浅谈光电探测器和图像传感器（六）:从成像技术角度新型探测器之偏振探测

/00 前言/

前面的浅谈光电探测器和图像传感器系列介绍了按波长分类的紫外、可见、红外探测器。系列（五）的X射线探测器部分以及高能粒子探测器部分内容比较多，原理也比紫外可见复杂，下次再接着写。

上次从底层材料、器件结构、探测原理角度去分别介绍了一下不同的光电探测器和新型光电探测器件，可以说上篇文章主要是从一个bottom up的角度从底层分析器件本身。这篇文章换个角度，以top down的视角去看系统和场景对光电探测器和图像传感器的需求。这篇文章首先从系统出发，去分析不同的成像技术，然后总结配合不同成像技术和成像场景下的对应的新型光电探测器件的研究。

/01 多信息维度成像和新型成像器件/

光学成像系统可以按照不同的方式进行分类，比如，按照探测的光信号类型可以分为明场成像，暗场成像，偏振成像，光谱成像，相位成像等。这是因为光是一种具有多个维度信息的电磁波，通过对光不同维度信息的利用，可以获得不同的信息。

从物理上说，光经过不同的观测对象与作用时，其对光进行了直接调制,乃至发生相互作用。而光是一种振荡电磁波，具有强度、频率、偏振、传输相位等自由度。明场和暗场成像对应的光的振幅信息，偏振成像对应光的几何相位调制，光谱成像对应光的频率/波长，相位成像对应光的传输相位信息。

由于传统的探测和成像器件只能获得光的强度信息，因此光的其他维度信息的获取（比如偏振、光谱、相位）等主要借助光学系统的设计得以实现。

光谱成像系统通常通过分光思路，将不同波长的光在空间上区分，使其进入不同的探测器或者同一探测阵列的不同区域进行读出。

偏振成像也是类似思路，通过偏振原件的引入使得不同偏振成分的光在空间上分开，或者选择特定偏振态进行通过。当然，光谱和偏振信息也可以在时间上区分，类似时分复用。

相位成像则主要需要引入光的干涉过程，将相位信息转化为强度信息，而这一过程通过光学系统实现。当然目前也有一些非干涉式的相位成像系统实现，比如基于光强传输方程（TIE）。

在这些传统的光学设计中，功能的实现主要通过光学系统设计得以实现，而sensor主要就负责接收最终的光强信息。基于光的多自由度的新型sensor的设计思路是：将功能实现的压力挪到sensor器件侧，在器件层面实现功能化，从而实现系统层面的小型化、架构层面的极简化。这一思路也很简单，如果sensor能够直接获得光的偏振、光谱信息，那一方面成像系统将会大大简化、直接带来成本收益；另一方面，系统简化带来架构变更，直接带来应用场景的拓展。

从对应偏振成像、光谱成像、相位成像出发可以设计不同的sensor使其能够在获得强度信息的同时获得其他信息，对应的新型sensor分别是：偏振探测器，片上光谱仪，波前探测器。人们还在尝试更加激进的设计，比如光的多参数探测器，乃至全参数探测器，通过特殊设计，使得器件在实现偏振测定的同时还可以实现光谱测定，从而实现光的功率、波长、偏振的多自由度信息测定的光谱偏振测定仪（Spectropolarimeter）。

值得一提的是，光的多参量探测在很早就有人讨论了，不过之前多是从光学系统出发考虑的，很少考虑器件侧需要做些什么。从场景上说，如果真的获取了光的各个自由度信息，那理论上可以实现光场信息的全记录。这里对应plenoptic camera和plenoptic imaging的概念，全光成像（plenoptic imaging）技术的基本原理是记录光场信息，包括光线的位置、方向、强度和偏振状态等。传统成像技术只能记录光线在图像传感器上的强度信息，而全光成像技术可以记录光场的全部信息，这样可以实现更多的功能、应用场景。这一部分涉及计算成像、光场成像等问题，后面有机会单独总结一下。

接下来将分别介绍一下偏振成像、光谱成像、相位成像等成像技术，以及其对sensor的需求，由于这几部分内容比较多，该文主要介绍偏振成像部分。

/02 偏振成像/

偏振成像是一种利用光线的偏振特性进行成像的技术，它可以提供比传统成像技术更丰富的信息。传统成像技术只能记录光线的强度信息，而偏振成像技术可以记录光线的偏振状态信息，从而获得更高维度的图像信息。polarization对应电磁波的几何相位特性，涉及到波动光学领域的知识，而当我们说强度成像时，在不考虑高分辨成像时，多以射线光学或几何光学为主。光的偏振特性需要通过波动方程进行解算，斯托克斯通过数学推导，用stokes向量来描述光的偏振状态，可以通过S0，S1，S2，S3来确定光的偏振态，庞加莱提出可以用对应的庞加莱球表征光的偏振态。

偏振在医疗，遥感、生物、显示，成像等领域都有诸多应用。比如显示领域LCD的的亮度调节就是通过TFT阵列驱动液晶取向实现的；成像领域经常利用偏振实现去雾、去伪、去反光等图像信息增强，目前还有研究借助偏振信息实现三维成像等功能。

偏振成像的传统实现方式对应的光学系统通常比较庞大，这是因为其基于光学透镜、偏振元件搭建的，本质上是射线光学原理，需要用到很多光学元件和机械部件。从光学系统角度出发，实现偏振探测的主要思路包括分时成像、分振幅成像、分孔径成像。

可以看到，从原理上说，传统的偏振成像系统都难以实现小型化，这是由于其需要用到多个偏振元件和透镜系统实现光路搭建，还需要不同探测器实现不同偏振信号的采集。

要实现小型化的光学系统，一个思路是实现小型化的光学模组设计，类似相机摄像头，将多个透镜和元件进行集成化和小型化，同时简化光路。这一思路主要是将光学系统简化或者提高集成度，实现系统的轻量化。另一个思路就是实现偏振集成探测器件。

基于偏振集成探测器又有两个思路，第一个思路是基于集成化光学元件，即在成像焦平面的探测器阵列顶部集成线栅微偏振器，类似滤光片的思路，这就实现了分焦平面的偏振探测。

分焦平面偏振探测器能够同时测量光线强度和偏振状态。它具有结构紧凑、体积小、高实时性等优点。2018 年，Sony 推出了一款 IMX250 MZR偏振传感器，每个微偏振片被置于微透镜和感光二极管之间，FLIR 和Lucid Vision Labs 等将该偏振传感器集成到相机中，研发出了相应的黑白和彩色分焦平面偏振相机。分焦平面偏振探测器从原理上细分可以分为：

• 基于微偏振阵列的探测器件（选择透过）：这种探测器件在焦平面上排列了微偏振阵列，每个微偏振元件都具有特定的偏振特性。，可选择透过特定偏振分量的光。
• 基于超构表面或衍射元件的探测器件（衍射分光）：这种探测器件利用超构表面对入射光进行选择通过或者分光。

集成化偏振探测器的另一个思路则是直接将偏振响应过程前移至光电探测过程，让光生载流子的产生过程就和偏振相关。基于这一思路一个直接的想法就是寻找具备偏振响应特性的材料，这样的材料一般是基于低对称性的各向异性光电材料，比如黑磷等。还有一个思路是把本不具备各向异性的材料图形化为具备各向异性，比如近日发表的基于图案化钙钛矿单晶薄膜的偏振敏感光电探测器[11]。

基于片上化偏振选择探测器的另一个思路是通过人工结构的引入，使得原本不具有偏振选择的光响应具有偏振选择型，常见的人工结构是表面等离激元等。值得一提的是，借助材料自身的各向异性往往难以实现手型的选择，只能探测线偏振特性，难以探测光的圆偏振特性，因此，难以获得光的全斯托克斯参数，而基于人工结构的设计，容易同时实现圆偏振和线偏振分量的选择，从而直接实现全斯托克斯参量的提取。

如图为近年的一些利用人工结构实现光的全斯托克斯参数提取的工作，值得一提的是，这里展示的基于介质超构材料的全斯托克斯偏振探测器大多基于光学衍射分光的设计思路，类似分焦平面，其本质是基于偏振集成元件；而基于金属plasmonic结构则是直接使得像素光响应本身偏振敏感，其本质是基于光电响应过程偏振调控。

需要说明的是虽然看着很类似，但是基于偏振集成元件和基于光电响应过程的偏振探测的原理是不同的，前者是光学系统的简化以及射线光学系统（基于透镜）向波动光学系统（基于衍射元件）逼近的过程，或者说是基于分焦平面原理的拓展，对于detector而言光电响应过程原理没有变；而后者是光电响应过程的偏振选择特性,即通过材料、器件设计使得光电探测器的响应度具有偏振探测特性（这主要通过前文提到的各向异性材料或者人工结构实现）。

两种偏振探测器的原理区分

其中通过材料、器件设计使得光电探测器件本身响应度具有偏振特性这一原理是从器件底层出发进行创新，而不是单纯的光学系统的简化和集成化过程。从实现原理上说，除了上面提到的借助各向异性材料、引入人工结构外，研究人员还在不断探索新的实现光电转换过程偏振选择的探测机理，比如基于CPGE实现偏振响应。CPGE最早来自于weyl半金属等拓扑材料，拓扑材料因其独特的电子能带结构而表现出新颖的光电现象。拓扑材料在线偏振光和圆偏振光下产生显著的光电流。这些现象分别被称LPGE和CPGE。

偏振探测的器件化除了在sensor上下功夫，实现偏振功能的sensor外，还可以在光路上下功夫，将光学系统搬到片上，实现器件化光学系统，这也是目前硅光电路的主要思想。如下图所示，通过微纳加工，可以实现不同的片上光学元件，从而实现光的散射、衍生、干涉、吸收增强等等功能。这一部分本质上说是从微纳光学角度去设计集成化偏振探测系统，这里暂不展开讨论。

总的来说，实现集成化偏振探测器设计目前主要有两个思路，一是在光学元件和光学系统上进行设计，实现片上集成的偏振元件或者光学系统，这一思路下光电探测器件本身只需进行兼容设计，使得其与集成化光学元件工艺兼容，整体性能得以保证，包括光的收集效率，像素串扰等问题；二是在器件上下功夫，实现光响应偏振选择的光电过程，这就需要借助材料、器件的设计。从目前产品上说，大部分产品还是采用的第一种方法，因为其实现上相对简单，主要解决光学元件等无源器件的设计和优化，以及组装集成问题即可；二后者需要进行像素级别的底层创新，涉及到半导体工艺改动、材料兼容等问题，目前主要还是学术界在推动相关研究。

/03 明场成像（序）/

（说明：这部分没写完，行文相当粗糙，后面再展开写，可以先跳过不看）

从成像系统中光源、物体、sensor三者的相对位置关系上分，光学系统可以分反射式和透射式，之前介绍到的明场、暗场、偏振、光谱、相位成像系统都可以设计为反射式和透射式只不过由于其成像原理的不同，有的成像系统基于其中一种设计更为简单和适用（比如相位成像对应的干涉成像系统以透射式居多），这个就要基于具体场景分析。

明场和暗场成像对应的光的振幅信息，对应光的吸收，反射、透射等过程。这也是大部分明场、暗场成像系统基于的基本原理。明场成像可以说是比较简单的成像系统了，由于主要探测光的强度信息，整个系统设计比较直接，原理相对简单。下图给出了一些常见的明场成像系统。

不过值得一提的是，虽然简单，但是其应用是最为广泛的，无论是目前我们用的大部分摄像机、相机，还是实验室里的金相显微镜等都主要基于明场的强度成像原理。在半导体检测中，基于明场的半导体缺陷检测设备BFI也一直是卡脖子技术。

/04 成像技术对新型sensor的需求/

sensor和光学系统密不可分，如果说计算成像是从算法端去分担硬件端的压力，那么新型sensor则是从器件层面去分担系统层面的压力。有了更适配的sensor，可以简化系统，实现轻量化模组，极简化光路。

然而新型sensor的研究不能脱离整个系统和应用场景的实际需求，

要从成像需求的角度出发去进行光电探测器的研发，不是说让器件具备越多功能就一定越好，也不是所有设计目标都是“既要又要”。从产品角度而言，即使实现all-in-one的sensor，也不一定能覆盖所有应用场景，更不一定有性能成本优势。

比如对于明场成像和暗场成像而言，从成像角度儿而言，主要是对sensor的响应度、量子效率有需求，而对其功能化没有别的需求，而对于偏振成像而言需要其具备偏振自由度的检测能力，对于无透镜成像场景则对性能没有强需求，但是要求更小的像素尺寸，而红外探测等场景尺寸过小反而影响器件性....。相关成像技术及其对探测器的主要需求归纳如下图，下次有机会再对该图进行补充和展开。

参考资料:

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 偏振成像技术的发展现状与展望（特邀）,罗海波 张俊超 盖兴琴 刘燕

5 低维半导体偏振光探测器研究进展，魏钟鸣 夏建白

6 ACS Nano 2020, 14, 12, 16634–16642

7 周建，周易，倪歆玥，等. 偏振集成红外光电探测器研究进展与应用[J]. 光电工程，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. 短波红外偏振成像技术的研究进展，李子园 金伟其

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.偏振成像探测技术发展现状及关键技术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. 圆偏振光伏效应，苏欣

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

（说明1：由于涉及的参考文献和图片比较多，如有遗漏还请谅解）