偏振集成紅外光電探測器研究進(jìn)展與應(yīng)用

偏振集成探測器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，并且無需圖像配準(zhǔn)對動(dòng)態(tài)目標(biāo)同時(shí)同地同源探測與識(shí)別的優(yōu)勢。目前傳統(tǒng)的紅外偏振探測器主要包括分時(shí)偏振探測器、分振幅偏振探測器和分孔徑偏振探測器。以上三種類型偏振探測器雖然在一定程度上滿足了偏振探測成像的需求，但是在具體應(yīng)用中仍存在一些不足。偏振集成探測器同時(shí)具備體積小、重量低以及能耗低的特點(diǎn)，極大地拓寬了其應(yīng)用范圍，正在成為第四代新型光電成像技術(shù)的重要載體之一。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和國科大杭州高等研究院的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《光電工程》期刊上發(fā)表了以“偏振集成紅外光電探測器研究進(jìn)展與應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為周建副研究員，主要從事新型紅外光電探測器方面的研究工作；通訊作者為周易研究員和陳建新研究員，周易研究員主要從事量子結(jié)構(gòu)超晶格紅外探測器材料與器件方面的研究工作，陳建新研究員主要從事InAs/GaSb II類超晶格紅外探測器及新型紅外光電器件的研究工作。

本文主要介紹了偏振集成光電探測器單元器件、線列焦平面、面陣焦平面的研究進(jìn)展，分析了光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真、亞微米偏振光柵制備、集成與測試、偏振圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)等獲得高消光比偏振集成探測器的關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了偏振成像針對無人機(jī)、偽裝卡車、地雷、海面艦船、面部識(shí)別、無人駕駛道路識(shí)別、海面漏油檢測及醫(yī)療檢測等方面的典型應(yīng)用。

偏振集成探測器研究進(jìn)展

偏振集成探測器的分類主要包括三種。一是根據(jù)探測器的工作譜段可分為可見光、近紅外、短波紅外、中波紅外及長波/甚長波紅外偏振集成探測器；二是根據(jù)探測器的工作原理可以分為熱敏型和光敏型，其中光敏型又分為光導(dǎo)型和光伏型；三是根據(jù)探測器的規(guī)模及陣列組成可分為單元器件、線列焦平面及面陣焦平面。本文根據(jù)探測器的規(guī)模及陣列組成介紹偏振集成探測器的研究進(jìn)展。

偏振集成探測器單元器件

1993年，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)Thompson等人第一次報(bào)道了偏振集成探測器，將1024 pixels × 1024 pixels CCDs分成兩個(gè)512 pixels× 1024 pixels區(qū)域分別接收兩個(gè)方向的偏振光。2002年該機(jī)構(gòu)Andreou等人通過片上集成聚合物薄膜分別接收P光和S光，偏振消光比約為3:1，并對水壺成像進(jìn)行了偏振對比度的分析。1999年，美國普林斯頓大學(xué)Chen等人于率先提出并制備了波紋型量子阱偏振集成紅外探測器，在4個(gè)單元器件表面集成蓋0°、45°、90°、135°偏振方偏振光柵，測試6~12 μm波段四個(gè)偏振方向的偏振光響應(yīng)不同。

2010年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室資助亞特蘭大的喬治亞州立大學(xué)Apalkov等人用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了耦合在衍射網(wǎng)格上的量子阱紅外探測器的偏振靈敏度，如圖2（a）所示。這種系統(tǒng)的偏振消光比由兩個(gè)因素決定：衍射光柵的偏振靈敏度和光電探測器本身的固有偏振靈敏度。這些因素的綜合作用導(dǎo)致了偏振消光比對衍射網(wǎng)格參數(shù)的非單調(diào)依賴性。通過改變光柵參數(shù)，即增加高度和調(diào)整光柵周期，可以達(dá)到偏振消光比的最大值。他們還研究了正入射和背入射條件下探測器的偏振特性，研究表明在正入射條件下，偏振靈敏度最強(qiáng)。

圖2 （a）量子阱紅外探測器示意圖及偏振響應(yīng)測試光譜；（b）Ⅱ類超晶格中紅外結(jié)構(gòu)示意圖及偏振響應(yīng)測試光譜；（c）集成等離子體微腔量子阱紅外探測器光場分布圖及SEM圖；（d）集成非中心對稱均勻橢圓陣列非制冷紅外傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及SEM圖；（e）集成非均勻光子晶體結(jié)構(gòu)的InGaAsP量子阱光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖及偏振選擇增強(qiáng)光譜

2015年，韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院Kim等人首次設(shè)計(jì)并制備了基于Ⅱ類超晶格（T2SL）結(jié)構(gòu)的一維亞波長金光柵（1D-SGG）陣列表面結(jié)構(gòu)，其工作原理是依賴金屬光柵的濾光實(shí)現(xiàn)偏振響應(yīng)選擇，工作波段為2~5 μm，偏振消光比約為5:1，如圖2（b）所示。

2014年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所李志鋒研究員課題組提出了量子阱（QW）紅外探測器，該結(jié)構(gòu)由量子阱和等離子體微腔（一維金屬Au光柵）所組成，如圖2（c）所示。研究結(jié)果表明：該探測器在長波14.6 μm的消光比達(dá)到了65:1，歸因于其對光在等離子體微腔中傳播及分布的有效人工操控，即在TM偏振光入射條件下，激發(fā)了局域表面等離子體（LSP）模式和表面等離子體激元（SPP）模式。

除了傳統(tǒng)的金屬光柵濾光或分光，光子晶體也可以對光的偏振態(tài)傳播與吸收進(jìn)行有效調(diào)控。日本三菱電氣公司Shinpei Ogawa團(tuán)隊(duì)提出了利用非中心對稱的均勻橢圓陣列實(shí)現(xiàn)偏振響應(yīng)度選擇性地增強(qiáng)，如圖2（d）所示。該結(jié)構(gòu)的集成基于微機(jī)電系統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）非制冷紅外傳感器和微機(jī)械加工技術(shù)。韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院Jin-Kyu Yang提出了集成非均勻光子晶體結(jié)構(gòu)的InGaAsP量子阱光電探測器，如圖2（e）所示。為了有效促進(jìn)光子耦合到探測器吸收區(qū)中，此探測器具有偶極共振模式耦合增強(qiáng)特性，最大響應(yīng)度為0.28 A/W，是沒有集成光子晶體探測器的20倍。同時(shí)該探測器對水平偏振方向和垂直偏振方向入射光響應(yīng)增強(qiáng)分布在不同譜段，具有高度的偏振選擇性。

在圓偏振光探測器方面，目前還僅限于單元器件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。2015年，Valentine等人設(shè)計(jì)了“Z”字形金屬銀人工手性表面超結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對近紅外左旋、右旋圓偏振光的選擇性吸收增強(qiáng)或減弱，如圖3（a）所示。南開大學(xué)陳樹琪教授課題組通過單層金納米棒陣列可以實(shí)現(xiàn)近紅外圓偏振波轉(zhuǎn)換為線性偏振波或與波長有關(guān)的電場偏振角為圓偏振波的線性偏振波，如圖3（b）所示。2018年，美國亞利桑那州立大學(xué)Bai等人提出并建立了基于單片集成表面超材料的中波紅外偏振探測器的理論模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)支持全斯托克斯參數(shù)檢測任意偏振態(tài)光，如圖3（c）所示。該團(tuán)隊(duì)獲得了美國自然科學(xué)基金委員會(huì)“超小型片式集成超構(gòu)表面偏振成像儀”項(xiàng)目的研究資助，這充分說明了美國頂尖科學(xué)家已經(jīng)開始展開了研究“芯片級(jí)”偏振信息探測，凸顯了研究“芯片級(jí)”偏振信息探測的重要性和緊迫性。2023年，來自新加坡國立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的仇成偉教授研究團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)有圓偏振光探測的困難，從幾何和對稱性的角度提出了一種新的光電探測器件設(shè)計(jì)思路，如圖3（d-g）所示，簡潔而巧妙地實(shí)現(xiàn)了具有極大區(qū)分度、高選擇性和高響應(yīng)度等特點(diǎn)的可片上集成圓偏振光探測器。目前圓偏振探測器離可以應(yīng)用的高消光比的偏振集成焦平面還有一系列技術(shù)需要突破。

圖3 （a）手性材料與半導(dǎo)體集成圓偏振光電探測器示意圖；（b）線偏振、圓偏振光相互轉(zhuǎn)換超表面材料示意圖；（c）單片集成表面超材料的中波紅外偏振探測器的理論模型；（d）圓偏振結(jié)構(gòu)對稱性設(shè)計(jì)；（e）T型結(jié)構(gòu)單元參數(shù)設(shè)計(jì)；（f）器件幾何化設(shè)計(jì)包括環(huán)形、半環(huán)形以及L型等；（g）器件實(shí)現(xiàn)高選擇性的光電響應(yīng)

偏振集成探測器線列焦平面

根據(jù)獲取目標(biāo)輻射信息的工作方式不同，紅外成像儀主要可以分為光機(jī)掃描型成像儀、推掃型成像儀以及凝視型成像儀，其中推掃型掃描成像儀采用長線列探測器作為敏感元件，能夠在無機(jī)械掃描情況下擴(kuò)大系統(tǒng)的視場。

線列探測器在光學(xué)焦面上垂直于飛行方向作橫向排列，當(dāng)飛行器向前飛行完成縱向掃描時(shí)，排列的探測器如同掃帚一樣可以掃出一條帶狀軌跡，從而得到目標(biāo)物體的二維圖像。偏振集成線列芯片配合低功耗的TDI型紅外焦平面讀出電路具備實(shí)時(shí)偏振掃描成像功能，同時(shí)可利用多級(jí)TDI電路選讀功能進(jìn)行信息互補(bǔ)提高有效像元率。與凝視型分焦平面偏振集成探測器相比，偏振集成線列焦平面的結(jié)構(gòu)更容易抑制不同偏振方向的光場串?dāng)_從而提升器件的消光比，因此研制適用于推掃型的線列偏振集成探測器具有重要的實(shí)際意義。

2013年以來，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所龔海梅研究員團(tuán)隊(duì)成功研制了集成亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)的近紅外InGaAs 偏振探測器，如圖4（a）所示，偏振光敏元的消光比優(yōu)于30:1，并對建筑物、汽車等場景進(jìn)行了成像測試。

圖4 （a） 1024×4集成亞波長金屬光柵結(jié)構(gòu)的近紅外InGaAs偏振探測器；（b）512×4×3超晶格長波紅外偏振集成探測器

2018年以來，筆者所在的中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳建新研究員團(tuán)隊(duì)通過對基于InAs/GaSb超晶格長波紅外探測器的整體建模與仿真與參數(shù)優(yōu)化，有效抑制了不同偏振像元的串?dāng)_，突破了亞微米偏振結(jié)構(gòu)制備工藝及集成工藝，獲得了消光比大于40:1的線列焦平面，如圖4（b）所示，并開展了對海面艦船、掩埋地雷等目標(biāo)的外場成像實(shí)驗(yàn)。

偏振集成探測器面陣焦平面

偏振集成面陣焦平面不僅可以實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的長時(shí)間凝視探測，還可以獲得目標(biāo)與背景的強(qiáng)度與偏振信息，還利用目標(biāo)與背景的偏振信息，提升信背比，尤其對于復(fù)雜環(huán)境下動(dòng)態(tài)高速危險(xiǎn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測、識(shí)別與跟蹤具有重要的意義。然而，不同偏振像元的串?dāng)_是導(dǎo)致分焦平面偏振集成探測器的消光比較低，因此，提升分焦平面偏振集成探測器性能主要是圍繞如何抑制不同偏振像元的串?dāng)_進(jìn)行。

一是通過減小偏振結(jié)構(gòu)與光敏元距離抑制偏振光串?dāng)_。2006年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）研制了HgCdTe長波紅外分焦平面偏振集成芯片，如圖5（a）所示。長波偏振片的消光比大于200:1，并通過銦柱與探測器互聯(lián)，且四個(gè)偏振方向的線柵與光敏元一一對應(yīng)，集成后覆蓋0°、45°、90°、135°偏振方向，消光比分別為9.5:1、8.7:1、6.3:1、9.2:1。同年，Kemme等人研究了亞波長金屬偏振片的近場效應(yīng)和衍射效應(yīng)對探測器串音的影響。發(fā)現(xiàn)對于25 μm×25 μm的像元大小，波長是3.39 μm時(shí)，把偏振片與焦平面之間的距離從0.5 μm增加到1 μm時(shí)，消光比降低30%。而當(dāng)像元大小60 μm×60 μm，距離是30 μm時(shí)，消光比降低 30%~50%，可見串音效果與光敏元尺寸和距離緊密相關(guān)。2007年，F(xiàn)orrai等人研究了規(guī)模2 k×2 k 、像元中心距為20 μm的InSb中波紅外偏振集成探測芯片，如圖5（b）所示，其消光比約為10，相比設(shè)計(jì)值低1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，其主要原因也是相鄰像元間的衍射串?dāng)_。

與背入射器件相比，正入射器件能有效減小金屬光柵到光敏區(qū)的距離，從而降低偏振串音。2008年，Malone等人把四個(gè)方向的亞波長金屬偏振光柵單片集成到中波紅外的InSb探測器和長波紅外HgCdTe探測器焦平面上。集成前偏振光柵的消光比達(dá)到100以上，而集成到焦平面后由于串音的影響致使消光比低于20。2010年，Gruev等人提出了金屬光柵直接集成的實(shí)時(shí)分焦平面CCD偏振成像傳感器，像元規(guī)模1 k×1 k，像元中心距7.4 μm，在可見光波長700 nm的最大消光比達(dá)到58，如圖5（c）所示，其后又深入分析了不同波長在不同積分時(shí)間下的響應(yīng)消光比差異，及納米線柵與像元尺寸不匹配導(dǎo)致的光學(xué)變化，以及圖像校準(zhǔn)的超像素模型。Baker等人將四個(gè)方向金屬線柵偏振片集成到襯底減薄的背入射InGaAs探測器焦平面上。

為了降低串音，金屬光柵偏振片應(yīng)該與探測器光敏區(qū)盡可能地接近，即減薄或者完全去除InP襯底。對集成到探測器之前的金屬光柵偏振片進(jìn)行偏振性能測試，平均消光比達(dá)到125。但是把相同的金屬光柵偏振片集成到背入射InGaAs探測器焦平面后，消光比降低到6，分析其原因可能是由于不同偏振方向光敏元之間的串音造成。2018年，夜視集團(tuán)北方廣微聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)趙永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)推出了具有偏振探測性能的非制冷紅外紅外焦平面探測器，該探測器適用于長波紅外偏振成像，成像規(guī)模為640×512，能夠在紅外熱成像的基礎(chǔ)上同時(shí)采集0°、45°、90°、135°四個(gè)方向熱輻射的偏振信息，但具體消光比數(shù)值沒有給出。2021年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所通過偏振片與探測器集成獲得了可見光偏振相機(jī)、制冷型長波紅外偏振相機(jī)，消光比分別為9.8:1和23.3，尤其針對偏振片與光敏元的距離對消光比的影響進(jìn)行了分析。

圖5 （a） HgCdTe長波紅外分焦平面偏振集成芯片實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)示意圖及偏振消光比測試；（b）2 k×2 k、像元中心距為20 μm的InSb中波紅外偏振集成探測芯片及微區(qū)光場分布；（c）金屬光柵直接集成的實(shí)時(shí)分焦平面CCD偏振成像傳感器示意圖及消光比測試；（d）量子阱甚長波偏振集成探測器結(jié)構(gòu)示意圖及消光比測試

二是利用等離激元微腔模式的強(qiáng)耦合偏振分光的整體設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)提升量子阱焦平面器件的偏振消光比。由于甚長波紅外探測波長與探測器像元結(jié)構(gòu)尺寸接近，其光學(xué)衍射效應(yīng)導(dǎo)致分焦平面偏振結(jié)構(gòu)的消光比低下，如何實(shí)現(xiàn)甚長波波段高的偏振消光比是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對這一難點(diǎn)，中科院上海技物所陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊(duì)建立了基于等離激元微腔的偏振分光解析的物理模型，如圖5（d）所示。由金屬線柵與金屬反射鏡夾持超薄介質(zhì)層所形成的金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)，上下金屬層間距小于2個(gè)倏逝波的波長，致使入射光在金屬層間能夠相互耦合。入射光照在上層光柵時(shí)，與光柵中的金屬等離激元相互作用，特定的結(jié)構(gòu)尺寸與特定波長的入射光發(fā)生共振，使其耦合進(jìn)入兩層金屬之間的近場微腔中并形成橫向駐波的局域等離激元（LSP）模式。這種橫向駐波恰好是滿足量子阱子帶躍遷的選擇定則，只有TM波能夠被量子阱耦合吸收，而TE波將被反射，形成絕佳的偏振選擇性，分焦平面偏振集成探測器的消光比大于116:1。

三是通過微透鏡聚光與偏振光柵分光協(xié)同減小串?dāng)_。2018年，索尼公司推出了一款集成微透鏡的可見光偏振傳感器（IMX250 MZR），像素規(guī)模2065×1565，像素尺寸為2.5 μm×2.5 μm，幀速為120幀/秒，如圖6所示。用周期為150 nm金屬線柵制作的偏振元件，實(shí)現(xiàn)了單芯片化。其中，每個(gè)微偏振片都有減反層，透射率約為63.3％，且被置于微透鏡和光敏元之間，微透鏡結(jié)構(gòu)能最大程度地減少不同方向偏振光的串?dāng)_，消光比約為85:1。此技術(shù)有望在偏振集成探測器推廣。

圖6 分焦平面偏振傳感器IMX250 MZR的結(jié)構(gòu)示意圖

此外，國內(nèi)華北光電技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)均開展了偏振探測器及成像方面的研究。

偏振集成探測器關(guān)鍵技術(shù)

偏振光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

高消光比高透過率偏振光柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)是偏振集成探測器的基礎(chǔ)，不同波長（可見光、近紅外、波紅外、長波紅外）條件下，對周期、占空比（線寬）、高度等偏振光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求不同，當(dāng)波長越短，需要越小尺寸的光柵結(jié)構(gòu)才能保證高消光比。

1）光柵高度、占空比保持不變，光柵周期越小，消光比越高，光柵的加工難度越大；

2）光柵高度、周期保持不變，金屬線柵占空比越大，消光比越高，線偏振光透過率越??；

3）光柵周期、金屬線柵占空比保持不變，線柵高度越大，消光比越高，光柵的加工難度越大。

因此，需要考慮制備工藝難度、兼顧高消光比和高的透過率的前提下確立光柵結(jié)構(gòu)。一方面要選擇對應(yīng)波長無吸收的襯底以避免吸收損耗，另一方面為減小表面反射損耗獲得高透過率的光柵需要在偏振片的雙面設(shè)計(jì)并鍍制寬帶減反膜層以保證單一偏振光的高透過率。

在偏振光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，筆者選擇對長波紅外無吸收的Si為集成光柵的襯底，金屬線柵為Al，如圖7（a）所示，分析了長波紅外波段透射光偏振消光比與金屬光柵周期、光柵線寬及光柵高度的關(guān)系，如圖7（b-d）所示，從仿真結(jié)果可以看到，在8~14 μm長波波段，選擇光柵周期1 μm、占空比0.5、高度0.35 μm的參數(shù)條件，可以使偏振消光比大于300:1。

圖7 偏振光柵設(shè)計(jì)示意圖以及消光比與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)（周期、線寬、高度）的關(guān)系

獲得光柵的參數(shù)后，筆者從器件實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)進(jìn)行了高消光比高透過率亞微米光柵結(jié)構(gòu)與探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合及一體化設(shè)計(jì)?？紤]了不同方向入射光對線列器件消光比的影響。由圖8（a）、8（b）可以發(fā)現(xiàn)小傾斜角度（與光敏面法線夾角<15°）入射光條件小對消光比的影響很小，傾斜角度大于20°后消光比急劇下降，傾斜角度大于40°后消光比接近于1。

圖8 消光比（a）、光吸收（b）與入射角度的關(guān)系；（c）消光比與偏振片和光敏元距離的關(guān)系；（d）不同距離（5 μm、50 μm、200 μm）光場分布

對于超像元（0°、45°、90°、135°）偏振探測器，如圖8（c）給出了消光比與偏振光柵和光敏元的距離的關(guān)系。與線列偏振探測器相比，要求偏振光柵與光敏元的距離更近才能獲得高的消光比，偏振光柵與光敏元的距離需要控制在20 μm之內(nèi)才能保證消光比優(yōu)于10 : 1。通過偏振光柵與光敏元不同距離（5 μm、50 μm、200 μm）的光場分布也可以看出，距離增大造成了消光比的降低，如圖8（d）所示。

亞微米偏振光柵制備與集成工藝

偏振光柵的金屬膜層材料可以選取鋁、金等，金屬層的鍍制有電子束蒸發(fā)、磁控濺射等。亞微米金屬光柵的制備有兩種方法，一種方法是對金屬層的濕法剝離，另一種方法是對金屬層進(jìn)行刻蝕，主要流程如圖9所示。金屬剝離工藝其優(yōu)點(diǎn)是得到的亞微米圖形邊緣陡直，圖形尺寸精確，但是當(dāng)光柵的周期較小、金屬線柵的占空比較大，尤其是對金屬層的厚度較厚時(shí)存在難以剝離的難題，同時(shí)對光刻膠曝光厚度、顯影等又提出了新的要求。金屬刻蝕工藝主要包括濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低，但是其缺點(diǎn)是鉆刻現(xiàn)象比較嚴(yán)重、對圖形的控制性較差，不能用于小的特征尺寸，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害的化學(xué)廢液。干法刻蝕優(yōu)點(diǎn)是各向異性較好，選擇比較高，可控性、重復(fù)性較好，處理過程未引入化學(xué)廢液污染，同時(shí)潔凈度也較高，但是也存在設(shè)備復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

圖9 亞微米偏振光柵制備主要流程。（a）剝離法；（b）刻蝕法

在硅襯底上采用干法刻蝕法制備的金屬鋁光柵，包括0°、60°、120°偏振方向光柵和0°、45°、90°、135°偏振方向光柵，金屬線柵均勻、陡直度好，如圖10（a）、圖10（b）所示。為了保證偏振光透過率，在偏振片的正反兩面鍍制了寬帶減反膜層，在8~14 μm波段的透過率大于90%，偏振消光比大于100:1，如圖10（c）、10（d）所示。

圖10 不同偏振角度光柵SEM圖。（a） 0°、60°、120°偏振方向光柵；（b） 0°、45°、90°、135°偏振方向光柵；（c）鍍制減反膜前后光柵透過率；（d）光柵偏振消光比

獲得高消光比偏振片后，通過銦柱等將偏振片與探測器集成。優(yōu)點(diǎn)是混成芯片與偏振結(jié)構(gòu)可以各自制備，可以避免偏振結(jié)構(gòu)的制備工藝有可能對芯片性能造成影響，提升偏振探測器的成品率。偏振結(jié)構(gòu)與混成芯片互連時(shí)對不同偏振角度與像元的一一對應(yīng)精度要求更高，尤其對偏振片與光敏元的距離控制、偏振片和光敏面的面形控制更嚴(yán)格。互連結(jié)構(gòu)在封裝過程中有可能影響整個(gè)組件的可靠性。

偏振集成探測器的測試方法

集成后的器件進(jìn)行紅外偏振探測性能的測試。偏振消光比的測試是在已有的紅外焦平面組件測試評價(jià)系統(tǒng)上增加起偏器，起偏器需要緊貼面源黑體與被測器件窗口以減小不同偏振方向雜散光進(jìn)入窗口引起串?dāng)_，獲得偏振輻射進(jìn)行測試。起偏器需要采用高消光比偏振片，對起偏器進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描，同時(shí)測試不同偏振方向像元的響應(yīng)值，通過不同偏振角度對應(yīng)的最大最小值的比值計(jì)算其消光比。在理想條件下，需要將起偏器進(jìn)行液氦冷卻，最大限度地減少包括起偏器自身輻射導(dǎo)致的雜散光串?dāng)_，如圖11（a）所示，以此得到更接近器件真實(shí)的消光比。

圖11 （a）偏振集成探測器測試系統(tǒng)示意圖；（b）512×4×3制冷型InAs/GaSb超晶格長波紅外偏振集成焦平面芯片及組件；（c）組件消光比測試

筆者所在課題組將偏振片與長波紅外探測器集成獲得了像元規(guī)模512×4×3制冷型超晶格長波紅外偏振集成焦平面，如圖11（b）所示。組件截止波長10.65 μm、峰值探測率5.29×101? cm Hz1/2 W?1、有效像元率98.2%、非均勻性7.2%、動(dòng)態(tài)范圍66 dB，0°、60°、120°偏振光敏元的消光比分別為50:1、49:1、45:1，如圖11（c）所示。對不同方向入射光以及偏振光柵與像元間的距離對消光比的影響進(jìn)行了分析，并完成了對外場目標(biāo)偏振成像效能驗(yàn)證。

偏振圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)

由于人類視覺無法直接感知偏振系統(tǒng)，已經(jīng)開發(fā)了各種映射偏振信息被呈現(xiàn)用于顯示，其中包括從偏振到顏色的映射。最常見的偏振顏色之一映射基于人類顏色之間的相似性視覺和昆蟲偏振視覺，因此在強(qiáng)度、偏振度、偏振角成像的基礎(chǔ)上，美國新南威爾士大學(xué)Tyo等人提出了偏振彩色成像，將偏振角、偏振度、強(qiáng)度分別與色調(diào)（H）、飽和度（S）和明度（V）一一映射。這種映射具有正交極化的優(yōu)點(diǎn)，偏振度對應(yīng)的信息（s1和s2）轉(zhuǎn)化為正交顏色感知通道，包括紅色/綠色和藍(lán)色/黃色對置。圖12給出了不同方式的成像效果對比。

圖12 （a）強(qiáng)度成像；（b）偏振度成像；（c）偏振角成像；（d）HSV偽彩色成像；（e）優(yōu)化算法HSV偽彩色成像；（f）最優(yōu)算法HSV偽彩色成像

在偏振編碼成像方面，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Ozcan教授在新的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入了偏振編碼機(jī)制，使用單個(gè)衍射處理器通過偏振多路復(fù)用執(zhí)行一組或多個(gè)復(fù)雜的線性轉(zhuǎn)換并結(jié)合深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行不同的輸入和輸出偏振組合完成全偏振光計(jì)算與融合，極大地增強(qiáng)了光學(xué)信息處理系統(tǒng)的圖像分類、分割、加密和濾波等功能。

偏振探測典型應(yīng)用

偏振成像可用于反偽裝、抗干擾、提高復(fù)雜背景下目標(biāo)的探測識(shí)別能力。近年來，美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、美國亞利桑那大學(xué)、英國國防科技實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)分別針對小型遙控?zé)o人機(jī)、偽裝卡車、地雷等典型目標(biāo)開展了偏振成像測試與應(yīng)用。此外，偏振集成探測器在面部識(shí)別、無人駕駛道路識(shí)別、海面漏油檢測、水下成像及醫(yī)療檢測等領(lǐng)域也顯示出巨大的優(yōu)勢與前景。

1）低小慢目標(biāo)探測

美國空軍實(shí)驗(yàn)室開展了對空目標(biāo)偏振成像跟蹤實(shí)驗(yàn)。對小型遙控?zé)o人機(jī)在多云天空、樹林、草地等不同背景下進(jìn)行長波紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)，如圖13所示。與長波紅外強(qiáng)度成像相比，長波紅外偏振成像信背比提升了3.4～35.6倍，最大虛警率由0.52降低為0.01。在多云、霧霾、樹林等的天空背景下，長波紅外偏振成像可以有效抑制雜波，更能凸顯出目標(biāo)。

圖13 小型遙控?zé)o人機(jī)長波紅外偏振成像與可見光、紅外強(qiáng)度成像結(jié)果對比

2）叢林背陰偽裝目標(biāo)探測

美國亞利桑那大學(xué)Tyo 等人對草地背陰下卡車進(jìn)行了可見光及長波紅外強(qiáng)度成像和偏振成像對比實(shí)驗(yàn)，如圖14所示。在目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度相近或者目標(biāo)被半遮擋/遮擋時(shí)，傳統(tǒng)強(qiáng)度成像技術(shù)很難分辨出樹蔭下的兩輛卡車，而偏振成像可以清晰地將目標(biāo)從背景中凸顯出來。

圖14 樹蔭下的兩輛卡車紅外偏振成像與紅外強(qiáng)度成像結(jié)果對比

3）地下掩體目標(biāo)探測

英國國防科技實(shí)驗(yàn)室利用紅外偏振技術(shù)開展掃雷實(shí)驗(yàn)。長波紅外偏振成像利用地下掩體目標(biāo)輻射產(chǎn)生的擾動(dòng)偏振信息以區(qū)分識(shí)別目標(biāo)與背景。圖15為地雷的傳統(tǒng)成像和偏振成像對比圖，由圖中可以看出，紅外偏振成像可以在雜亂的草叢、沙礫中清晰地分辨出掩埋在地下的地雷，該技術(shù)在掩體、遮蔽目標(biāo)檢測方面相對于強(qiáng)度成像呈現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。

圖15 地雷長波紅外偏振成像與紅外強(qiáng)度成像結(jié)果對比

4）海面雜波背景艦船目標(biāo)探測

筆者所在課題組利用研制的高消光比長波偏振探測組件開展了海面艦船目標(biāo)的成像實(shí)驗(yàn)。圖16為薄霧等天候條件下對海面艦船的偏振成像與強(qiáng)度成像對比。在薄霧等天候條件下目標(biāo)表面溫度與水溫相近，由此單一的強(qiáng)度探測會(huì)產(chǎn)生熱交叉現(xiàn)象。在紅外熱成像中，往往會(huì)受到水雜波的影響導(dǎo)致信背比降低，很難從強(qiáng)度圖像中分辨出目標(biāo)。但艦船目標(biāo)和海面的紅外偏振特性具有較大差異，可以通過獲得紅外偏振度和偏振角圖像顯著提升信背比，偏振信背比較強(qiáng)度信背比提升120倍，有助于解決在海面背景下熱交叉目標(biāo)的探測難題，提升目標(biāo)探測識(shí)別能力。

圖16 水面艦船目標(biāo)長波紅外偏振成像與紅外強(qiáng)度成像結(jié)果對比

5）面部偏振成像識(shí)別

夜間觀察人類的唯一途徑是利用傳統(tǒng)的熱成像技術(shù)，但其成像質(zhì)量會(huì)受鬼影效應(yīng)的影響，導(dǎo)致人體識(shí)別所需的詳細(xì)面部特征丟失。然而當(dāng)強(qiáng)度圖像中包含偏振信息時(shí)，人們便可獲得精細(xì)的面部細(xì)節(jié)，以供面部識(shí)別算法使用。近年來，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）計(jì)算與信息科學(xué)部的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Gurton課題組在偏振成像面部識(shí)別方面做了大量工作，并主要集中在用于合成增強(qiáng)可視化圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)算法上，以便更好地對可見光圖像、傳統(tǒng)熱圖像及偏振圖像進(jìn)行信息匹配融合，旨在另辟蹊徑為處在黑暗復(fù)雜環(huán)境中的士兵帶來性能更高的視覺技術(shù)，占據(jù)戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán)。圖17給出了傳統(tǒng)紅外熱成像和偏振成像面部識(shí)別對比，顯示了偏振成像在面部識(shí)別方面的優(yōu)勢。

圖17 傳統(tǒng)紅外熱成像和偏振成像面部識(shí)別對比

6）無人駕駛道路偏振探測識(shí)別

目前，在無人駕駛場景識(shí)別中，采集的大多數(shù)樣本都是基于RGB圖像并涉及少許熱圖像。傳統(tǒng)的基于視覺的道路檢測技術(shù)通常應(yīng)用顏色和紋理信息，其在夜間低照明條件下往往表現(xiàn)不佳。因?yàn)槠駡D像是非?？煽康孛枋鑫矬w的重要物理特性，根據(jù)道路的紅外偏振特征及道路與背景的偏振特性差異，實(shí)現(xiàn)對道路的單目、實(shí)時(shí)、全天檢測。西北工業(yè)大學(xué)趙永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于分焦平面紅外偏振成像的全時(shí)道路檢測裝置與方法，如圖18所示。通過偏振成像建立了一個(gè)長波紅外分焦平面探測器對道路場景下的數(shù)據(jù)集（LDDRS）并進(jìn)行了偽彩成像，設(shè)計(jì)了一個(gè)道路區(qū)域感知特征融合模塊，充分發(fā)揮深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，具有更快的識(shí)別速度和更高的識(shí)別精度。

圖18 偏振識(shí)別網(wǎng)絡(luò)示意圖。偏振導(dǎo)向分支和主分支與道路區(qū)域特征模塊感知融合，并將其饋送到控制頭部中樞進(jìn)行智能決策

7）海面漏油偏振成像檢測

由于海面油的溫度與水溫相差極小，區(qū)分油水的溫差對傳統(tǒng)的熱成像儀的靈敏度要求極高。偏振成像利用油與水的偏振特性差異，意大利那不勒斯帕泰諾佩大學(xué)Nunziata教授團(tuán)隊(duì)開展了海面漏油檢測，圖19分別給出了偏振成像與傳統(tǒng)熱成像的對比，偏振成像對比度提升明顯。另外，中國地質(zhì)大學(xué)陳啟浩教授團(tuán)隊(duì)、中國石油大學(xué)宋冬梅教授團(tuán)隊(duì)也分別進(jìn)行了海面漏油的偏振成像檢測實(shí)驗(yàn)研究。

圖19 傳統(tǒng)紅外熱成像和偏振成像海面漏油檢測對比

8）醫(yī)療偏振成像檢測

癌癥的術(shù)中劃定是腫瘤學(xué)中的一個(gè)重要問題。一種可靠的對惡性乳腺組織的界定檢測方法將降低模糊陽性邊緣而導(dǎo)致的再次切除率。美國羅切斯特大學(xué)Yaroslavsky教授團(tuán)隊(duì)提出了一種識(shí)別乳腺癌癥邊緣的熒光偏振成像和偏振敏感（PS）光學(xué)相干斷層掃描（OCT）新方法。與標(biāo)準(zhǔn)OCT相比，由偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描和熒光偏振成像相結(jié)合顯示了癌癥與結(jié)締組織之間更高的對比度，如圖20所示。此技術(shù)有望用于術(shù)中乳腺癌癥的劃定。

圖20 傳統(tǒng)OCT成像與熒光偏振成像和偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描成像對比

結(jié)論與展望

片上集成的紅外偏振探測芯片作為下一代新型光電成像技術(shù)的重要載體之一，可以同時(shí)獲取到紅外輻射的強(qiáng)度和偏振等多維信息，且具有體積小、可靠性高等優(yōu)勢，是未來紅外偏振成像系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文第一、二部分介紹了紅外偏振集成探測器概念內(nèi)涵與研究進(jìn)展，從最早的區(qū)域偏振集成探測器到像元級(jí)偏振集成探測器，從線列偏振集成探測器到面陣偏振集成探測器的發(fā)展歷程。第三部分介紹了紅外偏振集成探測器關(guān)鍵技術(shù)，主要包括偏振集成探測器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)對器件性能的影響，介紹了亞微米偏振光柵結(jié)構(gòu)的制備方法、集成工藝以及偏振性能測試系統(tǒng)等。第四部分主要介紹了紅外偏振集成探測器成像的偽彩色圖像重構(gòu)方法以及其在復(fù)雜場景下典型目標(biāo)探測與識(shí)別中的應(yīng)用。第五部分介紹了上海技物所長波紅外偏振焦平面組件的研制及偏振成像效能驗(yàn)證的新進(jìn)展。

紅外偏振成像基于某些場景下的應(yīng)用需求表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，但同時(shí)也面臨著接受輻射能量偏振信號(hào)過濾導(dǎo)致的信噪比降低以及空間分辨率降低的巨大挑戰(zhàn)，需要在硬件和軟件兩方面持續(xù)努力突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸。在偏振集成器件性能方面，需要協(xié)同超表面結(jié)構(gòu)調(diào)控光場繼續(xù)提高偏振集成探測器的消光比；在圖像重構(gòu)與融合方面，需要通過偏振編碼算法理清目標(biāo)和背景的偏振特性以及不同媒介中偏振的傳輸特性等，并在相關(guān)的應(yīng)用場景中體現(xiàn)其對典型目標(biāo)成像探測中信背比大幅提升的重要價(jià)值。

這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61904183、61974152、62004205、62104236、62104237、62222412）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3606800）、上海市啟明星培育項(xiàng)目揚(yáng)帆專項(xiàng)（21YF1455000、22YF1455800）、上海市“基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃”資助項(xiàng)目（JCYJ-SHFY-2022-004）和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（CX-399、CX-455）的資助和支持。

審核編輯：劉清