红外光电探测器的前沿热点与变革趋势
红外光电探测技术通常工作在无源被动的传感模式，具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、全天时工作等优点，在航天遥感、军事装备、天文探测等方面都有广泛应用。至今，二代、三代红外光电探测器已大规模进入装备，高端三代也在逐步推进实用化。
人工微结构、人工智能和神经形态计算等技术研究逐渐兴起，推进了红外辐射光学调控、片上智能化与传统红外光电探测器的芯片级集成发展。许多极具前沿前瞻性的新概念、新技术、新器件，如雨后春笋般地应运而生。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室叶振华研究员课题组在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“红外光电探测器的前沿热点与变革趋势”为主题的综述文章。叶振华研究员主要从制冷型红外光电探测器研究工作。
红外光电探测器的发展历程与未来趋势
这项研究聚焦国内外的红外技术研究现状，重点介绍红外光电探测器当前的研究热点与未来的发展趋势。首先，介绍针对战术泛在化、战略高性能的SWaP3概念。其次，综述以超高空间分辨率、超高能量分辨率、超高时间分辨率、超高光谱分辨率为特征的高端三代红外光电探测器，分析挑战光强探测能力极限的红外探测器的技术特征与实现方法。然后，论述基于人工微结构的四代红外光电探测器，重点介绍偏振、光谱、相位等多维信息融合的实现途径与技术挑战。最后，从片上数字化升级为片上智能化的角度，探讨未来极具变革性趋势的红外探测器。
叠层双色红外光电探测器的应用优势
世界军用电子元器件领域正朝着高效能、高集成、高速度、智能化、小型化等方向发展。技术需求主要包括更强的信息获取能力、更快的处理速度、更高的集成度、更小的体积、更好的可靠性和环境及抗辐射适应性。光电器件领域选择方向的重要标准是如何高效率、高可靠、高集成、低功耗地进行红外辐射信息的探测、识别、处理以及传输。在SWaP3概念的发展引领下，红外探测器的发展主要集中在大规格、小型化、双色/多色化、智能化和高温工作等前沿领域方面。在战略应用方面，红外光电探测器的高性能是核心，更关注“四高”，重点是提高光谱、空间、时间的分辨率和辐射探测器的灵敏度。而在战术应用时，则涉及SWaP3概念的各个方面，需要权衡尺寸、重量、功耗、价格，特别注重的因素是应用的泛在化。
核心参数“四高”性能的相互关联性与制约性
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当前，红外/光电探测主要利用红外辐射的强度特性实现灰度、伪彩色的成像，也有利用红外辐射的频率特性实现多光谱、高光谱及超光谱成像。近年来，超高分辨率、超高灵敏度、超快响应等为新技术特征的高端第三代红外/光电探测器件在国内外获得了重大的技术突破。红外探测的空间特性、能量特性、时间特性、光谱特性的分辨能力不断提升，逐渐逼近其分辨率的理论极限。上图是红外系统在实现高的空间、能量、时间、光谱分辨率存在的相互关联性与制约性。单个的红外光电探测器不可能同时满足红外系统超高的空间、能量、时间、光谱分辨率要求。通过特殊的设计、定制，来实现红外系统几个核心参数相互间的合理平衡。
新概念红外光电探测器的核心架构与技术内涵
当前红外光电探测器件以探测目标辐射强度为主要技术手段，以提高空间分辨率、视场范围、温度灵敏度等性能为主要目标，实现对目标的感知。未来光探测感知系统迫切需要实现光场信息特征和目标距离特征等信息的多维度获取，采用一定算法将各影像数据中所含的信息优势互补性有机结合起来，融合成新的更高维度的影像数据，以此增强目标图像的对比度，提升探测系统的识别和抗干扰能力，提高光电探测系统对动目标、弱目标和小型伪装目标的侦察感知能力，增强对复杂战场和气象环境的适应性。为满足多维信息融合与平台灵巧化的应用需求，不同维度探测功能的物理实现应尽可能达到小型化、集成化的目标。随着超表面等人工微结构学科的兴起，新一代红外光电探测器发展芯片级光场调控集成技术，实现光强、光谱、偏振、相位等多维信息融合。这颠覆了传统光学系统与红外光电探测器的分立模式限制。目前，国际上普遍认为集成了偏振、光谱、相位等光场调控人工微结构的红外焦平面探测器，是未来的四代红外光电探测器。
随着信息化社会人工智能物联网（Artificial In?telligence of Things，AIoT）趋势在各领域的快速普及，红外信息的复合探测和智能处理是红外探测技术向更多领域普及发展的必由之路，红外探测器正在由单一的传感器向多维信息融合成像、片上智能化的红外光电探测器发展。在片上集成光场调控人工微结构的四代红外光电探测器基础上，通过3D堆叠发展片上红外信息获取、信号处理、智能决策的变革性红外光电探测器。基于片上集成与智能化处理技术，新型智能化信息处理光电探测器具有片上像元计算、并行输出、基于事件驱动的低功耗特征，可大幅提升特征提取等光电探测系统并行、分步计算、智能化水平。
红外/光电探测器已经完成了第一代、第二代的研究与实用化。三代红外光电探测器主要针对战术泛在化、战略高性能的应用特点，重点发展SWaP3概念的红外光电探测器，目前技术基本突破、部分开始进入装备。高端三代红外光电探测器则趋于挑战超高分辨率、超高能量分辨率、超高时间分辨率和超高光谱分辨率等光强探测的极限性能。同时，正在发展人工微结构和红外光电探测器的片上集成技术，实现强度、相位、偏振、光谱等多维光学信息融合的四代红外光电探测器。结合四代红外光电探测器的发展，突破红外光电探测器读出电路3D堆叠技术，实现红外辐射信息获取、信号处理、智能决策的片上感存算一体化，进而推动红外光电探测器的跨越与革新。可以预期，红外光电探测器正朝着“挑战光强探测极限→全光信息融合集成→片上智能化/类神经视觉红外探测器”的技术趋势持续蓬勃发展、方兴未艾。
该项目获得中国科学院战略高技术创新基金项目（CXJJ-19-A04）的支持。
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
