北京理工大学团队研制出全彩夜视眼镜

人眼无法感知红外线，原因在于红外光子所携带的能量不足以激活视网膜感光细胞内的信号传导通路。不过，人类已经能够制造出设备，将红外线转化为可视图像。

北京理工大学由唐鑫和穆戈领导的研究团队，近日研制出一种全新的红外成像装置。与传统夜视仪仅将红外线转换为绿色图像不同，该装置能将不同波长的红外线映射为可见光谱中的不同颜色，使人眼获得更接近自然视觉的体验。

研究人员将碲化汞胶体量子点与双层有机发光二极管（OLED）相结合，实现了这一突破。量子点负责吸收红外光，OLED则将吸收的能量转换为可见彩色光。两者通过特定内部电路叠加在一起，使入射的红外辐射在另一侧输出为色彩丰富的全彩图像。

视觉的形成始于光子撞击视网膜感光色素，引发色素分子构象改变，进而触发神经冲动，最终在大脑中构成图像。这一分子构象变化需要至少约1.6电子伏特的能量，而波长超过700纳米的红外光子所携带的能量低于这一阈值，因此人眼无法直接感知。这导致太阳辐射能量中超过一半落在人类视觉范围之外，通过热辐射而非可见光发光或反射的物体同样不可见。

现有红外成像设备大多采用红外光电探测器与可见光LED相结合的方案，只能将红外信息转化为亮度变化：较热的物体发光更亮，较凉的物体发光更暗，且通常只以单一的绿色表示。然而，人眼辨别色调差异的能力远强于辨别亮度差异的能力，因此仅调节亮度的设备大量浪费了人眼的视觉灵敏度。

唐鑫团队的解决方案，从红外光的探测方式本身入手。

红外探测器中常用的体相半导体具有连续的能带，能吸收大范围、无差别的红外光谱，无法有效区分不同波长的信息。而研究团队选用的碲化汞胶体量子点因尺寸极小（约4纳米），量子限域效应将其能级分裂为离散的阶梯状结构，而非连续分布。不同波长和强度的红外光子会激发量子点内部不同的电子跃迁，而非仅产生强弱不等的单一信号。

在约2微米的最长测试波长下，入射光子仅有足够能量驱动电子跨越量子点的基本带隙，产生少量载流子（负电荷电子或正电荷空穴）。在较短红外波长下，光子携带更多能量，可激发量子点内部更高能级的电子跃迁，部分情况下甚至能通过载流子倍增效应，使单个光子产生多对电子-空穴对。这些额外通道的开启，使得波长越短、红外光越强，量子点层向OLED侧输出的空穴数量越多。

然而，从探测器获得随波长和强度变化的空穴数量，只是解决了问题的一半，另一半则是如何将这一信号转化为彩色图像。

研究团队通过构建双发光层叠加的OLED结构解决了这一问题。靠近空穴入射侧的发光层掺杂了红色磷光体，远端的发光层掺杂了青色磷光体，两层之间设有约0.82电子伏特的能量势垒。

当空穴数量较少（对应暗弱或长波长红外光）时，所有空穴均被红色发光层捕获，设备发出低亮度红光。随着空穴数量增加（对应更强或更短波长的红外光），量子点中额外的载流子生成通道被激活，势垒被饱和，空穴开始穿过势垒进入青色发光层，设备同时发出红色与青色混合光，整体颜色随之改变，亮度也同步提升。

由于颜色变化与载流子数量直接挂钩，而非依赖固定的查找表，输出的色彩空间同时编码了入射红外光的波长与强度信息。研究团队的理论计算表明，与单色亮度型设计相比，该设备能够帮助使用者分辨约小200倍的红外功率差异。

为展示上述原理的实际效果，研究人员基于这些量子点制造了一副红外视觉眼镜。

该眼镜半透明，重量仅23克，有效观测面积约3.57平方厘米。在首项测试中，眼镜在短波红外光照明条件下，对被测目标投影出清晰的彩色编码图像，包括测试图案和运动目标，且图像可被普通相机记录。半透明结构同时允许普通可见光通过。理论上，该眼镜可通过简单滤镜在两种模式间切换：一种是将红外信息叠加于正常视野的增强现实模式，另一种是纯红外沉浸模式。

研究团队还测试了上转换红外光是否能够驱动生物视觉系统，而不仅仅是相机。他们将上转换器与产生视紫红素蛋白-2（一种常用于使神经元对蓝光敏感的光敏蛋白）的细胞结合，发现通过该装置照射的红外光确实在这些细胞中触发了光电流。

在完整生物体层面，研究人员让受试者通过该LED屏观察红外脉冲照射的画面，结果在小鼠脑电图和人体志愿者视网膜电图中均观测到明显的电生理响应。而在不使用上转换器的情况下，相同的红外脉冲均未产生任何可测量的响应。

研究团队在论文中表示，这项工作通过"超越单色范式"，"重新定义了红外视觉"，并声称通过"突破生物感光的进化边界"，为"下一代视觉假体"铺平了道路。但在全彩红外眼镜或视网膜植入体真正实现之前，研究人员还有许多技术细节需要攻克。

论文中的所有演示均在受控条件下进行，而现实世界几乎无法提供如此理想的环境。眼镜的测试对象是经过校准的黑体辐射源和字母、叶片形状等简单高对比度图案，而非真实房间或街道中复杂的多波长红外场景。在真实场景中，颜色编码的可读性如何，目前尚不明确。此外，OLED部分需要外部供电，这使得该眼镜更接近于一种小型有源显示器，而非被动光学镜片。

最后，碲化汞是一种重金属化合物，论文对长期皮肤接触的安全性只字未提；对于更具野心的植入式方案，其生物相容性与长期安全性同样有待评估。目前关于可植入视网膜感光体的设想，仅有分离神经元的体外实验、小鼠脑电数据，以及在体外向人眼照射红外光时获得的视网膜电图数据作为支撑。这些结果足以证明，经上转换处理的红外光信号能够到达视觉系统，但距离可植入眼球或实用化夜视眼镜，研究团队仍有数步之遥。

发表于《Science Advances》，2026年。DOI：10.1126/sciadv.aed0245

Q&A

Q1：碲化汞胶体量子点在全彩夜视眼镜中起什么作用？

A：碲化汞胶体量子点是该设备的核心感光元件。由于其尺寸极小（约4纳米），量子限域效应将其能级分裂为离散阶梯，不同波长和强度的红外光子会激发量子点内不同的电子跃迁，产生数量各异的载流子，从而保留了红外光的波长信息，而非仅输出强弱单一的信号。这是实现全彩红外成像的关键基础。

Q2：这款全彩夜视眼镜和传统夜视仪相比有什么优势？

A：传统夜视仪只能将红外信息转化为亮度变化，通常以单一绿色显示，而人眼辨别色调差异的能力远强于辨别亮度差异。北京理工大学研发的全彩夜视眼镜，能将不同波长的红外光映射为不同颜色，理论上可分辨约小200倍的红外功率差异，大幅提升了对目标细节的辨别能力，使视觉体验更接近自然视觉。

Q3：全彩红外夜视眼镜目前还存在哪些技术局限？

A：目前该眼镜仍面临多项挑战：所有演示均在受控环境下完成，真实复杂场景中的表现尚不明确；OLED部分需要外部供电，尚非被动光学器件；碲化汞为重金属化合物，长期安全性未经验证；视网膜植入方案目前仅有体外细胞实验和动物数据支撑，距离实际应用还有较大距离。