薄，大面积装置转换红外光成图像

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透过烟雾和雾。绘制出一个人的血管，同时监测心率，而不接触人的皮肤。透过硅片检查电子板的质量及组成。这些只是由加州大学圣地亚哥分校电气工程师领导的研究小组开发的一种新型红外成像仪的部分功能。

该成像仪探测到红外光谱中被称为短波红外光(波长从1000到1400纳米)的一部分，它正好在可见光谱(400到700纳米)之外。短波红外成像不要与热成像相混淆，热成像检测的是身体发出的更长的红外波长。

该成像仪的工作原理是将短波红外光照射到目标物体或感兴趣的区域，然后将反射回设备的低能红外光转换为人眼可以看到的更短、更高能量的波长。

“它让不可见的光变得可见，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的电气和计算机工程教授蒂娜·吴(Tina Ng)说。

虽然红外成像技术已经存在了几十年，但大多数系统都昂贵、笨重且复杂，通常需要单独的摄像机和显示器。它们通常也使用无机半导体制造，这种半导体价格昂贵，刚性强，由砷和铅等有毒元素组成。

新型红外成像仪薄而紧凑，具有大面积显示。图片来源:宁丽

吴恩达团队开发的红外成像仪克服了这些问题。它将传感器和显示器组合成一个轻薄的设备，使其紧凑而简单。它使用有机半导体制造，因此在生物医学应用中使用成本低、灵活且安全。它还提供了比一些无机同类更好的图像分辨率。

新的成像仪，最近发表在先进功能材料，提供额外的优势。它能看到更多的短波红外光谱，从1000纳米到1400纳米，而现有的类似系统通常只能看到1200纳米以下。它还拥有迄今为止最大的红外成像仪显示尺寸:2平方厘米。而且，由于该成像仪采用薄膜工艺制造，因此扩大规模制造更大的显示器既容易又便宜。

将红外光子转化为可见光光子

该成像仪由多个半导体层组成，每一层都有数百纳米厚，相互堆叠在一起。其中三层由不同的有机聚合物制成，是成像仪的关键角色:光电探测器层，有机发光二极管(OLED)显示层，以及中间的电子阻挡层。

光电探测器层吸收短波红外光(低能量光子)，然后产生电流。电流流到OLED显示层，在那里它被转换成可见图像(高能光子)。中间一层叫做电子阻挡层，可以防止OLED显示层丢失电流。这使得该设备能够产生更清晰的图像。

这种将低能光子转换为高能照片的过程被称为上转换。这里的特殊之处在于上转换过程是电子的。吴恩达实验室的博士后研究员、第一作者李宁说:“这样做的好处是，它可以在一个轻薄紧凑的系统中实现红外到可见光的直接转换。”“在一个典型的红外成像系统中，上转换不是电子的，你需要一个探测器阵列来收集数据，一台计算机来处理数据，还有一个单独的屏幕来显示数据。这就是为什么大多数现有系统体积庞大、价格昂贵。”

成像仪看到被烟雾掩盖的“EXIT”字样(左)。一个没有雾霾的设置图像(右)。李宁/先进功能材料

另一个特殊的特点是，成像仪是有效的提供光学和电子读数。“这使得它具有多功能，”李说。例如，当研究人员用红外光照射受试者的手背时，成像仪就能清晰地显示受试者的血管，同时记录受试者的心率。

研究人员还使用红外成像仪看穿了烟雾和硅片。在一次演示中，他们在一个充满烟雾的小房间里放置了一个带有“EXIT”字样的掩模。在另一个实验中，他们将一个带有“UCSD”图案的掩模放在硅片后面。红外线可以穿透烟雾和硅，使成像仪能够看到这些演示中的字母。这将有助于帮助自动驾驶汽车在恶劣天气中看清事物，以及检查硅芯片的缺陷等应用。

研究人员目前正致力于提高成像仪的效率。

论文题目:有机上转换成像仪与双电子和光学读数短波红外光探测合著者包括南密西西比大学的Naresh edugurala和Jason D. Azoulay;三星电子李东锡(音)

这项工作得到了美国国家科学基金会(ECCS-1839361)和三星先进技术研究所的支持。这项工作部分是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)进行的，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，由国家科学基金会(授予ECCS-1542148)支持。