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        紅外光電探測器的前沿熱點與變革趨勢

        2022-2-28 15:31:32點擊:
          據麥姆斯咨詢報道,近期,中國科學院上海技術物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室葉振華研究員課題組在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“紅外光電探測器的前沿熱點與變革趨勢”為主題的綜述文章。葉振華研究員主要從制冷型紅外光電探測器研究工作。
          紅外光電探測器的發展歷程與未來趨勢
          這項研究聚焦國內外的紅外技術研究現狀,重點介紹紅外光電探測器當前的研究熱點與未來的發展趨勢。首先,介紹針對戰術泛在化、戰略高性能的SWaP3概念。其次,綜述以超高空間分辨率、超高能量分辨率、超高時間分辨率、超高光譜分辨率為特征的高端三代紅外光電探測器,分析挑戰光強探測能力極限的紅外探測器的技術特征與實現方法。然后,論述基于人工微結構的四代紅外光電探測器,重點介紹偏振、光譜、相位等多維信息融合的實現途徑與技術挑戰。最后,從片上數字化升級為片上智能化的角度,探討未來極具變革性趨勢的紅外探測器。
          疊層雙色紅外光電探測器的應用優勢
          世界軍用電子元器件領域正朝著高效能、高集成、高速度、智能化、小型化等方向發展。技術需求主要包括更強的信息獲取能力、更快的處理速度、更高的集成度、更小的體積、更好的可靠性和環境及抗輻射適應性。光電器件領域選擇方向的重要標準是如何高效率、高可靠、高集成、低功耗地進行紅外輻射信息的探測、識別、處理以及傳輸。在SWaP3概念的發展引領下,紅外探測器的發展主要集中在大規格、小型化、雙色/多色化、智能化和高溫工作等前沿領域方面。在戰略應用方面,紅外光電探測器的高性能是核心,更關注“四高”,重點是提高光譜、空間、時間的分辨率和輻射探測器的靈敏度。而在戰術應用時,則涉及SWaP3概念的各個方面,需要權衡尺寸、重量、功耗、價格,特別注重的因素是應用的泛在化。
          核心參數“四高”性能的相互關聯性與制約性
          當前,紅外/光電探測主要利用紅外輻射的強度特性實現灰度、偽彩色的成像,也有利用紅外輻射的頻率特性實現多光譜、高光譜及超光譜成像。近年來,超高分辨率、超高靈敏度、超快響應等為新技術特征的高端第三代紅外/光電探測器件在國內外獲得了重大的技術突破。紅外探測的空間特性、能量特性、時間特性、光譜特性的分辨能力不斷提升,逐漸逼近其分辨率的理論極限。上圖是紅外系統在實現高的空間、能量、時間、光譜分辨率存在的相互關聯性與制約性。單個的紅外光電探測器不可能同時滿足紅外系統超高的空間、能量、時間、光譜分辨率要求。通過特殊的設計、定制,來實現紅外系統幾個核心參數相互間的合理平衡。
          新概念紅外光電探測器的核心架構與技術內涵
          當前紅外光電探測器件以探測目標輻射強度為主要技術手段,以提高空間分辨率、視場范圍、溫度靈敏度等性能為主要目標,實現對目標的感知。未來光探測感知系統迫切需要實現光場信息特征和目標距離特征等信息的多維度獲取,采用一定算法將各影像數據中所含的信息優勢互補性有機結合起來,融合成新的更高維度的影像數據,以此增強目標圖像的對比度,提升探測系統的識別和抗干擾能力,提高光電探測系統對動目標、弱目標和小型偽裝目標的偵察感知能力,增強對復雜戰場和氣象環境的適應性。為滿足多維信息融合與平臺靈巧化的應用需求,不同維度探測功能的物理實現應盡可能達到小型化、集成化的目標。隨著超表面等人工微結構學科的興起,新一代紅外光電探測器發展芯片級光場調控集成技術,實現光強、光譜、偏振、相位等多維信息融合。這顛覆了傳統光學系統與紅外光電探測器的分立模式限制。目前,國際上普遍認為集成了偏振、光譜、相位等光場調控人工微結構的紅外焦平面探測器,是未來的四代紅外光電探測器。
          隨著信息化社會人工智能物聯網(Artificial In?telligence of Things,AIoT)趨勢在各領域的快速普及,紅外信息的復合探測和智能處理是紅外探測技術向更多領域普及發展的必由之路,紅外探測器正在由單一的傳感器向多維信息融合成像、片上智能化的紅外光電探測器發展。在片上集成光場調控人工微結構的四代紅外光電探測器基礎上,通過3D堆疊發展片上紅外信息獲取、信號處理、智能決策的變革性紅外光電探測器;谄霞膳c智能化處理技術,新型智能化信息處理光電探測器具有片上像元計算、并行輸出、基于事件驅動的低功耗特征,可大幅提升特征提取等光電探測系統并行、分步計算、智能化水平。
          紅外/光電探測器已經完成了第一代、第二代的研究與實用化。三代紅外光電探測器主要針對戰術泛在化、戰略高性能的應用特點,重點發展SWaP3概念的紅外光電探測器,目前技術基本突破、部分開始進入裝備。高端三代紅外光電探測器則趨于挑戰超高分辨率、超高能量分辨率、超高時間分辨率和超高光譜分辨率等光強探測的極限性能。同時,正在發展人工微結構和紅外光電探測器的片上集成技術,實現強度、相位、偏振、光譜等多維光學信息融合的四代紅外光電探測器。結合四代紅外光電探測器的發展,突破紅外光電探測器讀出電路3D堆疊技術,實現紅外輻射信息獲取、信號處理、智能決策的片上感存算一體化,進而推動紅外光電探測器的跨越與革新?梢灶A期,紅外光電探測器正朝著“挑戰光強探測極限→全光信息融合集成→片上智能化/類神經視覺紅外探測器”的技術趨勢持續蓬勃發展、方興未艾。
          該項目獲得中國科學院戰略高技術創新基金項目(CXJJ-19-A04)的支持。
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