人眼無法感知紅外線，原因在於紅外光子所攜帶的能量不足以激活視網膜感光細胞內的信號傳導通路。不過，人類已經能夠製造出設備，將紅外線轉化為可視圖像。
北京理工大學由唐鑫和穆戈領導的研究團隊，近日研製出一種全新的紅外成像裝置。與傳統夜視儀僅將紅外線轉換為綠色圖像不同，該裝置能將不同波長的紅外線映射為可見光譜中的不同顏色，使人眼獲得更接近自然視覺的體驗。
研究人員將碲化汞膠體量子點與雙層有機發光二極體（OLED）相結合，實現了這一突破。量子點負責吸收紅外光，OLED則將吸收的能量轉換為可見彩色光。兩者通過特定內部電路疊加在一起，使入射的紅外輻射在另一側輸出為色彩豐富的全彩圖像。
視覺的形成始於光子撞擊視網膜感光色素，引發色素分子構象改變，進而觸發神經衝動，最終在大腦中構成圖像。這一分子構象變化需要至少約1.6電子伏特的能量，而波長超過700納米的紅外光子所攜帶的能量低於這一閾值，因此人眼無法直接感知。這導致太陽輻射能量中超過一半落在人類視覺範圍之外，通過熱輻射而非可見光發光或反射的物體同樣不可見。
現有紅外成像設備大多採用紅外光電探測器與可見光LED相結合的方案，只能將紅外資訊轉化為亮度變化：較熱的物體發光更亮，較涼的物體發光更暗，且通常只以單一的綠色表示。然而，人眼辨別色調差異的能力遠強於辨別亮度差異的能力，因此僅調節亮度的設備大量浪費了人眼的視覺靈敏度。
唐鑫團隊的解決方案，從紅外光的探測方式本身入手。
紅外探測器中常用的體相半導體具有連續的能帶，能吸收大範圍、無差別的紅外光譜，無法有效區分不同波長的資訊。而研究團隊選用的碲化汞膠體量子點因尺寸極小（約4納米），量子限域效應將其能級分裂為離散的階梯狀結構，而非連續分布。不同波長和強度的紅外光子會激發量子點內部不同的電子躍遷，而非僅產生強弱不等的單一信號。
在約2微米的最長測試波長下，入射光子僅有足夠能量驅動電子跨越量子點的基本帶隙，產生少量載流子（負電荷電子或正電荷空穴）。在較短紅外波長下，光子攜帶更多能量，可激發量子點內部更高能級的電子躍遷，部分情況下甚至能通過載流子倍增效應，使單個光子產生多對電子-空穴對。這些額外通道的開啟，使得波長越短、紅外光越強，量子點層向OLED側輸出的空穴數量越多。
然而，從探測器獲得隨波長和強度變化的空穴數量，只是解決了問題的一半，另一半則是如何將這一信號轉化為彩色圖像。
研究團隊通過構建雙發光層疊加的OLED結構解決了這一問題。靠近空穴入射側的發光層摻雜了紅色磷光體，遠端的發光層摻雜了青色磷光體，兩層之間設有約0.82電子伏特的能量勢壘。
當空穴數量較少（對應暗弱或長波長紅外光）時，所有空穴均被紅色發光層捕獲，設備發出低亮度紅光。隨著空穴數量增加（對應更強或更短波長的紅外光），量子點中額外的載流子生成通道被激活，勢壘被飽和，空穴開始穿過勢壘進入青色發光層，設備同時發出紅色與青色混合光，整體顏色隨之改變，亮度也同步提升。
由於顏色變化與載流子數量直接掛鉤，而非依賴固定的查找表，輸出的色彩空間同時編碼了入射紅外光的波長與強度資訊。研究團隊的理論計算表明，與單色亮度型設計相比，該設備能夠幫助使用者分辨約小200倍的紅外功率差異。
為展示上述原理的實際效果，研究人員基於這些量子點製造了一副紅外視覺眼鏡。
該眼鏡半透明，重量僅23克，有效觀測面積約3.57平方厘米。在首項測試中，眼鏡在短波紅外光照明條件下，對被測目標投影出清晰的彩色編碼圖像，包括測試圖案和運動目標，且圖像可被普通相機記錄。半透明結構同時允許普通可見光通過。理論上，該眼鏡可通過簡單濾鏡在兩種模式間切換：一種是將紅外資訊疊加於正常視野的增強現實模式，另一種是純紅外沉浸模式。
研究團隊還測試了上轉換紅外光是否能夠驅動生物視覺系統，而不僅僅是相機。他們將上轉換器與產生視紫紅素蛋白-2（一種常用於使神經元對藍光敏感的光敏蛋白）的細胞結合，發現通過該裝置照射的紅外光確實在這些細胞中觸發了光電流。
在完整生物體層面，研究人員讓受試者通過該LED屏觀察紅外脈衝照射的畫面，結果在小鼠腦電圖和人體志願者視網膜電圖中均觀測到明顯的電生理響應。而在不使用上轉換器的情況下，相同的紅外脈衝均未產生任何可測量的響應。
研究團隊在論文中表示，這項工作通過"超越單色範式"，"重新定義了紅外視覺"，並聲稱通過"突破生物感光的進化邊界"，為"下一代視覺假體"鋪平了道路。但在全彩紅外眼鏡或視網膜植入體真正實現之前，研究人員還有許多技術細節需要攻克。
論文中的所有演示均在受控條件下進行，而現實世界幾乎無法提供如此理想的環境。眼鏡的測試對象是經過校準的黑體輻射源和字母、葉片形狀等簡單高對比度圖案，而非真實房間或街道中複雜的多波長紅外場景。在真實場景中，顏色編碼的可讀性如何，目前尚不明確。此外，OLED部分需要外部供電，這使得該眼鏡更接近於一種小型有源顯示器，而非被動光學鏡片。
最後，碲化汞是一種重金屬化合物，論文對長期皮膚接觸的安全性隻字未提；對於更具野心的植入式方案，其生物相容性與長期安全性同樣有待評估。目前關於可植入視網膜感光體的設想，僅有分離神經元的體外實驗、小鼠腦電數據，以及在體外向人眼照射紅外光時獲得的視網膜電圖數據作為支撐。這些結果足以證明，經上轉換處理的紅外光信號能夠到達視覺系統，但距離可植入眼球或實用化夜視眼鏡，研究團隊仍有數步之遙。
發表於《Science Advances》，2026年。DOI：10.1126/sciadv.aed0245
Q&A
Q1：碲化汞膠體量子點在全彩夜視眼鏡中起什麼作用？
A：碲化汞膠體量子點是該設備的核心感光元件。由於其尺寸極小（約4納米），量子限域效應將其能級分裂為離散階梯，不同波長和強度的紅外光子會激發量子點內不同的電子躍遷，產生數量各異的載流子，從而保留了紅外光的波長資訊，而非僅輸出強弱單一的信號。這是實現全彩紅外成像的關鍵基礎。
Q2：這款全彩夜視眼鏡和傳統夜視儀相比有什麼優勢？
A：傳統夜視儀只能將紅外資訊轉化為亮度變化，通常以單一綠色顯示，而人眼辨別色調差異的能力遠強於辨別亮度差異。北京理工大學研發的全彩夜視眼鏡，能將不同波長的紅外光映射為不同顏色，理論上可分辨約小200倍的紅外功率差異，大幅提升了對目標細節的辨別能力，使視覺體驗更接近自然視覺。
Q3：全彩紅外夜視眼鏡目前還存在哪些技術局限？
A：目前該眼鏡仍面臨多項挑戰：所有演示均在受控環境下完成，真實複雜場景中的表現尚不明確；OLED部分需要外部供電，尚非被動光學器件；碲化汞為重金屬化合物，長期安全性未經驗證；視網膜植入方案目前僅有體外細胞實驗和動物數據支撐，距離實際應用還有較大距離。
