320×256像素。为了克服这一分辨率限制，作者提出了一种用于四通道光谱成像芯片的超分辨率重建方法，构建了一个融合“通道-空间”注意力机制的特征增强网络。为分辨率降低提供了补偿策略，为平面集成式多通道图像传感器建立了一种高分辨成像新范式，超越光谱通道数量与空间分辨率之间的竞争关系。

图4 可见光-短波红外四通道成像和超分辨率图像重建