紅外光電探測(cè)技術(shù)通常工作在無(wú)源被動(dòng)的傳感模式，具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾性好、穿透煙塵霧霾能力強(qiáng)、全天時(shí)工作等優(yōu)點(diǎn)，在航天遙感、軍事裝備、天文探測(cè)等方面都有廣泛應(yīng)用。至今，二代、三代紅外光電探測(cè)器已大規(guī)模進(jìn)入裝備，高端三代也在逐步推進(jìn)實(shí)用化。
人工微結(jié)構(gòu)、人工智能和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等技術(shù)研究逐漸興起，推進(jìn)了紅外輻射光學(xué)調(diào)控、片上智能化與傳統(tǒng)紅外光電探測(cè)器的芯片級(jí)集成發(fā)展。許多極具前沿前瞻性的新概念、新技術(shù)、新器件，如雨后春筍般地應(yīng)運(yùn)而生。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉振華研究員課題組在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“紅外光電探測(cè)器的前沿?zé)狳c(diǎn)與變革趨勢(shì)”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(cè)器研究工作。
紅外光電探測(cè)器的發(fā)展歷程與未來(lái)趨勢(shì)
這項(xiàng)研究聚焦國(guó)內(nèi)外的紅外技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹紅外光電探測(cè)器當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。首先，介紹針對(duì)戰(zhàn)術(shù)泛在化、戰(zhàn)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(shí)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(cè)器，分析挑戰(zhàn)光強(qiáng)探測(cè)能力極限的紅外探測(cè)器的技術(shù)特征與實(shí)現(xiàn)方法。然后，論述基于人工微結(jié)構(gòu)的四代紅外光電探測(cè)器，重點(diǎn)介紹偏振、光譜、相位等多維信息融合的實(shí)現(xiàn)途徑與技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，從片上數(shù)字化升級(jí)為片上智能化的角度，探討未來(lái)極具變革性趨勢(shì)的紅外探測(cè)器。
疊層雙色紅外光電探測(cè)器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
世界軍用電子元器件領(lǐng)域正朝著高效能、高集成、高速度、智能化、小型化等方向發(fā)展。技術(shù)需求主要包括更強(qiáng)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(huán)境及抗輻射適應(yīng)性。光電器件領(lǐng)域選擇方向的重要標(biāo)準(zhǔn)是如何高效率、高可靠、高集成、低功耗地進(jìn)行紅外輻射信息的探測(cè)、識(shí)別、處理以及傳輸。在SWaP3概念的發(fā)展引領(lǐng)下，紅外探測(cè)器的發(fā)展主要集中在大規(guī)格、小型化、雙色/多色化、智能化和高溫工作等前沿領(lǐng)域方面。在戰(zhàn)略應(yīng)用方面，紅外光電探測(cè)器的高性能是核心，更關(guān)注“四高”，重點(diǎn)是提高光譜、空間、時(shí)間的分辨率和輻射探測(cè)器的靈敏度。而在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用時(shí)，則涉及SWaP3概念的各個(gè)方面，需要權(quán)衡尺寸、重量、功耗、價(jià)格，特別注重的因素是應(yīng)用的泛在化。
核心參數(shù)“四高”性能的相互關(guān)聯(lián)性與制約性
當(dāng)前，紅外/光電探測(cè)主要利用紅外輻射的強(qiáng)度特性實(shí)現(xiàn)灰度、偽彩色的成像，也有利用紅外輻射的頻率特性實(shí)現(xiàn)多光譜、高光譜及超光譜成像。近年來(lái)，超高分辨率、超高靈敏度、超快響應(yīng)等為新技術(shù)特征的高端第三代紅外/光電探測(cè)器件在國(guó)內(nèi)外獲得了重大的技術(shù)突破。紅外探測(cè)的空間特性、能量特性、時(shí)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(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高的空間、能量、時(shí)間、光譜分辨率存在的相互關(guān)聯(lián)性與制約性。單個(gè)的紅外光電探測(cè)器不可能同時(shí)滿足紅外系統(tǒng)超高的空間、能量、時(shí)間、光譜分辨率要求。通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)、定制，來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)幾個(gè)核心參數(shù)相互間的合理平衡。
新概念紅外光電探測(cè)器的核心架構(gòu)與技術(shù)內(nèi)涵
當(dāng)前紅外光電探測(cè)器件以探測(cè)目標(biāo)輻射強(qiáng)度為主要技術(shù)手段，以提高空間分辨率、視場(chǎng)范圍、溫度靈敏度等性能為主要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的感知。未來(lái)光探測(cè)感知系統(tǒng)迫切需要實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)信息特征和目標(biāo)距離特征等信息的多維度獲取，采用一定算法將各影像數(shù)據(jù)中所含的信息優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，融合成新的更高維度的影像數(shù)據(jù)，以此增強(qiáng)目標(biāo)圖像的對(duì)比度，提升探測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別和抗干擾能力，提高光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)目標(biāo)、弱目標(biāo)和小型偽裝目標(biāo)的偵察感知能力，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)和氣象環(huán)境的適應(yīng)性。為滿足多維信息融合與平臺(tái)靈巧化的應(yīng)用需求，不同維度探測(cè)功能的物理實(shí)現(xiàn)應(yīng)盡可能達(dá)到小型化、集成化的目標(biāo)。隨著超表面等人工微結(jié)構(gòu)學(xué)科的興起，新一代紅外光電探測(cè)器發(fā)展芯片級(jí)光場(chǎng)調(diào)控集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)、光譜、偏振、相位等多維信息融合。這顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)與紅外光電探測(cè)器的分立模式限制。目前，國(guó)際上普遍認(rèn)為集成了偏振、光譜、相位等光場(chǎng)調(diào)控人工微結(jié)構(gòu)的紅外焦平面探測(cè)器，是未來(lái)的四代紅外光電探測(cè)器。
隨著信息化社會(huì)人工智能物聯(lián)網(wǎng)（Artificial In?telligence of Things，AIoT）趨勢(shì)在各領(lǐng)域的快速普及，紅外信息的復(fù)合探測(cè)和智能處理是紅外探測(cè)技術(shù)向更多領(lǐng)域普及發(fā)展的必由之路，紅外探測(cè)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(cè)器發(fā)展。在片上集成光場(chǎng)調(diào)控人工微結(jié)構(gòu)的四代紅外光電探測(cè)器基礎(chǔ)上，通過(guò)3D堆疊發(fā)展片上紅外信息獲取、信號(hào)處理、智能決策的變革性紅外光電探測(cè)器?；谄霞膳c智能化處理技術(shù)，新型智能化信息處理光電探測(cè)器具有片上像元計(jì)算、并行輸出、基于事件驅(qū)動(dòng)的低功耗特征，可大幅提升特征提取等光電探測(cè)系統(tǒng)并行、分步計(jì)算、智能化水平。
紅外/光電探測(cè)器已經(jīng)完成了第一代、第二代的研究與實(shí)用化。三代紅外光電探測(cè)器主要針對(duì)戰(zhàn)術(shù)泛在化、戰(zhàn)略高性能的應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展SWaP3概念的紅外光電探測(cè)器，目前技術(shù)基本突破、部分開始進(jìn)入裝備。高端三代紅外光電探測(cè)器則趨于挑戰(zhàn)超高分辨率、超高能量分辨率、超高時(shí)間分辨率和超高光譜分辨率等光強(qiáng)探測(cè)的極限性能。同時(shí)，正在發(fā)展人工微結(jié)構(gòu)和紅外光電探測(cè)器的片上集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、相位、偏振、光譜等多維光學(xué)信息融合的四代紅外光電探測(cè)器。結(jié)合四代紅外光電探測(cè)器的發(fā)展，突破紅外光電探測(cè)器讀出電路3D堆疊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外輻射信息獲取、信號(hào)處理、智能決策的片上感存算一體化，進(jìn)而推動(dòng)紅外光電探測(cè)器的跨越與革新。可以預(yù)期，紅外光電探測(cè)器正朝著“挑戰(zhàn)光強(qiáng)探測(cè)極限→全光信息融合集成→片上智能化/類神經(jīng)視覺紅外探測(cè)器”的技術(shù)趨勢(shì)持續(xù)蓬勃發(fā)展、方興未艾。
該項(xiàng)目獲得中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略高技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CXJJ-19-A04）的支持。
