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(cè)一定光譜波段的光輻射強(qiáng)度，從而對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行成像。而多光譜成像系統(tǒng)則可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行多個(gè)光譜波段的成像，進(jìn)而提供某目標(biāo)物或場(chǎng)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(cè)和識(shí)別目標(biāo)物的偏振成像系統(tǒng)便成為國(guó)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(zhǎng)波紅外具有互補(bǔ)關(guān)系。與中長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)距離[1]，具有高識(shí)別度、全天候適應(yīng)、微光夜視、隱秘主動(dòng)成像、光學(xué)配置相對(duì)簡(jiǎn)便等突出的應(yīng)用特征，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)軍事和民用領(lǐng)域，例如導(dǎo)彈追蹤[2]、地雷探測(cè)[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(cè)[1]、航空遙感與大氣探測(cè)[7]，以及空間碎片探測(cè)[1]。

目前，根據(jù)采用的探測(cè)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(shí)偏振成像系統(tǒng)[8-10]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但無(wú)法獲得同時(shí)刻的偏振圖像，不利于對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。分振幅偏振成像系統(tǒng)[9,11-13]可同時(shí)獲得目標(biāo)場(chǎng)景的各個(gè)偏振態(tài)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，對(duì)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(gè)焦平面探測(cè)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(lái)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(huì)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(cè)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(duì)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(cè)和成像，而且可以直接探測(cè)光偏振信號(hào)。這些新型的微納結(jié)構(gòu)對(duì)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(guó)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(gè)或4 個(gè)圖像[1,3,9]來(lái)表征一個(gè)場(chǎng)景的偏振狀態(tài)。由于分時(shí)獲取多幀偏振成像中場(chǎng)景的任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致偽影，可能掩蓋真正的兩極分化特征，因而存在時(shí)間圖像配準(zhǔn)問題，必須同時(shí)獲取圖像或盡快獲取以盡量減少平臺(tái)或場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)引起的偽影。減小偽影的方法是同時(shí)獲取多個(gè)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(cuò)位以及光學(xué)“錯(cuò)位”，故而變得復(fù)雜。雖然簡(jiǎn)單的測(cè)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(lái)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(shí)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(chǎng)景入射到焦平面的偏振光，并通過數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)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(guó)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(cè)水面游泳運(yùn)動(dòng)員[8]。使用線性偏振對(duì)比度探測(cè)水上的目標(biāo)物，然后根據(jù)輻射對(duì)比度即可對(duì)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(duì)長(zhǎng)波紅外、中波紅外、短波紅外以及可見光進(jìn)行探測(cè)[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(shí)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(dòng)化，整個(gè)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(jiǎn)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(gè)偏振器，因而只能檢測(cè)線性偏振態(tài)。此外，場(chǎng)景和測(cè)試平臺(tái)必須是靜止的，以避免引入幀間運(yùn)動(dòng)[9]。為了保證圖像的質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)速度要么太慢而無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的幀速率，要么偏光片需要跟著場(chǎng)景逐步移動(dòng)來(lái)獲取運(yùn)動(dòng)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(chǎng)景傳感器移動(dòng)時(shí)，仍會(huì)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(huì)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(shí)獲得兩個(gè)偏振方向互相垂直的衍射圖像和一個(gè)未發(fā)生衍射的圖像。2002年，美國(guó)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(duì)每個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生兩個(gè)相位延遲，即可以用一個(gè)相機(jī)對(duì)兩個(gè)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(shí)效性。隨后，該小組對(duì)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(hào)，并于2007 年研制了基于兩個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)立的焦平面陣列組成[9,26]。4 個(gè)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(gè)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(gè)攝像機(jī)可同時(shí)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(chǎng)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(gè)分光鏡（一個(gè)80/20 分光鏡和兩個(gè)50/50 分光鏡）、一個(gè)四分之一波片和一個(gè)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(cè)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(wú)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(gè)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(duì)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(gè)通道中的每個(gè)通道的畸變，因而需要進(jìn)行后期處理來(lái)共同注冊(cè)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(shí)，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(gè)焦平面陣列(FPA)和一套成像系統(tǒng)組成，可以將多個(gè)圖像投影到一個(gè)焦平面上。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)物鏡用于在孔徑上形成場(chǎng)景圖像，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)再將該圖像均勻投射到幾個(gè)微型透鏡陣列上。在每個(gè)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(duì)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(lái)測(cè)量圓偏振狀態(tài)。精準(zhǔn)的定位既可以同時(shí)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(duì)準(zhǔn)相對(duì)于分振幅旋光儀也會(huì)更穩(wěn)定。因此，該系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且在被動(dòng)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(gè)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(lái)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(cè)器實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)，搭建過程較為簡(jiǎn)單，無(wú)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(cè)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(shí)、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(cè)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(cè)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(gè)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(gè)單元由一個(gè)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(shí)針圓偏振光。圖7（b）則展示了每個(gè)單元中兩個(gè)偏振濾波器的橫截面圖。基于DOE 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€(gè)極化濾波單元用于測(cè)量最終圖像中單個(gè)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(gè)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(cè)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(shí)、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(cè)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(cè)器的模式更吸引人們的關(guān)注。

該系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，場(chǎng)景中每個(gè)像素的所有偏振測(cè)量都是同時(shí)進(jìn)行的，用于斯托克斯矢量估計(jì)的測(cè)量值都是由同一視場(chǎng)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(gè)波段的成像，包括可見光、短波紅外和長(zhǎng)波紅外[1]。大多數(shù)焦平面陣列偏振系統(tǒng)僅針對(duì)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(gè)像素點(diǎn)的斯托克斯矢量，須對(duì)圖像進(jìn)行2 × 2（或更大）的卷積，因此會(huì)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(shí)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(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)Gruev 等通過將4 個(gè)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(cè)器上，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光波段的偏振探測(cè)[32]。2015年，中國(guó)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(shí)的干涉條紋圖,從而獲得物光波的相位信息，并成功測(cè)量了由溫度變化引起的相位動(dòng)態(tài)變化,證實(shí)了該方法在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位測(cè)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(duì)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(cè)。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(cè)到。2019 年，長(zhǎng)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(duì)偏振探測(cè)的影響[36]。

2019 年，美國(guó)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(dòng)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(cè)量。2021 年，法國(guó)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(guó)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(gè)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(lái)，基于微納結(jié)構(gòu)的新型光電探測(cè)器已引起國(guó)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(cè)的優(yōu)秀候選者。相比于傳統(tǒng)探測(cè)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(shí)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(cè)器[18]，在無(wú)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(hào)轉(zhuǎn)化成不同偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的光電流，實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)。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(cè)線偏振態(tài)。硅相對(duì)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(guó)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(cè)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(lái)，納米片陣列沿長(zhǎng)軸方向有較高的光吸收率，而在其垂直的方向幾乎無(wú)吸收。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在2 μm～3 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在保證高于67%的吸收率同時(shí)，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(wú)需微納偏振片的情況下，即可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)探測(cè)。

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(cè)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(cè)器耦合微納偏振元件或直接改變探測(cè)器表面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速、像素多、體積小、光路簡(jiǎn)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(duì)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(cè)器的工作波譜范圍。目前市場(chǎng)上先進(jìn)的短波紅外光電探測(cè)器主要是基于焦平面探測(cè)器。經(jīng)過多年來(lái)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(cè)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(cè)器InSb (3 μm～5 μm)、(2 μm～10.6 μm)[49]或非制冷紅外焦平面探測(cè)器Vox、α-Si等。但大部分短波紅外焦平面探測(cè)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(cè)器逐漸嶄露頭角，為實(shí)現(xiàn)高性能室溫光電探測(cè)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(cè)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(cè)。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(zhǎng)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(cè)率的室溫單根GaAs0.56Sb0.44納米線光電探測(cè)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(wú)濾光片多光譜高效探測(cè)[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(cè)器已成熟高效，微納偏振元件與短波紅外探測(cè)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(gè)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(chǎng)景更為真實(shí)的偏振特性，可從以下幾個(gè)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(cè)性能；2）通過提高對(duì)準(zhǔn)精度減小偏振元件和探測(cè)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(duì)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(cè)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(chǎng)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(wú)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(wú)論是使用自上而下的刻蝕方法還是自下而上的生長(zhǎng)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(wú)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器耦合的分焦平面探測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(shì)，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(cè)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(cè)，但目前無(wú)論是材料和焦平面探測(cè)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的方向之一。