與傳統成像系統相比，偏振成像系統通過探測目標物在不同狀態下的明顯偏振差異，提高對目標物的探測和識別能力，因而被廣泛應用于復雜環境或有偽裝物的目標探測。特別是短波紅外譜范圍的信息探測可以提供人眼所不能看見的分辨率和細節，是目前軍事和民用領域的重點研究方向之一。

據麥姆斯咨詢報道，北京理工大學光電成像技術與系統教育部重點實驗室的科研團隊在《應用光學》期刊上發表了以“短波紅外偏振成像技術的研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為李子園副教授，主要從事微納加工、紅外探測與成像、新型微納光電器件等研究工作；通訊作者為金偉其教授，主要從事夜視與紅外技術、光電圖像處理、光電檢測與儀器等研究工作。

本文歸納總結了傳統偏振成像系統的結構分類及其特點，探討了新型微納偏振成像系統的研究進展，并針對目前短波紅外偏振成像技術存在的主要問題提供了可行性分析和建議。

傳統偏振成像系統

傳統的偏振成像方法與光譜成像相似，需要采集3個或4個圖像來表征一個場景的偏振狀態。由于分時獲取多幀偏振成像中場景的任何運動都會導致偽影，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，多重空間配準需要校正機械錯位以及光學“錯位”，故而變得復雜。雖然簡單的測量極化信息的方法是使用單獨的相機以及配備的獨立光學元件來實現圖像的共視，但是這種策略很難執行得當，因此許多新的集成技術逐漸被研發和使用。

分時偏振成像系統

一種常用的偏振成像方法,如圖1所示，在攝像頭系統前安裝旋轉偏振元件。通過旋轉偏振元件可以調制從場景入射到焦平面的偏振光，并通過數據約簡矩陣技術重塑斯托克斯圖像，可用于產生線性極化、圓極化度或其他派生量（例如方向或橢圓率）的圖像。2005年美國的Polaris Sensor Technologies公司就利用旋轉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動員。使用線性偏振對比度探測水上的目標物，然后根據輻射對比度即可對目標物進行分類。2009年，Lavigne等人則研發了一套如圖2所示的四波段偏振成像系統，對長波紅外、中波紅外、短波紅外以及可見光進行探測。通過在四波段成像系統前面安裝同步旋轉的偏振片，按特定時間間隔可依次獲得0°、45°、90°和135°的偏振圖像。這種系統可以實現校準、數據采集和數據處理的全面自動化，整個圖像的捕獲過程只需不到2 min 30 s。

圖1 使用旋轉偏振元件的偏振傳感器

圖2 可見紅外光譜偏振成像儀

這種方法雖然系統設計和數據分析方面都非常簡單，但存在一些明顯的缺點。大多數情況下，旋轉元件已經是一個偏振器，因而只能檢測線性偏振態。此外，場景和測試平臺必須是靜止的，以避免引入幀間運動。為了保證圖像的質量，旋轉速度要么太慢而無法實現更高的幀速率，要么偏光片需要跟著場景逐步移動來獲取運動間的圖像。即使最近在連續旋轉偏振器方面已取得一定成功，在采集期間如果有較多場景傳感器移動時，仍會因為旋轉元件引起的光束漂移而產生偽影。如果旋轉中存在楔子或者元件有震顫，也會導致光束漂移。

因此，基于聲光可調諧濾光片（AOTF）的偏振成像儀得到大力發展。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生衍射的圖像。2002年，美國陸軍研究實驗室（ARL）設計了主要由AOTF和液晶相位可變延遲器（LCVR）組合而成的偏振光譜成像系統，如圖3所示。通過AOTF前放置的LCVR對每個波長產生兩個相位延遲，即可以用一個相機對兩個正交偏振的衍射光束進行成像。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，可實現更快的響應和更好的時效性。隨后，該小組對基于AOTF的成像偏振光譜系統（ISP）進行了更深入地研究，研制出了寬波段、小型化、穩定的、可進行編程的ISP型號，并于2007年研制了基于兩個LCVR和AOTF的全Stokes ISP，如圖4所示。

圖3 AOTF偏振光譜成像儀設計原理

圖4 基于AOTF的全Stokes ISP系統

分振幅偏振成像系統

分振幅偏振成像系統最初由Garlick等人提出并建造的雙通道系統，逐漸發展成為圖5所示的全斯托克振幅旋光儀，其第4個相機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個獨立的焦平面陣列組成。4個獨立的相機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，以實現偏振成像。剛性機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現直線和圓形偏振，而4個攝像機可同時捕捉4幅圖像，以計算完整斯托克斯圖像，并消除由采集過程中場景變化引發的虛假偏振效應。

圖5 振幅旋光儀

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。這樣的設計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，這種系統一般尺寸都過大，且需要嚴格的系統校準，以達到機械和光學對準所需的要求。此外，中繼鏡頭的位置偏差也可能導致4個通道中的每個通道的畸變，因而需要進行后期處理來共同注冊這4幅圖像。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。

分孔徑偏振成像系統

2005年，Polaris SensorTechnologies公司研發了一套如圖6（a）所示的中波紅外分孔徑偏振成像系統。2014年，蘇州大學賀虎成也研制了可見光的分孔徑偏振成像光學系統。這樣的系統一般由一個焦平面陣列（FPA）和一套成像系統組成，可以將多個圖像投影到一個焦平面上。一個標準相機物鏡用于在孔徑上形成場景圖像，準直光學系統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圖像（見圖6（b））。對于這種偏振儀設計，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。精準的定位既可以同時獲取所有極化數據，又可以確保所有極化通道是共視的。因為光路較短，一旦光學元件被固定后，光路的對準相對于分振幅旋光儀也會更穩定。因此，該系統擁有結構簡單、數據處理速度快等優點，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用。其主要缺點是空間分辨率的損失（每個線性尺寸的系數為2）以及附加成像光學元件的體積和重量。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。還應該指出的是，由于連續光源的相干散射和干涉，這種策略更難在連續光源照明的情況下使用。

圖6 分孔徑偏振成像系統

總體來說，傳統偏振成像系統主要利用各種光路和傳統探測器實現偏振探測，搭建過程較為簡單，無需進行特殊加工工藝，但通常系統體積較大、光路復雜、校準要求高且光損失較大。

新型微納偏振成像系統的研究進展

短波紅外成像技術也促進了短波紅外偏振成像技術的發展，從原理上講，短波紅外焦平面探測器配置相應的偏振光學系統，可以實現上述分時、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注。

分焦平面偏振成像系統

由于焦平面陣列（FPA）技術的最新進展，可將微光偏振元件直接集成在焦平面陣列上，從而實現圖7所示的分焦平面偏振成像系統，在每個圖像幀里都能獲取所需的極化數據。1999年，Nordin等人將包含偏振濾波器陣列的衍射光學元件（DOE）集成在InSb焦平面上，實現了全斯托克斯偏振成像系統。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。基于DOE的偏振濾波器陣列隨后集成在512 × 512像素的FPA上。因為每一個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

短波紅外成像技術也促進了短波紅外偏振成像技術的發展，從原理上講，短波紅外焦平面探測器配置相應的偏振光學系統，可以實現上述分時、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注。

該系統具有顯著優勢，場景中每個像素的所有偏振測量都是同時進行的，用于斯托克斯矢量估計的測量值都是由同一視場的相鄰像素點組建。因此，分焦平面偏振成像系統得到了廣泛的關注和研究，已經可以實現光譜多個波段的成像，包括可見光、短波紅外和長波紅外。大多數焦平面陣列偏振系統僅針對線性極化，但全斯托克斯的系統設計也在逐步發展中。這種系統的缺點是，為了計算焦平面陣列上每個像素點的斯托克斯矢量，須對圖像進行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行權衡。另外，相鄰像素的瞬時視野（IFOV）原則上不重疊，因而該系統在斯托克斯矢量計算中容易存在像素到像素的配準誤差。通過使光斑擴展散焦和后續的數據處理，誤差可得到部分緩解。

目前大部分研究都使用金屬線柵實現周期性微偏振片陣列。2010年，美國圣路易斯華盛頓大學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。2014年，大連理工大學Chu等使用納米壓印技術制備了雙層鋁納米線柵并集成到探測器上，實現了藍光波段的偏振探測。2015年，中國科學技術大學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變化，證實了該方法在實時動態相位測量應用方面的可行性。2016年，河南理工大學和中科院重慶綠色智能研究院Lu等則通過在硅襯底兩側制作雙層線柵，研制了高消光比寬帶太赫茲偏振器。同年，耶拿大學Siefke等研制了基于二氧化鈦線柵結構的偏振系統，通過使用自對準雙圖案化技術制備周期較小、縱橫比較大的光柵，可用于190 nm～280 nm的遠紫外光譜偏振探測。但可以看到的是，雖然該系統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，長春理工大學陳星等使用電子束光刻技術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實現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計對偏振探測的影響。

2019年，美國哈佛大學Rubin等在Science雜志上提出了基于TiO?超表面光柵的緊湊型全斯托克斯偏振相機。在沒有傳統的偏振光學和運動部件支持下，僅通過設計和優化圖8所示的絕緣體超表面納米結構，即可集成到相機上獲得可見光譜范圍的全斯托克斯偏振態測量。2021年，法國蔚藍海岸大學Song等通過設計GaN超表面光柵成功實現了復雜的寬帶波前整形，包括光束偏轉器和白光全息圖。2022年，中國南京大學Ren等設計了基于橢圓形TiO?超表面結構的全斯托克斯偏振鏡，可提供入射光兩個正交極化態的不相關相位信息，從而實現入射光各偏振態的高效空間分離。但這些設計需要大量的模擬實驗，光柵和相機的集成工藝和后期的數據處理也都很有挑戰。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、校準要求高、響應速度慢的問題，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上的難點，以及各種光學損耗。

圖8 基于TiO?超表面光柵的緊湊型全斯托克斯偏振照相機

基于半導體微納結構的偏振成像系統

近年來，基于微納結構的新型光電探測器已引起國際上廣泛的關注，比如納米線、納米管、納米片和二維材料。這些器件采用獨特的幾何結構和物理特性，具有優異的光學和電學性能、量子效應以及增強光、生物或化學敏感度。特別是，III-V族半導體納米線更是具有直接和寬光譜的可調諧性帶隙、高吸收系數和載流子遷移率，以及形成異質結構的靈活性，使其成為光電探測的優秀候選者。相比于傳統探測器，垂直排列的納米線陣列具有低反射和強寬帶吸收，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體中；也可減少材料使用量，以降低成本，同時生產更多功能性設備。2015年，哈佛大學Park等提出如圖9所示的半導體納米線偏振探測器，在無需偏振濾鏡的情況下，利用硅納米線形狀可調制光吸收的特點，將光信號轉化成不同偏振態對應的光電流，實現偏振探測。

這種技術可以減少光損耗，縮小器件體積，而且納米結構的設計可有效提高相機的光吸收效率。但基于橢圓形納米線形狀的偏振器消光比較低，目前的設計也只能檢測線偏振態。硅相對于III-V族半導體的光電轉化效率也有待提高，且只應用于可見光和近紅外波段。2022年，澳大利亞國立大學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，如圖10所示。通過與中南大學合作得到的仿真結果看來，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。通過結構優化后，在2 μm~3 μm波長范圍內，在保證高于67%的吸收率同時，可獲得大于50的偏振消光比。因此，該結構極有希望應用于紅外寬光譜偏振成像，在無需微納偏振片的情況下，即可實現偏振態探測。

圖9 基于橢圓納米線陣列的偏振成像儀

圖10 基于InAs納米片陣列的短波紅外偏振探測器

與傳統偏振成像系統相比，新型偏振成像系統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構，可實現快速、像素多、體積小、光路簡單、光損耗較小的偏振成像。目前，微納結構加工和器件制備工藝均有待改進，針對短波紅外偏振成像的研究尚不足。

短波紅外偏振成像技術存在的主要問題與建議

決定偏振成像系統工作波段的關鍵因素之一即所用探測器的工作波譜范圍。目前市場上先進的短波紅外光電探測器主要是基于焦平面探測器。經過多年來的探索，它們的加工工藝日益穩定，材料實現多元化，性能也得到了明顯的提高，因此獲得了日益廣泛的應用。因此，短波紅外偏振成像系統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）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很難實現大面積成像。因此，隨著納米技術的發展，基于微納結構及材料的光電探測器逐漸嶄露頭角，為實現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率和探測率。比如窄帶隙二元納米線材料，如InAs、GaSb和InSb，可以提供從可見光到紅外區域的寬譜光探測。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，以及優異的光電性能。具有可調帶隙的三元III-V納米線，如Ga-AsSb、InGaAs和InAsP也被廣泛研究。Li等人通過調諧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率和探測率的室溫單根GaAs0.56Sb0.44納米線光電探測器。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率。利用半導體納米線陣列幾何形狀可調控其內部光共振模式的機理，更是實現了基于GaAsSb納米線陣列的無濾光片多光譜高效探測。

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雖然得到了大力的發展，但大部分研究仍聚焦在可見光范圍，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計和加工工藝均有待開發和優化也是原因之一。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的一個關鍵指標，直接決定了系統的檢偏能力、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，獲得目標場景更為真實的偏振特性，可從以下幾個方面進行改進：1）通過優化設計參數和加工工藝，增強微納偏振元件自身的偏振探測性能；2）通過提高對準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的裝配工藝；3）通過對圖像進行定標操作和后期圖像處理減少相機量子噪聲和偏振元件消光不徹底導致的偏振探測誤差；4）根據非理想偏振成像模型，通過數字計算成像方法重構出更準確的等效消光比，實現場景偏振特性的有效重構。

具有特殊形態的微納結構，比如納米片和橢圓形納米線，不僅能夠實現光電高效轉化，而且直接擁有偏振效應，因此可實現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換效率，是實現緊湊型偏振成像系統的優選者。但目前制備基于窄帶隙III-V半導體的微納結構，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，都存在諸多問題。比如納米結構表面雜質多，形狀無法精確控制，高濃度p型摻雜難以實現等，都是目前納米材料的研究難點。因此，基于納米結構的半導體探測器值得并急需更多的關注和研究，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的偏振成像模式可實現短波紅外偏振成像，但光路較復雜且系統體積龐大。因此，隨著微納加工技術的日益成熟，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成為新的發展方向，而利用半導體表面微納結構直接實現偏振探測更是值得探索的前沿領域。

結論

本文介紹了傳統偏振成像系統的類型和特點，并討論了基于微納結構的新型偏振成像系統的發展進程。針對目前短波紅外偏振成像技術的重要問題，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已展現了體積小、校準要求低、響應快等獨特優勢，但如何實現高效率、工作溫度要求低，與微納結構有效耦合仍是亟待解決的問題。而具有高效光電轉化和偏振探測功能的微納半導體結構雖然可以直接實現偏振高效探測，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。因此，隨著偏振成像設備在國內外市場的需求量不斷增加，實現高精度、小體積、快響應、高分辨率的偏振成像儀器是值得國內外重點研究的方向之一。

審核編輯：劉清