淺談光電探測器和圖像傳感器（六）:從成像技術角度新型探測器之偏振探測

/00 前言/

前面的淺談光電探測器和圖像傳感器系列介紹了按波長分類的紫外、可見、紅外探測器。系列（五）的X射線探測器部分以及高能粒子探測器部分內(nèi)容比較多，原理也比紫外可見復雜，下次再接著寫。

上次從底層材料、器件結構、探測原理角度去分別介紹了一下不同的光電探測器和新型光電探測器件，可以說上篇文章主要是從一個bottom up的角度從底層分析器件本身。這篇文章?lián)Q個角度，以top down的視角去看系統(tǒng)和場景對光電探測器和圖像傳感器的需求。這篇文章首先從系統(tǒng)出發(fā)，去分析不同的成像技術，然后總結配合不同成像技術和成像場景下的對應的新型光電探測器件的研究。

/01 多信息維度成像和新型成像器件/

光學成像系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類，比如，按照探測的光信號類型可以分為明場成像，暗場成像，偏振成像，光譜成像，相位成像等。這是因為光是一種具有多個維度信息的電磁波，通過對光不同維度信息的利用，可以獲得不同的信息。

從物理上說，光經(jīng)過不同的觀測對象與作用時，其對光進行了直接調(diào)制,乃至發(fā)生相互作用。而光是一種振蕩電磁波，具有強度、頻率、偏振、傳輸相位等自由度。明場和暗場成像對應的光的振幅信息，偏振成像對應光的幾何相位調(diào)制，光譜成像對應光的頻率/波長，相位成像對應光的傳輸相位信息。

由于傳統(tǒng)的探測和成像器件只能獲得光的強度信息，因此光的其他維度信息的獲?。ū热缙?、光譜、相位）等主要借助光學系統(tǒng)的設計得以實現(xiàn)。

光譜成像系統(tǒng)通常通過分光思路，將不同波長的光在空間上區(qū)分，使其進入不同的探測器或者同一探測陣列的不同區(qū)域進行讀出。

偏振成像也是類似思路，通過偏振原件的引入使得不同偏振成分的光在空間上分開，或者選擇特定偏振態(tài)進行通過。當然，光譜和偏振信息也可以在時間上區(qū)分，類似時分復用。

相位成像則主要需要引入光的干涉過程，將相位信息轉化為強度信息，而這一過程通過光學系統(tǒng)實現(xiàn)。當然目前也有一些非干涉式的相位成像系統(tǒng)實現(xiàn)，比如基于光強傳輸方程（TIE）。

在這些傳統(tǒng)的光學設計中，功能的實現(xiàn)主要通過光學系統(tǒng)設計得以實現(xiàn)，而sensor主要就負責接收最終的光強信息?；诠獾亩嘧杂啥鹊男滦蛃ensor的設計思路是：將功能實現(xiàn)的壓力挪到sensor器件側，在器件層面實現(xiàn)功能化，從而實現(xiàn)系統(tǒng)層面的小型化、架構層面的極簡化。這一思路也很簡單，如果sensor能夠直接獲得光的偏振、光譜信息，那一方面成像系統(tǒng)將會大大簡化、直接帶來成本收益；另一方面，系統(tǒng)簡化帶來架構變更，直接帶來應用場景的拓展。

從對應偏振成像、光譜成像、相位成像出發(fā)可以設計不同的sensor使其能夠在獲得強度信息的同時獲得其他信息，對應的新型sensor分別是：偏振探測器，片上光譜儀，波前探測器。人們還在嘗試更加激進的設計，比如光的多參數(shù)探測器，乃至全參數(shù)探測器，通過特殊設計，使得器件在實現(xiàn)偏振測定的同時還可以實現(xiàn)光譜測定，從而實現(xiàn)光的功率、波長、偏振的多自由度信息測定的光譜偏振測定儀（Spectropolarimeter）。

值得一提的是，光的多參量探測在很早就有人討論了，不過之前多是從光學系統(tǒng)出發(fā)考慮的，很少考慮器件側需要做些什么。從場景上說，如果真的獲取了光的各個自由度信息，那理論上可以實現(xiàn)光場信息的全記錄。這里對應plenoptic camera和plenoptic imaging的概念，全光成像（plenoptic imaging）技術的基本原理是記錄光場信息，包括光線的位置、方向、強度和偏振狀態(tài)等。傳統(tǒng)成像技術只能記錄光線在圖像傳感器上的強度信息，而全光成像技術可以記錄光場的全部信息，這樣可以實現(xiàn)更多的功能、應用場景。這一部分涉及計算成像、光場成像等問題，后面有機會單獨總結一下。

接下來將分別介紹一下偏振成像、光譜成像、相位成像等成像技術，以及其對sensor的需求，由于這幾部分內(nèi)容比較多，該文主要介紹偏振成像部分。

/02 偏振成像/

偏振成像是一種利用光線的偏振特性進行成像的技術，它可以提供比傳統(tǒng)成像技術更豐富的信息。傳統(tǒng)成像技術只能記錄光線的強度信息，而偏振成像技術可以記錄光線的偏振狀態(tài)信息，從而獲得更高維度的圖像信息。polarization對應電磁波的幾何相位特性，涉及到波動光學領域的知識，而當我們說強度成像時，在不考慮高分辨成像時，多以射線光學或幾何光學為主。光的偏振特性需要通過波動方程進行解算，斯托克斯通過數(shù)學推導，用stokes向量來描述光的偏振狀態(tài)，可以通過S0，S1，S2，S3來確定光的偏振態(tài)，龐加萊提出可以用對應的龐加萊球表征光的偏振態(tài)。

偏振在醫(yī)療，遙感、生物、顯示，成像等領域都有諸多應用。比如顯示領域LCD的的亮度調(diào)節(jié)就是通過TFT陣列驅動液晶取向實現(xiàn)的；成像領域經(jīng)常利用偏振實現(xiàn)去霧、去偽、去反光等圖像信息增強，目前還有研究借助偏振信息實現(xiàn)三維成像等功能。

偏振成像的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式對應的光學系統(tǒng)通常比較龐大，這是因為其基于光學透鏡、偏振元件搭建的，本質上是射線光學原理，需要用到很多光學元件和機械部件。從光學系統(tǒng)角度出發(fā)，實現(xiàn)偏振探測的主要思路包括分時成像、分振幅成像、分孔徑成像。

可以看到，從原理上說，傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)都難以實現(xiàn)小型化，這是由于其需要用到多個偏振元件和透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)光路搭建，還需要不同探測器實現(xiàn)不同偏振信號的采集。

要實現(xiàn)小型化的光學系統(tǒng)，一個思路是實現(xiàn)小型化的光學模組設計，類似相機攝像頭，將多個透鏡和元件進行集成化和小型化，同時簡化光路。這一思路主要是將光學系統(tǒng)簡化或者提高集成度，實現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化。另一個思路就是實現(xiàn)偏振集成探測器件。

基于偏振集成探測器又有兩個思路，第一個思路是基于集成化光學元件，即在成像焦平面的探測器陣列頂部集成線柵微偏振器，類似濾光片的思路，這就實現(xiàn)了分焦平面的偏振探測。

分焦平面偏振探測器能夠同時測量光線強度和偏振狀態(tài)。它具有結構緊湊、體積小、高實時性等優(yōu)點。2018 年，Sony 推出了一款 IMX250 MZR偏振傳感器，每個微偏振片被置于微透鏡和感光二極管之間，F(xiàn)LIR 和Lucid Vision Labs 等將該偏振傳感器集成到相機中，研發(fā)出了相應的黑白和彩色分焦平面偏振相機。分焦平面偏振探測器從原理上細分可以分為：

• 基于微偏振陣列的探測器件（選擇透過）：這種探測器件在焦平面上排列了微偏振陣列，每個微偏振元件都具有特定的偏振特性。，可選擇透過特定偏振分量的光。
• 基于超構表面或衍射元件的探測器件（衍射分光）：這種探測器件利用超構表面對入射光進行選擇通過或者分光。

集成化偏振探測器的另一個思路則是直接將偏振響應過程前移至光電探測過程，讓光生載流子的產(chǎn)生過程就和偏振相關?；谶@一思路一個直接的想法就是尋找具備偏振響應特性的材料，這樣的材料一般是基于低對稱性的各向異性光電材料，比如黑磷等。還有一個思路是把本不具備各向異性的材料圖形化為具備各向異性，比如近日發(fā)表的基于圖案化鈣鈦礦單晶薄膜的偏振敏感光電探測器[11]。

基于片上化偏振選擇探測器的另一個思路是通過人工結構的引入，使得原本不具有偏振選擇的光響應具有偏振選擇型，常見的人工結構是表面等離激元等。值得一提的是，借助材料自身的各向異性往往難以實現(xiàn)手型的選擇，只能探測線偏振特性，難以探測光的圓偏振特性，因此，難以獲得光的全斯托克斯參數(shù)，而基于人工結構的設計，容易同時實現(xiàn)圓偏振和線偏振分量的選擇，從而直接實現(xiàn)全斯托克斯參量的提取。

如圖為近年的一些利用人工結構實現(xiàn)光的全斯托克斯參數(shù)提取的工作，值得一提的是，這里展示的基于介質超構材料的全斯托克斯偏振探測器大多基于光學衍射分光的設計思路，類似分焦平面，其本質是基于偏振集成元件；而基于金屬plasmonic結構則是直接使得像素光響應本身偏振敏感，其本質是基于光電響應過程偏振調(diào)控。

需要說明的是雖然看著很類似，但是基于偏振集成元件和基于光電響應過程的偏振探測的原理是不同的，前者是光學系統(tǒng)的簡化以及射線光學系統(tǒng)（基于透鏡）向波動光學系統(tǒng)（基于衍射元件）逼近的過程，或者說是基于分焦平面原理的拓展，對于detector而言光電響應過程原理沒有變；而后者是光電響應過程的偏振選擇特性,即通過材料、器件設計使得光電探測器的響應度具有偏振探測特性（這主要通過前文提到的各向異性材料或者人工結構實現(xiàn)）。

兩種偏振探測器的原理區(qū)分

其中通過材料、器件設計使得光電探測器件本身響應度具有偏振特性這一原理是從器件底層出發(fā)進行創(chuàng)新，而不是單純的光學系統(tǒng)的簡化和集成化過程。從實現(xiàn)原理上說，除了上面提到的借助各向異性材料、引入人工結構外，研究人員還在不斷探索新的實現(xiàn)光電轉換過程偏振選擇的探測機理，比如基于CPGE實現(xiàn)偏振響應。CPGE最早來自于weyl半金屬等拓撲材料，拓撲材料因其獨特的電子能帶結構而表現(xiàn)出新穎的光電現(xiàn)象。拓撲材料在線偏振光和圓偏振光下產(chǎn)生顯著的光電流。這些現(xiàn)象分別被稱LPGE和CPGE。

偏振探測的器件化除了在sensor上下功夫，實現(xiàn)偏振功能的sensor外，還可以在光路上下功夫，將光學系統(tǒng)搬到片上，實現(xiàn)器件化光學系統(tǒng)，這也是目前硅光電路的主要思想。如下圖所示，通過微納加工，可以實現(xiàn)不同的片上光學元件，從而實現(xiàn)光的散射、衍生、干涉、吸收增強等等功能。這一部分本質上說是從微納光學角度去設計集成化偏振探測系統(tǒng)，這里暫不展開討論。

總的來說，實現(xiàn)集成化偏振探測器設計目前主要有兩個思路，一是在光學元件和光學系統(tǒng)上進行設計，實現(xiàn)片上集成的偏振元件或者光學系統(tǒng)，這一思路下光電探測器件本身只需進行兼容設計，使得其與集成化光學元件工藝兼容，整體性能得以保證，包括光的收集效率，像素串擾等問題；二是在器件上下功夫，實現(xiàn)光響應偏振選擇的光電過程，這就需要借助材料、器件的設計。從目前產(chǎn)品上說，大部分產(chǎn)品還是采用的第一種方法，因為其實現(xiàn)上相對簡單，主要解決光學元件等無源器件的設計和優(yōu)化，以及組裝集成問題即可；二后者需要進行像素級別的底層創(chuàng)新，涉及到半導體工藝改動、材料兼容等問題，目前主要還是學術界在推動相關研究。

/03 明場成像（序）/

（說明：這部分沒寫完，行文相當粗糙，后面再展開寫，可以先跳過不看）

從成像系統(tǒng)中光源、物體、sensor三者的相對位置關系上分，光學系統(tǒng)可以分反射式和透射式，之前介紹到的明場、暗場、偏振、光譜、相位成像系統(tǒng)都可以設計為反射式和透射式只不過由于其成像原理的不同，有的成像系統(tǒng)基于其中一種設計更為簡單和適用（比如相位成像對應的干涉成像系統(tǒng)以透射式居多），這個就要基于具體場景分析。

明場和暗場成像對應的光的振幅信息，對應光的吸收，反射、透射等過程。這也是大部分明場、暗場成像系統(tǒng)基于的基本原理。明場成像可以說是比較簡單的成像系統(tǒng)了，由于主要探測光的強度信息，整個系統(tǒng)設計比較直接，原理相對簡單。下圖給出了一些常見的明場成像系統(tǒng)。

不過值得一提的是，雖然簡單，但是其應用是最為廣泛的，無論是目前我們用的大部分攝像機、相機，還是實驗室里的金相顯微鏡等都主要基于明場的強度成像原理。在半導體檢測中，基于明場的半導體缺陷檢測設備BFI也一直是卡脖子技術。

/04 成像技術對新型sensor的需求/

sensor和光學系統(tǒng)密不可分，如果說計算成像是從算法端去分擔硬件端的壓力，那么新型sensor則是從器件層面去分擔系統(tǒng)層面的壓力。有了更適配的sensor，可以簡化系統(tǒng)，實現(xiàn)輕量化模組，極簡化光路。

然而新型sensor的研究不能脫離整個系統(tǒng)和應用場景的實際需求，

要從成像需求的角度出發(fā)去進行光電探測器的研發(fā)，不是說讓器件具備越多功能就一定越好，也不是所有設計目標都是“既要又要”。從產(chǎn)品角度而言，即使實現(xiàn)all-in-one的sensor，也不一定能覆蓋所有應用場景，更不一定有性能成本優(yōu)勢。

比如對于明場成像和暗場成像而言，從成像角度兒而言，主要是對sensor的響應度、量子效率有需求，而對其功能化沒有別的需求，而對于偏振成像而言需要其具備偏振自由度的檢測能力，對于無透鏡成像場景則對性能沒有強需求，但是要求更小的像素尺寸，而紅外探測等場景尺寸過小反而影響器件性....。相關成像技術及其對探測器的主要需求歸納如下圖，下次有機會再對該圖進行補充和展開。

參考資料:

1 https://www.microscopeclub.com/bright-field-microscope/

2 https://zeiss.magnet.fsu.edu/articles/basics/reflected.html

3 https://www.hangyan.co/reports/2991453053573400057

4 偏振成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望（特邀）,羅海波 張俊超 蓋興琴 劉燕

5 低維半導體偏振光探測器研究進展，魏鐘鳴 夏建白

6 ACS Nano 2020, 14, 12, 16634–16642

7 周建，周易，倪歆玥，等. 偏振集成紅外光電探測器研究進展與應用[J]. 光電工程，2023，50(5): 230010. doi: 10.12086/oee.2023.230010

8 Li, W., Coppens, Z., Besteiro, L. et al. Circularly polarized light detection with hot electrons in chiral plasmonic metamaterials. Nat Commun 6, 8379 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms9379

9 https://doi.org/10.1038/s41377-023-01260-w

10. ACS Photonics 2018, 5, 8, 3132–3140

11.https://doi.org/10.1002/adom.202100524

12. 短波紅外偏振成像技術的研究進展，李子園 金偉其

13. http://www.ycgd.net/newsshow.php?cid=19&id=57

14.Rubin, N. A et al. Science 365, 43 (2019).

15. https://www.slideserve.com/min/the-plenoptic-function

16. Nanoscale, 2020, 12, 5906

17.Opt. Express 18, 19087-19094(2010)

18. Nanophotonics 1 125–129 (2012)

19.偏振成像探測技術發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術doi:10.3788/CO.20130606.803

20.Performance of DoFP Polarimeter Calibration

21.Chong Zhang, Jingpei Hu, Yangeng Dong, Aijun Zeng, Huijie Huang, Chinhua Wang. High efficiency all-dielectric pixelated metasurface for near-infrared full-Stokes polarization detection[J]. Photonics Research, 2021, 9(4): 583

22. https://www.slideserve.com/min/the-plenoptic-function

23.Advances on theory and application of polarization information propagation(Invited)

24. 圓偏振光伏效應，蘇欣

26.Wei, J., Xu, C., Dong, B. et al. Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photonics (2021).

（說明1：由于涉及的參考文獻和圖片比較多，如有遺漏還請諒解）