偏振集成探測器具有體積小、重量輕、結構緊湊，并且無需圖像配準對動態目標同時同地同源探測與識別的優勢。目前傳統的紅外偏振探測器主要包括分時偏振探測器、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，但是在具體應用中仍存在一些不足。偏振集成探測器同時具備體積小、重量低以及能耗低的特點，極大地拓寬了其應用范圍，正在成為第四代新型光電成像技術的重要載體之一。

據麥姆斯咨詢報道，中國科學院上海技術物理研究所和國科大杭州高等研究院的聯合科研團隊在《光電工程》期刊上發表了以“偏振集成紅外光電探測器研究進展與應用”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構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展，分析了光柵結構設計與仿真、亞微米偏振光柵制備、集成與測試、偏振圖像數據重構等獲得高消光比偏振集成探測器的關鍵技術，最后介紹了偏振成像針對無人機、偽裝卡車、地雷、海面艦船、面部識別、無人駕駛道路識別、海面漏油檢測及醫療檢測等方面的典型應用。

偏振集成探測器研究進展

偏振集成探測器的分類主要包括三種。一是根據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型和光伏型；三是根據探測器的規模及陣列組成可分為單元器件、線列焦平面及面陣焦平面。本文根據探測器的規模及陣列組成介紹偏振集成探測器的研究進展。

偏振集成探測器單元器件

1993年，美國約翰斯·霍普金斯大學Thompson等人第一次報道了偏振集成探測器，將1024 pixels × 1024 pixels CCDs分成兩個512 pixels× 1024 pixels區域分別接收兩個方向的偏振光。2002年該機構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，并對水壺成像進行了偏振對比度的分析。1999年，美國普林斯頓大學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波段四個偏振方向的偏振光響應不同。

2010年，美國空軍實驗室資助亞特蘭大的喬治亞州立大學Apalkov等人用實驗和數值方法研究了耦合在衍射網格上的量子阱紅外探測器的偏振靈敏度，如圖2（a）所示。這種系統的偏振消光比由兩個因素決定：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致了偏振消光比對衍射網格參數的非單調依賴性。通過改變光柵參數，即增加高度和調整光柵周期，可以達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。

圖2 （a）量子阱紅外探測器示意圖及偏振響應測試光譜；（b）Ⅱ類超晶格中紅外結構示意圖及偏振響應測試光譜；（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構示意圖及SEM圖；（e）集成非均勻光子晶體結構的InGaAsP量子阱光電探測器結構示意圖及偏振選擇增強光譜

2015年，韓國標準科學研究院Kim等人首次設計并制備了基于Ⅱ類超晶格（T2SL）結構的一維亞波長金光柵（1D-SGG）陣列表面結構，其工作原理是依賴金屬光柵的濾光實現偏振響應選擇，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，中國科學院上海技術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，該結構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。研究結果表明：該探測器在長波14.6 μm的消光比達到了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。

除了傳統的金屬光柵濾光或分光，光子晶體也可以對光的偏振態傳播與吸收進行有效調控。日本三菱電氣公司Shinpei Ogawa團隊提出了利用非中心對稱的均勻橢圓陣列實現偏振響應度選擇性地增強，如圖2（d）所示。該結構的集成基于微機電系統的互補金屬氧化物半導體（CMOS）非制冷紅外傳感器和微機械加工技術。韓國先進科學技術研究院Jin-Kyu Yang提出了集成非均勻光子晶體結構的InGaAsP量子阱光電探測器，如圖2（e）所示。為了有效促進光子耦合到探測器吸收區中，此探測器具有偶極共振模式耦合增強特性，最大響應度為0.28 A/W，是沒有集成光子晶體探測器的20倍。同時該探測器對水平偏振方向和垂直偏振方向入射光響應增強分布在不同譜段，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計與實現。2015年，Valentine等人設計了“Z”字形金屬銀人工手性表面超結構，可以實現對近紅外左旋、右旋圓偏振光的選擇性吸收增強或減弱，如圖3（a）所示。南開大學陳樹琪教授課題組通過單層金納米棒陣列可以實現近紅外圓偏振波轉換為線性偏振波或與波長有關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，并進行了實驗驗證，該結構支持全斯托克斯參數檢測任意偏振態光，如圖3（c）所示。該團隊獲得了美國自然科學基金委員會“超小型片式集成超構表面偏振成像儀”項目的研究資助，這充分說明了美國頂尖科學家已經開始展開了研究“芯片級”偏振信息探測，凸顯了研究“芯片級”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電子與計算機工程學院的仇成偉教授研究團隊針對現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計思路，如圖3（d-g）所示，簡潔而巧妙地實現了具有極大區分度、高選擇性和高響應度等特點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用的高消光比的偏振集成焦平面還有一系列技術需要突破。

圖3 （a）手性材料與半導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）圓偏振結構對稱性設計；（e）T型結構單元參數設計；（f）器件幾何化設計包括環形、半環形以及L型等；（g）器件實現高選擇性的光電響應

偏振集成探測器線列焦平面

根據獲取目標輻射信息的工作方式不同，紅外成像儀主要可以分為光機掃描型成像儀、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，能夠在無機械掃描情況下擴大系統的視場。

線列探測器在光學焦面上垂直于飛行方向作橫向排列，當飛行器向前飛行完成縱向掃描時，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時偏振掃描成像功能，同時可利用多級TDI電路選讀功能進行信息互補提高有效像元率。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構更容易抑制不同偏振方向的光場串擾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際意義。

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

圖4 （a） 1024×4集成亞波長金屬光柵結構的近紅外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院上海技術物理研究所陳建新研究員團隊通過對基于InAs/GaSb超晶格長波紅外探測器的整體建模與仿真與參數優化，有效抑制了不同偏振像元的串擾，突破了亞微米偏振結構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、掩埋地雷等目標的外場成像實驗。

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現對空間目標的長時間凝視探測，還可以獲得目標與背景的強度與偏振信息，還利用目標與背景的偏振信息，提升信背比，尤其對于復雜環境下動態高速危險目標的實時探測、識別與跟蹤具有重要的意義。然而，不同偏振像元的串擾是導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擾進行。

一是通過減小偏振結構與光敏元距離抑制偏振光串擾。2006年，美國空軍研究實驗室（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，且四個偏振方向的線柵與光敏元一一對應，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和衍射效應對探測器串音的影響。發現對于25 μm×25 μm的像元大小，波長是3.39 μm時，把偏振片與焦平面之間的距離從0.5 μm增加到1 μm時，消光比降低30%。而當像元大小60 μm×60 μm，距離是30 μm時，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。2007年，Forrai等人研究了規模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，相比設計值低1到2個數量級，其主要原因也是相鄰像元間的衍射串擾。

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的距離，從而降低偏振串音。2008年，Malone等人把四個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時分焦平面CCD偏振成像傳感器，像元規模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間下的響應消光比差異，及納米線柵與像元尺寸不匹配導致的光學變化，以及圖像校準的超像素模型。Baker等人將四個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，金屬光柵偏振片應該與探測器光敏區盡可能地接近，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行偏振性能測試，平均消光比達到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，夜視集團北方廣微聯合西北工業大學趙永強團隊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，成像規模為640×512，能夠在紅外熱成像的基礎上同時采集0°、45°、90°、135°四個方向熱輻射的偏振信息，但具體消光比數值沒有給出。2021年，中國科學院沈陽自動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、制冷型長波紅外偏振相機，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行了分析。

圖5 （a） HgCdTe長波紅外分焦平面偏振集成芯片實物圖及結構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光場分布；（c）金屬光柵直接集成的實時分焦平面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構示意圖及消光比測試

二是利用等離激元微腔模式的強耦合偏振分光的整體設計光柵結構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構尺寸接近，其光學衍射效應導致分焦平面偏振結構的消光比低下，如何實現甚長波波段高的偏振消光比是一個挑戰。針對這一難點，中科院上海技物所陸衛研究員團隊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層所形成的金屬-介質-金屬（MIM）結構，上下金屬層間距小于2個倏逝波的波長，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，與光柵中的金屬等離激元相互作用，特定的結構尺寸與特定波長的入射光發生共振，使其耦合進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同減小串擾。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，實現了單芯片化。其中，每個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，微透鏡結構能最大程度地減少不同方向偏振光的串擾，消光比約為85:1。此技術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的結構示意圖

此外，國內華北光電技術研究所、北京理工大學、大連理工大學、南京理工大學、華中科技大學等機構均開展了偏振探測器及成像方面的研究。

偏振集成探測器關鍵技術

偏振光柵結構設計與仿真

高消光比高透過率偏振光柵的優化設計是偏振集成探測器的基礎，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構參數要求不同，當波長越短，需要越小尺寸的光柵結構才能保證高消光比。

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，線偏振光透過率越小；

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構。一方面要選擇對應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計并鍍制寬帶減反膜層以保證單一偏振光的高透過率。

在偏振光柵結構設計方面，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系，如圖7（b-d）所示，從仿真結果可以看到，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的參數條件，可以使偏振消光比大于300:1。

圖7 偏振光柵設計示意圖以及消光比與光柵結構參數（周期、線寬、高度）的關系

獲得光柵的參數后，筆者從器件實際應用的角度出發進行了高消光比高透過率亞微米光柵結構與探測器結構進行耦合及一體化設計。考慮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）可以發現小傾斜角度（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）與入射角度的關系；（c）消光比與偏振片和光敏元距離的關系；（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之內才能保證消光比優于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、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行刻蝕，主要流程如圖9所示。金屬剝離工藝其優點是得到的亞微米圖形邊緣陡直，圖形尺寸精確，但是當光柵的周期較小、金屬線柵的占空比較大，尤其是對金屬層的厚度較厚時存在難以剝離的難題，同時對光刻膠曝光厚度、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。濕法刻蝕的優點是選擇性好、重復性好、生產效率高、設備簡單、成本低，但是其缺點是鉆刻現象比較嚴重、對圖形的控制性較差，不能用于小的特征尺寸，同時會產生大量有毒有害的化學廢液。干法刻蝕優點是各向異性較好，選擇比較高，可控性、重復性較好，處理過程未引入化學廢液污染，同時潔凈度也較高，但是也存在設備復雜、成本高等缺點。

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。優點是混成芯片與偏振結構可以各自制備，可以避免偏振結構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。偏振結構與混成芯片互連時對不同偏振角度與像元的一一對應精度要求更高，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格。互連結構在封裝過程中有可能影響整個組件的可靠性。

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系統上增加起偏器，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入窗口引起串擾，獲得偏振輻射進行測試。起偏器需要采用高消光比偏振片，對起偏器進行360°旋轉掃描，同時測試不同偏振方向像元的響應值，通過不同偏振角度對應的最大最小值的比值計算其消光比。在理想條件下，需要將起偏器進行液氦冷卻，最大限度地減少包括起偏器自身輻射導致的雜散光串擾，如圖11（a）所示，以此得到更接近器件真實的消光比。

圖11 （a）偏振集成探測器測試系統示意圖；（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%、動態范圍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行了分析，并完成了對外場目標偏振成像效能驗證。

偏振圖像數據重構

由于人類視覺無法直接感知偏振系統，已經開發了各種映射偏振信息被呈現用于顯示，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，因此在強度、偏振度、偏振角成像的基礎上，美國新南威爾士大學Tyo等人提出了偏振彩色成像，將偏振角、偏振度、強度分別與色調（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點，偏振度對應的信息（s1和s2）轉化為正交顏色感知通道，包括紅色/綠色和藍色/黃色對置。圖12給出了不同方式的成像效果對比。

圖12 （a）強度成像；（b）偏振度成像；（c）偏振角成像；（d）HSV偽彩色成像；（e）優化算法HSV偽彩色成像；（f）最優算法HSV偽彩色成像

在偏振編碼成像方面，美國加州大學洛杉磯分校的Ozcan教授在新的光學系統結構中引入了偏振編碼機制，使用單個衍射處理器通過偏振多路復用執行一組或多個復雜的線性轉換并結合深度學習等數據驅動方法進行不同的輸入和輸出偏振組合完成全偏振光計算與融合，極大地增強了光學信息處理系統的圖像分類、分割、加密和濾波等功能。

偏振探測典型應用

偏振成像可用于反偽裝、抗干擾、提高復雜背景下目標的探測識別能力。近年來，美國空軍實驗室（AFRL）、美國亞利桑那大學、英國國防科技實驗室等機構分別針對小型遙控無人機、偽裝卡車、地雷等典型目標開展了偏振成像測試與應用。此外，偏振集成探測器在面部識別、無人駕駛道路識別、海面漏油檢測、水下成像及醫療檢測等領域也顯示出巨大的優勢與前景。

1）低小慢目標探測

美國空軍實驗室開展了對空目標偏振成像跟蹤實驗。對小型遙控無人機在多云天空、樹林、草地等不同背景下進行長波紅外偏振成像實驗，如圖13所示。與長波紅外強度成像相比，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。

圖13 小型遙控無人機長波紅外偏振成像與可見光、紅外強度成像結果對比

2）叢林背陰偽裝目標探測

美國亞利桑那大學Tyo 等人對草地背陰下卡車進行了可見光及長波紅外強度成像和偏振成像對比實驗，如圖14所示。在目標與背景輻射強度相近或者目標被半遮擋/遮擋時，傳統強度成像技術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度成像結果對比

3）地下掩體目標探測

英國國防科技實驗室利用紅外偏振技術開展掃雷實驗。長波紅外偏振成像利用地下掩體目標輻射產生的擾動偏振信息以區分識別目標與背景。圖15為地雷的傳統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，該技術在掩體、遮蔽目標檢測方面相對于強度成像呈現出更大的優勢。

圖15 地雷長波紅外偏振成像與紅外強度成像結果對比

4）海面雜波背景艦船目標探測

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的成像實驗。圖16為薄霧等天候條件下對海面艦船的偏振成像與強度成像對比。在薄霧等天候條件下目標表面溫度與水溫相近，由此單一的強度探測會產生熱交叉現象。在紅外熱成像中，往往會受到水雜波的影響導致信背比降低，很難從強度圖像中分辨出目標。但艦船目標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，偏振信背比較強度信背比提升120倍，有助于解決在海面背景下熱交叉目標的探測難題，提升目標探測識別能力。

圖16 水面艦船目標長波紅外偏振成像與紅外強度成像結果對比

5）面部偏振成像識別

夜間觀察人類的唯一途徑是利用傳統的熱成像技術，但其成像質量會受鬼影效應的影響，導致人體識別所需的詳細面部特征丟失。然而當強度圖像中包含偏振信息時，人們便可獲得精細的面部細節，以供面部識別算法使用。近年來，美國陸軍研究實驗室（ARL）計算與信息科學部的實驗物理學家Gurton課題組在偏振成像面部識別方面做了大量工作，并主要集中在用于合成增強可視化圖像的機器學習算法上，以便更好地對可見光圖像、傳統熱圖像及偏振圖像進行信息匹配融合，旨在另辟蹊徑為處在黑暗復雜環境中的士兵帶來性能更高的視覺技術，占據戰場主動權。圖17給出了傳統紅外熱成像和偏振成像面部識別對比，顯示了偏振成像在面部識別方面的優勢。

圖17 傳統紅外熱成像和偏振成像面部識別對比

6）無人駕駛道路偏振探測識別

目前，在無人駕駛場景識別中，采集的大多數樣本都是基于RGB圖像并涉及少許熱圖像。傳統的基于視覺的道路檢測技術通常應用顏色和紋理信息，其在夜間低照明條件下往往表現不佳。因為偏振圖像是非常可靠地描述物體的重要物理特性，根據道路的紅外偏振特征及道路與背景的偏振特性差異，實現對道路的單目、實時、全天檢測。西北工業大學趙永強教授團隊提出了一種基于分焦平面紅外偏振成像的全時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長波紅外分焦平面探測器對道路場景下的數據集（LDDRS）并進行了偽彩成像，設計了一個道路區域感知特征融合模塊，充分發揮深度學習網絡的優勢，具有更快的識別速度和更高的識別精度。

圖18 偏振識別網絡示意圖。偏振導向分支和主分支與道路區域特征模塊感知融合，并將其饋送到控制頭部中樞進行智能決策

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，區分油水的溫差對傳統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Nunziata教授團隊開展了海面漏油檢測，圖19分別給出了偏振成像與傳統熱成像的對比，偏振成像對比度提升明顯。另外，中國地質大學陳啟浩教授團隊、中國石油大學宋冬梅教授團隊也分別進行了海面漏油的偏振成像檢測實驗研究。

圖19 傳統紅外熱成像和偏振成像海面漏油檢測對比

8）醫療偏振成像檢測

癌癥的術中劃定是腫瘤學中的一個重要問題。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致的再次切除率。美國羅切斯特大學Yaroslavsky教授團隊提出了一種識別乳腺癌癥邊緣的熒光偏振成像和偏振敏感（PS）光學相干斷層掃描（OCT）新方法。與標準OCT相比，由偏振敏感光學相干斷層掃描和熒光偏振成像相結合顯示了癌癥與結締組織之間更高的對比度，如圖20所示。此技術有望用于術中乳腺癌癥的劃定。

圖20 傳統OCT成像與熒光偏振成像和偏振敏感光學相干斷層掃描成像對比

結論與展望

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的重要載體之一，可以同時獲取到紅外輻射的強度和偏振等多維信息，且具有體積小、可靠性高等優勢，是未來紅外偏振成像系統的發展方向。本文第一、二部分介紹了紅外偏振集成探測器概念內涵與研究進展，從最早的區域偏振集成探測器到像元級偏振集成探測器，從線列偏振集成探測器到面陣偏振集成探測器的發展歷程。第三部分介紹了紅外偏振集成探測器關鍵技術，主要包括偏振集成探測器一體化結構設計及相關參數對器件性能的影響，介紹了亞微米偏振光柵結構的制備方法、集成工藝以及偏振性能測試系統等。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方法以及其在復雜場景下典型目標探測與識別中的應用。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證的新進展。

紅外偏振成像基于某些場景下的應用需求表現出較大的優勢，但同時也面臨著接受輻射能量偏振信號過濾導致的信噪比降低以及空間分辨率降低的巨大挑戰，需要在硬件和軟件兩方面持續努力突破現有的技術瓶頸。在偏振集成器件性能方面，需要協同超表面結構調控光場繼續提高偏振集成探測器的消光比；在圖像重構與融合方面，需要通過偏振編碼算法理清目標和背景的偏振特性以及不同媒介中偏振的傳輸特性等，并在相關的應用場景中體現其對典型目標成像探測中信背比大幅提升的重要價值。

這項研究獲得國家自然科學基金資助項目（61904183、61974152、62004205、62104236、62104237、62222412）、國家重點研發計劃項目（2022YFB3606800）、上海市啟明星培育項目揚帆專項（21YF1455000、22YF1455800）、上海市“基礎研究特區計劃”資助項目（JCYJ-SHFY-2022-004）和中國科學院上海技術物理研究所創新專項基金資助項目（CX-399、CX-455）的資助和支持。

審核編輯：劉清