短波紅外偏振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

李子園，金偉其

（北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

引言

傳統(tǒng)成像系統(tǒng)一般用于探測一定光譜波段的光輻射強(qiáng)度，從而對該場景進(jìn)行成像。而多光譜成像系統(tǒng)則可以對場景進(jìn)行多個光譜波段的成像，進(jìn)而提供某目標(biāo)物或場景的材料分布信息。然而，由于地物、植被和偽裝等背景可能與目標(biāo)物具有相當(dāng)?shù)妮椛鋸?qiáng)度和輻射紋理，能從復(fù)雜的背景輻射中更有效地探測和識別目標(biāo)物的偏振成像系統(tǒng)便成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。特別是，可見光、近紅外和短波紅外通常與中波、長波紅外具有互補(bǔ)關(guān)系。與中長波紅外成像利用室溫景物自身發(fā)射的熱輻射不同，短波紅外成像利用的是室溫景物的反射進(jìn)行成像或者利用高溫物體的輻射成像。與可見光和近紅外相比，人造材料在短波紅外波長中更是有獨(dú)特的反射方式，且短波紅外具有更好的大氣傳輸特性。因此，短波紅外偏振成像技術(shù)可更加有效地區(qū)分自然物和人造物，提高復(fù)雜環(huán)境中目標(biāo)物的探測及成像能力，不僅更容易發(fā)現(xiàn)被偽裝的目標(biāo)物，分辨背景輻射較強(qiáng)而自身輻射較弱的目標(biāo)物，而且可提高在煙霧環(huán)境下的目標(biāo)探測距離[1]，具有高識別度、全天候適應(yīng)、微光夜視、隱秘主動成像、光學(xué)配置相對簡便等突出的應(yīng)用特征，被廣泛應(yīng)用于多個軍事和民用領(lǐng)域，例如導(dǎo)彈追蹤[2]、地雷探測[1,3]、軍事目標(biāo)偽裝[4]、醫(yī)學(xué)診斷[5-6]、海洋環(huán)境監(jiān)測[1]、航空遙感與大氣探測[7]，以及空間碎片探測[1]。

目前，根據(jù)采用的探測器或偏振光學(xué)成像方式的不同，已發(fā)展了多種具有特色的偏振成像模式。分時偏振成像系統(tǒng)[8-10]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，但無法獲得同時刻的偏振圖像，不利于對運(yùn)動狀態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行探測。分振幅偏振成像系統(tǒng)[9,11-13]可同時獲得目標(biāo)場景的各個偏振態(tài)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，對配準(zhǔn)的要求也較高[3,9]。也有研究人員利用分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)[13-15]實(shí)現(xiàn)同一個焦平面探測器的成像，但需要多組相同的偏心光學(xué)子系統(tǒng)，通過在各子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置偏振濾光片或者偏振片，再通過中繼透鏡來實(shí)現(xiàn)，因此光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，微偏振濾光片的光學(xué)損失也會降低畫面的質(zhì)量[3,9,14]。因此，隨著微納加工技術(shù)的飛速發(fā)展，利用先進(jìn)的工藝直接將微光學(xué)偏振元件與焦平面探測器相結(jié)合的分焦平面偏振成像系統(tǒng)[16-17]應(yīng)運(yùn)而生，可有效減小對前端光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和偏振成像系統(tǒng)的體積。近幾年，通過半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[18-19]，不僅可以實(shí)現(xiàn)高效的光電探測和成像，而且可以直接探測光偏振信號。這些新型的微納結(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn)小體積可便攜式偏振成像系統(tǒng)以及擴(kuò)展在遙感、機(jī)器視覺和車載自主等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

本文首先介紹了傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類和特點(diǎn)，以及近幾十年的發(fā)展歷程，然后著重討論了新型微納偏振成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展，最后指出了國內(nèi)外在短波紅外偏振成像技術(shù)存在的主要問題，并給出了合理的建議。

1 傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)

傳統(tǒng)的偏振成像方法與光譜成像相似，需要采集3 個或4 個圖像[1,3,9]來表征一個場景的偏振狀態(tài)。由于分時獲取多幀偏振成像中場景的任何運(yùn)動都會導(dǎo)致偽影，可能掩蓋真正的兩極分化特征，因而存在時間圖像配準(zhǔn)問題，必須同時獲取圖像或盡快獲取以盡量減少平臺或場景運(yùn)動引起的偽影。減小偽影的方法是同時獲取多個圖像，但空間配準(zhǔn)就變成了需要解決的問題。由于分離引起的畸變光路，多重空間配準(zhǔn)需要校正機(jī)械錯位以及光學(xué)“錯位”，故而變得復(fù)雜。雖然簡單的測量極化信息的方法是使用單獨(dú)的相機(jī)以及配備的獨(dú)立光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)圖像的共視，但是這種策略很難執(zhí)行得當(dāng)，因此許多新的集成技術(shù)逐漸被研發(fā)和使用。

1.1 分時偏振成像系統(tǒng)

一種常用的偏振成像方法,如圖1 所示，在攝像頭系統(tǒng)前安裝旋轉(zhuǎn)偏振元件。通過旋轉(zhuǎn)偏振元件可以調(diào)制從場景入射到焦平面的偏振光，并通過數(shù)據(jù)約簡矩陣技術(shù)（data reduction matrix techniques）重塑斯托克斯（Stoke）圖像，可用于產(chǎn)生線性極化、圓極化度或其他派生量（例如方向或橢圓率）的圖像[9]。2005 年美國的Polaris Sensor Technologies 公司就利用旋轉(zhuǎn)延遲器將紅外光的偏振信息傳送到偏振器傳感頭和液氮冷卻的MTC 焦平面陣列上，用于探測水面游泳運(yùn)動員[8]。使用線性偏振對比度探測水上的目標(biāo)物，然后根據(jù)輻射對比度即可對目標(biāo)物進(jìn)行分類[8]。2009 年，Lavigne等人則研發(fā)了一套如圖2 所示的四波段偏振成像系統(tǒng)，對長波紅外、中波紅外、短波紅外以及可見光進(jìn)行探測[10]。通過在四波段成像系統(tǒng)前面安裝同步旋轉(zhuǎn)的偏振片，按特定時間間隔可依次獲得0°、45°、90°和135°的偏振圖像。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的全面自動化，整個圖像的捕獲過程只需不到2 min 30 s。

圖1 使用旋轉(zhuǎn)偏振元件的偏振傳感器[9]Fig.1 Schematic diagram of polarization sensor using rotating polarization elements[9] (reproduced with permission,copyright 2006,Optical Society of America)

圖2 可見紅外光譜偏振成像儀[10]Fig.2 Visible and infrared spectral polarization imager[10](reproduced with permission,copyright 2009,SPIE)

這種方法雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析方面都非常簡單，但存在一些明顯的缺點(diǎn)。大多數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)元件已經(jīng)是一個偏振器，因而只能檢測線性偏振態(tài)。此外，場景和測試平臺必須是靜止的，以避免引入幀間運(yùn)動[9]。為了保證圖像的質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)速度要么太慢而無法實(shí)現(xiàn)更高的幀速率，要么偏光片需要跟著場景逐步移動來獲取運(yùn)動間的圖像。即使最近在連續(xù)旋轉(zhuǎn)偏振器方面已取得一定成功[8,10]，在采集期間如果有較多場景傳感器移動時，仍會因?yàn)樾D(zhuǎn)元件引起的光束漂移而產(chǎn)生偽影。如果旋轉(zhuǎn)中存在楔子或者元件有震顫，也會導(dǎo)致光束漂移。

因此，基于聲光可調(diào)諧濾光片（acousto-optic tunable filter,AOTF）的偏振成像儀得到大力發(fā)展[1,20]。AOTF 利用聲光衍射原理制成濾光片，既是分光器件又是偏振器件，可同時獲得兩個偏振方向互相垂直的衍射圖像和一個未發(fā)生衍射的圖像。2002年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.army research laboratory，ARL）設(shè)計(jì)了主要由AOTF和液晶相位可變延遲器（liquid crystal variable retarder，LCVR）組合而成的偏振光譜成像系統(tǒng)[21]，如圖3 所示。通過AOTF 前放置的LCVR 對每個波長產(chǎn)生兩個相位延遲，即可以用一個相機(jī)對兩個正交偏振的衍射光束進(jìn)行成像。它不僅覆蓋了0.4 μm～11.5 μm 的寬光譜范圍，而且是電子控制，可實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)和更好的時效性。隨后，該小組對基于AOTF 的成像偏振光譜系統(tǒng)（imaging spectropolarimeter,ISP）進(jìn)行了更深入地研究，研制出了寬波段、小型化、穩(wěn)定的、可進(jìn)行編程的ISP 型號，并于2007 年研制了基于兩個LCVR 和AOTF 的全Stokes ISP[22-24]，如圖4 所示。

圖3 AOTF 偏振光譜成像儀設(shè)計(jì)原理[21]Fig.3 Design principles of AOTF polarization spectral imager[21] (reproduced with permission,copyright 2002,SPIE)

圖4 基于AOTF 的全Stokes ISP 系統(tǒng)[23]Fig.4 AOTF-based full Stokes ISP system[23] (reproduced with permission,copyright 2007,OSA)

1.2 分振幅偏振成像系統(tǒng)

分振幅偏振成像系統(tǒng)最初由Garlick 等人提出并建造的雙通道系統(tǒng)[25]，逐漸發(fā)展成為圖5 所示的全斯托克振幅旋光儀[11-12]，其第4 個相機(jī)位于四分之一波片后方的分光鏡之上。這樣的旋光儀一般由4 個獨(dú)立的焦平面陣列組成[9,26]。4 個獨(dú)立的相機(jī)分別與一系列偏振分束器、減速器和中繼透鏡組成一條光路，以實(shí)現(xiàn)偏振成像。剛性機(jī)械支架用于將攝像頭支撐在面向4 個光路的出口位置。偏振分束光路用于實(shí)現(xiàn)直線和圓形偏振，而4 個攝像機(jī)可同時捕捉4 幅圖像，以計(jì)算完整斯托克斯圖像，并消除由采集過程中場景變化引發(fā)的虛假偏振效應(yīng)。

圖5 振幅旋光儀[26]Fig.5 Schematic diagram of amplitude polarimeter[26] (reproduced with permission,copyright 2002,SPIE)

這里分束塊包括3 個分光鏡（一個80/20 分光鏡和兩個50/50 分光鏡）、一個四分之一波片和一個半波片減速器。分束塊的每條路徑可用于分析入射極化的不同方面，從而用于測量完整的斯托克斯矢量[26]：

式中：H、V、45 和135 是水平、垂直、45°、135°的線偏振態(tài)；R、L的強(qiáng)度是左右圓極化狀態(tài)下的強(qiáng)度。這樣的設(shè)計(jì)可以有效地利用偏振光而幾乎無光吸收或反射的損耗。此外，被分析的偏振態(tài)盡可能接近正交，并均勻地分布在各個可能的入射極化上。

但是，這種系統(tǒng)一般尺寸都過大，且需要嚴(yán)格的系統(tǒng)校準(zhǔn)，以達(dá)到機(jī)械和光學(xué)對準(zhǔn)所需的要求。此外，中繼鏡頭的位置偏差也可能導(dǎo)致4 個通道中的每個通道的畸變，因而需要進(jìn)行后期處理來共同注冊這4 幅圖像[27]。只有在需要完整的空間分辨率，而大小和成本不是問題時，這種方法是合適的選擇。

1.3 分孔徑偏振成像系統(tǒng)

2005 年，Polaris Sensor Technologies 公司研發(fā)了一套如圖6(a)所示的中波紅外分孔徑偏振成像系統(tǒng)[14]。2014 年，蘇州大學(xué)賀虎成也研制了可見光的分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)[15]。這樣的系統(tǒng)一般由一個焦平面陣列(FPA)和一套成像系統(tǒng)組成，可以將多個圖像投影到一個焦平面上。一個標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)物鏡用于在孔徑上形成場景圖像，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)再將該圖像均勻投射到幾個微型透鏡陣列上。在每個微型透鏡陣列后面放置不同的偏振器，就可以在焦平面陣列上形成不同偏振態(tài)圖像（見圖6(b)）。對于這種偏振儀設(shè)計(jì)，不僅可以使用0°、45°、90°和135°方向上的線性偏振器，還可以使用其他偏振元件來測量圓偏振狀態(tài)。精準(zhǔn)的定位既可以同時獲取所有極化數(shù)據(jù)，又可以確保所有極化通道是共視的。因?yàn)楣饴份^短，一旦光學(xué)元件被固定后，光路的對準(zhǔn)相對于分振幅旋光儀也會更穩(wěn)定。因此，該系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且在被動傳感器（寬光譜照明）和有源單色傳感器中都可以應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)是空間分辨率的損失（每個線性尺寸的系數(shù)為2）以及附加成像光學(xué)元件的體積和重量[9]。此外，匹配傳輸、變跡、放大和通道之間的失真等方面的問題都不容忽視。還應(yīng)該指出的是，由于連續(xù)光源的相干散射和干涉，這種策略更難在連續(xù)光源照明的情況下使用[9]。

圖6 分孔徑偏振成像系統(tǒng)[14]Fig.6 Aperture-divided polarization imaging system[14] (reproduced with permission,copyright 2005,SPIE)

總體來說，傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)主要利用各種光路和傳統(tǒng)探測器實(shí)現(xiàn)偏振探測，搭建過程較為簡單，無需進(jìn)行特殊加工工藝，但通常系統(tǒng)體積較大、光路復(fù)雜、校準(zhǔn)要求高且光損失較大。

2 新型微納偏振成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展

短波紅外成像技術(shù)也促進(jìn)了短波紅外偏振成像技術(shù)的發(fā)展，從原理上講，短波紅外焦平面探測器配置相應(yīng)的偏振光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)上述分時、分孔徑和分振幅的偏振成像模式。但是，由于目前InGaAs 短波紅外焦平面探測器的靈敏度有限，分焦平面偏振模式或一些新型短波紅外偏振探測器的模式更吸引人們的關(guān)注。

2.1 分焦平面偏振成像系統(tǒng)

由于焦平面陣列（focal plane array,FPA）技術(shù)的最新進(jìn)展，可將微光偏振元件直接集成在焦平面陣列上[13,16,28]，從而實(shí)現(xiàn)圖7 所示的分焦平面偏振成像系統(tǒng)[1,9]，在每個圖像幀里都能獲取所需的極化數(shù)據(jù)。1999 年，Nordin 等人將包含偏振濾波器陣列的衍射光學(xué)元件（diffractive optical element，DOE）集成在InSb 焦平面上，實(shí)現(xiàn)了全斯托克斯偏振成像系統(tǒng)[16]。該DOE 由256 × 256 的極化濾波器單元陣列組成，每個單元由一個基于線柵偏振片的2 × 2 極化濾波器陣列組成，分別用于水平、垂直、45°和順時針圓偏振光。圖7（b）則展示了每個單元中兩個偏振濾波器的橫截面圖?；贒OE 的偏振濾波器陣列隨后集成在512 ×512 像素的FPA 上。因?yàn)槊恳粋€極化濾波單元用于測量最終圖像中單個像素的偏振信息，該DOE/FPA 系統(tǒng)最終生成的圖像將含有256 × 256個像素。

圖7 分焦平面偏振成像系統(tǒng)[16]Fig.7 Divided focal plane polarization imaging system[16](reproduced with permission,copyright 1999,SPIE)

短波紅外成像技術(shù)也促進(jìn)了短波紅外偏振成像技術(shù)的發(fā)展，從原理上講，短波紅外焦平面探測器配置相應(yīng)的偏振光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)上述分時、分孔徑和分振幅的偏振成像模式。但是由于目前InGaAs 短波紅外焦平面探測器的靈敏度有限，分焦平面偏振模式或一些新型短波紅外偏振探測器的模式更吸引人們的關(guān)注。

該系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，場景中每個像素的所有偏振測量都是同時進(jìn)行的，用于斯托克斯矢量估計(jì)的測量值都是由同一視場的相鄰像素點(diǎn)組建。因此，分焦平面偏振成像系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和研究，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)光譜多個波段的成像，包括可見光、短波紅外和長波紅外[1]。大多數(shù)焦平面陣列偏振系統(tǒng)僅針對線性極化，但全斯托克斯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也在逐步發(fā)展中。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，為了計(jì)算焦平面陣列上每個像素點(diǎn)的斯托克斯矢量，須對圖像進(jìn)行2 × 2（或更大）的卷積，因此會在空間分辨率和偏振信息之間進(jìn)行權(quán)衡。另外，相鄰像素的瞬時視野（IFOV）原則上不重疊，因而該系統(tǒng)在斯托克斯矢量計(jì)算中容易存在像素到像素的配準(zhǔn)誤差。通過使光斑擴(kuò)展散焦和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理[29-30]，誤差可得到部分緩解。

目前大部分研究都使用金屬線柵實(shí)現(xiàn)周期性微偏振片陣列。2010 年，美國圣路易斯華盛頓大學(xué)Gruev 等通過將4 個不同偏振方向的鋁納米線柵濾波器陣列集成到CCD 成像陣列上，制備了一種能夠記錄光學(xué)圖像的成像傳感器，獲得了45 dB的信噪比，并以45 幀/s 的速度捕獲可見光譜范圍的偏振圖像[31]。2014 年，大連理工大學(xué)Chu 等使用納米壓印技術(shù)制備了雙層鋁納米線柵并集成到探測器上，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光波段的偏振探測[32]。2015年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張志剛也將基于鋁納米線柵的像素式微偏振片陣列集成到CCD 相機(jī)上，采用線性插值的方法從采集的單幀圖像獲得4 幅不同相移量時的干涉條紋圖,從而獲得物光波的相位信息，并成功測量了由溫度變化引起的相位動態(tài)變化,證實(shí)了該方法在實(shí)時動態(tài)相位測量應(yīng)用方面的可行性[33]。2016 年，河南理工大學(xué)和中科院重慶綠色智能研究院Lu 等則通過在硅襯底兩側(cè)制作雙層線柵，研制了高消光比寬帶太赫茲偏振器[34]。同年，耶拿大學(xué)Siefke 等研制了基于二氧化鈦線柵結(jié)構(gòu)的偏振系統(tǒng)[35]，通過使用自對準(zhǔn)雙圖案化技術(shù)制備周期較小、縱橫比較大的光柵，可用于190 nm～280 nm 的遠(yuǎn)紫外光譜偏振探測。但可以看到的是，雖然該系統(tǒng)獲得了較高的偏振消光比，但透射率只有10%～16%，意味著大部分光都已損耗而沒有被探測到。2019 年，長春理工大學(xué)陳星等使用電子束光刻技術(shù)制備周期性的鋁納米線柵陣列，并利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同深度的鋁納米線柵刻蝕，表征了金屬線柵形狀和深度的設(shè)計(jì)對偏振探測的影響[36]。

2019 年，美國哈佛大學(xué)Rubin 等在Science 雜志上提出了基于TiO2超表面光柵的緊湊型全斯托克斯偏振相機(jī)[17]。在沒有傳統(tǒng)的偏振光學(xué)和運(yùn)動部件支持下，僅通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化圖8 所示的絕緣體超表面納米結(jié)構(gòu)，即可集成到相機(jī)上獲得可見光譜范圍的全斯托克斯偏振態(tài)測量。2021 年，法國蔚藍(lán)海岸大學(xué)Song 等通過設(shè)計(jì)GaN 超表面光柵成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的寬帶波前整形，包括光束偏轉(zhuǎn)器和白光全息圖[37]。2022 年，中國南京大學(xué)Ren等設(shè)計(jì)了基于橢圓形TiO2超表面結(jié)構(gòu)的全斯托克斯偏振鏡，可提供入射光兩個正交極化態(tài)的不相關(guān)相位信息，從而實(shí)現(xiàn)入射光各偏振態(tài)的高效空間分離[38]。但這些設(shè)計(jì)需要大量的模擬實(shí)驗(yàn)，光柵和相機(jī)的集成工藝和后期的數(shù)據(jù)處理也都很有挑戰(zhàn)。另外，超表面光柵的光損耗也不容忽視。因此，雖然已有的焦平面陣列旋光儀解決了其他旋光儀體積大、校準(zhǔn)要求高、響應(yīng)速度慢的問題，但將微光偏振元件直接集成在焦平面陣列上任然存在很多技術(shù)上的難點(diǎn)，以及各種光學(xué)損耗。

圖8 基于TiO2 超表面光柵的緊湊型全斯托克斯偏振照相機(jī)[17]Fig.8 TiO2 metasurface-based compact full Stokes polarization camera[17] (reproduced with permission,copyright 2019,The American Association for the Advancement of Science)

2.2 基于半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的偏振成像系統(tǒng)

近年來，基于微納結(jié)構(gòu)的新型光電探測器已引起國際上廣泛的關(guān)注，比如納米線（nanowire）[39-43]、納米管（nanotube）[44-46]、納米片（nanosheet）[19]和二維（2D）材料[47-48]。這些器件采用獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)和物理特性，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能、量子效應(yīng)以及增強(qiáng)光、生物或化學(xué)敏感度[49]。特別是，III-V 族半導(dǎo)體納米線更是具有直接和寬光譜的可調(diào)諧性帶隙、高吸收系數(shù)和載流子遷移率，以及形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的靈活性，使其成為光電探測的優(yōu)秀候選者。相比于傳統(tǒng)探測器，垂直排列的納米線陣列具有低反射和強(qiáng)寬帶吸收，可用作有源和減反射層，將光更有效地耦合到高折射率半導(dǎo)體中；也可減少材料使用量，以降低成本，同時生產(chǎn)更多功能性設(shè)備。2015 年，哈佛大學(xué)Park 等提出如圖9 所示的半導(dǎo)體納米線偏振探測器[18]，在無需偏振濾鏡的情況下，利用硅納米線形狀可調(diào)制光吸收的特點(diǎn)，將光信號轉(zhuǎn)化成不同偏振態(tài)對應(yīng)的光電流，實(shí)現(xiàn)偏振探測。這種技術(shù)可以減少光損耗，縮小器件體積，而且納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效提高相機(jī)的光吸收效率。但基于橢圓形納米線形狀的偏振器消光比較低，目前的設(shè)計(jì)也只能檢測線偏振態(tài)。硅相對于III-V 族半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)化效率也有待提高[41,50-51]，且只應(yīng)用于可見光和近紅外波段。2022 年，澳大利亞國立大學(xué)Li 等制備了基于InAs 納米片陣列的室溫短波寬光譜紅外探測器[19]，如圖10 所示。通過與中南大學(xué)合作得到的仿真結(jié)果看來，納米片陣列沿長軸方向有較高的光吸收率，而在其垂直的方向幾乎無吸收。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在2 μm～3 μm 波長范圍內(nèi)，在保證高于67%的吸收率同時，可獲得大于50 的偏振消光比[52]。因此，該結(jié)構(gòu)極有希望應(yīng)用于紅外寬光譜偏振成像，在無需微納偏振片的情況下，即可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)探測。

圖9 基于橢圓納米線陣列的偏振成像儀[18]Fig.9 Schematic of polarimeter based on elliptical nanowire array[18] (reproduced with permission,copyright 2015,OSA)

圖10 基于InAs 納米片陣列的短波紅外偏振探測器[19]Fig.10 Schematic of short-wavelength infrared polarization detector based on InAs nanosheet array[19] (reproduced with permission,copyright 2022,AIP Publishing)

與傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)相比，新型偏振成像系統(tǒng)通過焦平面探測器耦合微納偏振元件或直接改變探測器表面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速、像素多、體積小、光路簡單、光損耗較小的偏振成像。目前，微納結(jié)構(gòu)加工和器件制備工藝均有待改進(jìn)，針對短波紅外偏振成像的研究尚不足。

3 短波紅外偏振成像技術(shù)存在的主要問題與建議

決定偏振成像系統(tǒng)工作波段的關(guān)鍵因素之一即所用探測器的工作波譜范圍。目前市場上先進(jìn)的短波紅外光電探測器主要是基于焦平面探測器。經(jīng)過多年來的探索，它們的加工工藝日益穩(wěn)定，材料實(shí)現(xiàn)多元化，性能也得到了明顯的提高，因此獲得了日益廣泛的應(yīng)用。因此，短波紅外偏振成像系統(tǒng)可基于短波紅外焦平面探測器，比如InGaAs (1.1 μm～1.7 μm)、Ge (0.7 μm～1.8 μm)，制冷紅外焦平面探測器InSb (3 μm～5 μm)、(2 μm～10.6 μm)[49]或非制冷紅外焦平面探測器Vox、α-Si等。但大部分短波紅外焦平面探測器的暗電流較高，工作溫度要求高，光吸收效率也較低，因此限制了它們的工作效率。而HgCdTe 很難實(shí)現(xiàn)大面積成像。因此，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，基于微納結(jié)構(gòu)及材料的光電探測器逐漸嶄露頭角，為實(shí)現(xiàn)高性能室溫光電探測器提供了更多可能性。利用它們的特殊尺寸不僅可以顯著提高光吸收，而且有可能減少暗電流，從而提供較大的響應(yīng)率和探測率[43,49]。比如窄帶隙二元納米線材料，如InAs[53-55]、GaSb[56-57]和InSb[58-59]，可以提供從可見光到紅外區(qū)域的寬譜光探測。InAs 納米線已被證明具有高載流子遷移率，易于形成歐姆接觸，以及優(yōu)異的光電性能。具有可調(diào)帶隙的三元III-V 納米線，如Ga-AsSb[39-41]、InGaAs[42,60]和InAsP[61-62]也被廣泛研究。Li 等人通過調(diào)諧GaAsSb 的帶隙，在1.3 μm 和1.55 μm 通信波長以及0.15 V 的低工作偏置電壓下，展示了一種具有良好響應(yīng)率和探測率的室溫單根GaAs0.56Sb0.44納米線光電探測器[39]。通過表面鈍化，載流子遷移得到很大提高，從而獲得更高的響應(yīng)率[40]。利用半導(dǎo)體納米線陣列幾何形狀可調(diào)控其內(nèi)部光共振模式的機(jī)理，更是實(shí)現(xiàn)了基于GaAsSb納米線陣列的無濾光片多光譜高效探測[41]。

將微納偏振元件直接集成在焦平面陣列的分焦平面偏振成像系統(tǒng)雖然得到了大力的發(fā)展，但大部分研究仍聚焦在可見光范圍[17,37-38]，除了可見光探測器已成熟高效，微納偏振元件與短波紅外探測器耦合的設(shè)計(jì)和加工工藝均有待開發(fā)和優(yōu)化也是原因之一。由于偏振元件的加工誤差和極大的光損耗，該系統(tǒng)的消光比和透射率也都有待提高。特別是，偏振消光比作為偏振成像系統(tǒng)的一個關(guān)鍵指標(biāo)，直接決定了系統(tǒng)的檢偏能力、抗干擾能力以及偏振信息的利用效率。若消光比較低，獲得的偏振信息則可能是偽偏振，這也是當(dāng)前微納陣列型偏振成像體制普遍存在的共性問題。為了提高消光比，獲得目標(biāo)場景更為真實(shí)的偏振特性，可從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)：1）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和加工工藝，增強(qiáng)微納偏振元件自身的偏振探測性能；2）通過提高對準(zhǔn)精度減小偏振元件和探測器間的間距，改善分焦平面偏振成像系統(tǒng)的裝配工藝；3）通過對圖像進(jìn)行定標(biāo)操作和后期圖像處理減少相機(jī)量子噪聲和偏振元件消光不徹底導(dǎo)致的偏振探測誤差；4）根據(jù)非理想偏振成像模型，通過數(shù)字計(jì)算成像方法重構(gòu)出更準(zhǔn)確的等效消光比，實(shí)現(xiàn)場景偏振特性的有效重構(gòu)。

具有特殊形態(tài)的微納結(jié)構(gòu)，比如納米片[19]和橢圓形納米線[18]，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光電高效轉(zhuǎn)化，而且直接擁有偏振效應(yīng)，因此可實(shí)現(xiàn)無需偏振濾光片耦合的偏振成像，有效地提高了光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率，是實(shí)現(xiàn)緊湊型偏振成像系統(tǒng)的優(yōu)選者。但目前制備基于窄帶隙III-V 半導(dǎo)體的微納結(jié)構(gòu)，無論是使用自上而下的刻蝕方法還是自下而上的生長方法[49,63]，都存在諸多問題。比如納米結(jié)構(gòu)表面雜質(zhì)多，形狀無法精確控制，高濃度p 型摻雜難以實(shí)現(xiàn)等，都是目前納米材料的研究難點(diǎn)。因此，基于納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體探測器值得并急需更多的關(guān)注和研究，在加工工藝日益成熟后，可制備成多像素焦平面探測器，用于高分辨率短波紅外偏振成像。

由此可見，短波紅外探測器采用傳統(tǒng)的偏振成像模式可實(shí)現(xiàn)短波紅外偏振成像，但光路較復(fù)雜且系統(tǒng)體積龐大。因此，隨著微納加工技術(shù)的日益成熟，微納偏振元件與短波紅外焦平面探測器耦合的分焦平面探測成像技術(shù)成為新的發(fā)展方向，而利用半導(dǎo)體表面微納結(jié)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)偏振探測更是值得探索的前沿領(lǐng)域。

4 結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)的類型和特點(diǎn)，并討論了基于微納結(jié)構(gòu)的新型偏振成像系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程。針對目前短波紅外偏振成像技術(shù)的重要問題，也給出了一些可行性建議。目前，基于焦平面探測器的短波紅外偏振成像技術(shù)已展現(xiàn)了體積小、校準(zhǔn)要求低、響應(yīng)快等獨(dú)特優(yōu)勢，但如何實(shí)現(xiàn)高效率、工作溫度要求低，與微納結(jié)構(gòu)有效耦合仍是亟待解決的問題。而具有高效光電轉(zhuǎn)化和偏振探測功能的微納半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)雖然可以直接實(shí)現(xiàn)偏振高效探測，但目前無論是材料和焦平面探測器的制備都處于起步階段，仍有待科研者的深入研究和開發(fā)。因此，隨著偏振成像設(shè)備在國內(nèi)外市場的需求量不斷增加，實(shí)現(xiàn)高精度、小體積、快響應(yīng)、高分辨率的偏振成像儀器是值得國內(nèi)外重點(diǎn)研究的方向之一。