研究人员研发出全彩夜视镜

# 研究人员研制出全彩夜视镜 来源：https://arstechnica.com/science/2026/07/see-the-heat-an-infrared-imaging-system-that-outputs-in-color/ 红外的波长与强度被转换为可见光谱中的颜色。 人眼无法感知光谱中的红外部分，因为红外光子携带的能量不足以触发我们感光细胞内的信号通路。但我们早已能够制造出让我们以视觉形式呈现红外信息的设备。 北京理工大学由唐鑫和葛穆领导的研究团队，现在打造了一种让人类以全新方式看见红外的设备。它不是像标准夜视镜那样仅仅将红外转换为可见的绿色调，而是将不同的红外波长映射到可见光谱的不同部分，从而让眼睛获得更接近自然视觉的体验。 研究人员通过结合两种关键组件实现了这一点：一种是吸收红外光的碲化汞胶体量子点，另一种是双发光层OLED，它能将吸收到的能量转换为可见颜色。将它们以正确的内部线路堆叠在一起，入射的红外辐射就能从另一端输出成一幅看起来普通、但全彩的图像。 ## 不可见光 视觉的产生始于光子照射到视网膜中的感光色素并使其发生形状改变。这会改变色素所在的蛋白质，触发神经冲动，最终在大脑中形成影像。引发这一系列过程的分子形变需要最低能量，大约1.6电子伏特；波长超过700纳米的红外光子所携带的能量不足以引发这种形变。这使得太阳辐射能中超过一半的部分超出我们的视觉范围，同时也包括所有以热量而非可见光形式发射或反射热量的物体。 目前大多数让我们看到红外的设备使用红外光电探测器，并将它们与可见光LED连接。这种方案确实让红外光可见，但只能以亮度来呈现：较热的物体发光稍强，较冷的物体发光稍弱，而我们统一用同一种（通常是绿色）颜色来表示。这其中存在一个问题：人眼在辨别细微色调差异方面远比辨别亮度差异更擅长，因此仅调制亮度的设备等于浪费了人眼的大部分灵敏度。 唐鑫团队找到的解决方案，首先要从红外光最初被感知的方式说起。 ## 选择性量子点 红外探测器中常用的体半导体具有连续能带，这意味着它们会吸收一整段宽泛且无差别的红外光谱。这无法保留关于具体到达波长的大量信息。而中国团队为其设备选用的碲化汞胶体量子点则表现不同。由于尺寸极小，大约只有4纳米宽，量子限域效应将其能级分裂为离散的阶梯，而非连续的能带。不同红外波长和强度的光子会激发不同的电子跃迁，使电子在量子点内的离散能级之间移动，而不仅仅产生强度不同的单一信号。 在约2微米波长（团队测试的最长波长）处，入射光子仅拥有刚好足够的能量，让电子跨越量子点的基本带隙，产生数量适中的载流子——即带负电的电子或带正电、在量子点内移动的空穴。 在更短的红外波长下，每个光子携带更多能量，能够触及量子点内部更高能量的额外电子跃迁。在某些情况下，载流子中的多余能量足以让每个光子打出多个电子-空穴对。这些过程为产生载流子开辟了额外途径。最终效果是：较短的红外波长和较强的红外光，会将更多带正电的空穴推出量子点层，推向器件的OLED一侧。 然而，仅从探测器中获得一个随红外光波长和强度而变化的空穴数量，只是问题的一半。另一半则是如何将这一信号在另一侧转换为彩色图像。 ## 势垒 团队的实现方式是：将OLED做成两个独立发光层上下堆叠的结构。其中一层更靠近空穴进入的位置，掺入了发红光的磷光体；另一层位于更远处，掺入了发青光（青色光）的磷光体。让全彩视觉得以工作的关键组件，是这两层之间约0.82电子伏特的能量势垒。 当红外探测器因光线昏暗或长波长光子而只送来少量空穴时，这些空穴全部被红色层捕获，器件发出低亮度的红光。随着进入的空穴数量增加——无论是由于红外光变亮，还是由于包含更短波长——量子点中额外的载流子生成通路被解锁，势垒也随之饱和。空穴开始找到穿过势垒的路径，进入青色层，器件开始同时发出红光和青光的混合光，从而使整体颜色发生偏移，并提高亮度。 由于这种颜色偏移与载流子数量相关，而不是依赖固定的查找表，最终的颜色空间同时编码了入射红外光的波长和强度。团队在研究中给出的计算表明，相比仅使用单一颜色、只调亮度的设计，该器件应能让使用者分辨约200倍更微小的红外功率差异。 为了展示这一切如何运作，科学家们利用这些量子点制造了一副红外视觉眼镜。 ## 眼镜与植入体 这款眼镜为半透明结构，重量仅23克，有效观看面积约为3.57平方厘米。在首次测试中，针对用短波红外光照亮的物体，眼镜投影出了清晰、带颜色编码的图像，包括标准相机也能捕捉到的测试图案和移动物体。它同时依然允许普通可见光透过半透明结构。原则上，这副眼镜可以通过简单滤镜，在增强现实模式（将红外信息叠加在正常视觉上）与沉浸式纯红外模式之间切换。 团队还测试了这种上转换后的红外光是否能驱动生物视觉系统，而不仅仅是相机。他们将上转换器与产生channelrhodopsin-2的细胞结合——channelrhodopsin-2是一种常用于让神经元对蓝光作出反应的光敏蛋白。通过器件照射的红外光，确实在这些细胞中引发了光电流。 进一步上升到整个生物体：让受试者在红外脉冲照射下观看该LED屏幕，在老鼠身上产生了清晰的脑电图（EEG）反应，在人类志愿者身上产生了清晰的视网膜电图（ERG）反应。在这两种情况下，同样的红外脉冲单独作用（没有上转换器）时，完全测不到任何可测量的反应。 在论文中，团队表示他们的工作“超越了单色范式”，从而“重新定义了红外视觉”。作者声称，通过“超越生物感光的进化边界”，他们的器件为“下一代视觉假体”铺平了道路。不过，在这项技术真正实现全彩红外眼镜或视网膜植入体之前，研究人员仍需解决大量细节问题。 ## 重金属视觉 研究中涉及的所有演示都在现实世界很少提供的受控条件下进行。眼镜是经过校准的黑体辐射源以及字母、叶片形状等简单、高对比度的测试图案来测试的，而不是真实房间或街道中那种多波长混杂的红外信息。一旦涉及真实场景，颜色编码能保持多大程度的可读性，目前还不得而知。OLED这一侧还需要外部电源，这使得这副眼镜更像是一个小型供电显示屏，而不是被动的镜片。 最后，碲化汞是一种重金属化合物，而论文没有提及长期皮肤接触的安全性，也没有提及更具野心的可植入版本在生物相容性或长期安全性方面的问题。到目前为止，可植入视网膜感光器的想法，仅得到培养皿中离体神经元、小鼠的脑电图轨迹，以及光线从外部照射人眼时获得的视网膜电图读数支持。所有这些都提供了令人信服的证据，证明以这种方式上转换的红外光信号能够到达视觉系统。但团队距离能够植入眼睛的器件，甚至距离在实际夜视镜中工作，仍差几步之遥。 Science Advances，2026。DOI:10.1126/sciadv.aed0245 (https://doi.org/10.1126/sciadv.aed0245) Jacek Krywko的照片 (https://arstechnica.com/author/jacek_krywko/) Jacek Krywko是一位自由科学和技术撰稿人，报道太空探索、人工智能研究、计算机科学以及各种工程奇技。 26条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/07/see-the-heat-an-infrared-imaging-system-that-outputs-in-color/#comments) 1. 热门阅读中第一条故事的列表图片：特朗普FCC因试图监管广播电视言论而面临抨击 (https://arstechnica.com/tech-policy/2026/07/trump-fccs-war-on-abc-slammed-by-both-conservatives-and-liberals/)