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　　紅外光電探測器的發(fā)展歷程與未來趨勢
 

　　這項研究聚焦國內(nèi)外的紅外技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點介紹紅外光電探測器當(dāng)前的研究熱點與未來的發(fā)展趨勢。首先，介紹針對戰(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(zhàn)光強探測能力極限的紅外探測器的技術(shù)特征與實現(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器，重點介紹偏振、光譜、相位等多維信息融合的實現(xiàn)途徑與技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，從片上數(shù)字化升級為片上智能化的角度，探討未來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(yīng)用優(yōu)勢
 

　　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、識別、處理以及傳輸。在SWaP3概念的發(fā)展引領(lǐng)下，紅外探測器的發(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，紅外光電探測器的高性能是核心，更關(guān)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(zhàn)術(shù)應(yīng)用時，則涉及SWaP3概念的各個方面，需要權(quán)衡尺寸、重量、功耗、價格，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/光電探測主要利用紅外輻射的強度特性實現(xiàn)灰度、偽彩色的成像，也有利用紅外輻射的頻率特性實現(xiàn)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(yīng)等為新技術(shù)特征的高端第三代紅外/光電探測器件在國內(nèi)外獲得了重大的技術(shù)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(tǒng)在實現(xiàn)高的空間、能量、時間、光譜分辨率存在的相互關(guān)聯(lián)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(tǒng)超高的空間、能量、時間、光譜分辨率要求。通過特殊的設(shè)計、定制，來實現(xiàn)紅外系統(tǒng)幾個核心參數(shù)相互間的合理平衡。
 

　　新概念紅外光電探測器的核心架構(gòu)與技術(shù)內(nèi)涵
 

　　當(dāng)前紅外光電探測器件以探測目標(biāo)輻射強度為主要技術(shù)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(biāo)，實現(xiàn)對目標(biāo)的感知。未來光探測感知系統(tǒng)迫切需要實現(xiàn)光場信息特征和目標(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)勢互補性有機結(jié)合起來，融合成新的更高維度的影像數(shù)據(jù)，以此增強目標(biāo)圖像的對比度，提升探測系統(tǒng)的識別和抗干擾能力，提高光電探測系統(tǒng)對動目標(biāo)、弱目標(biāo)和小型偽裝目標(biāo)的偵察感知能力，增強對復(fù)雜戰(zhàn)場和氣象環(huán)境的適應(yīng)性。為滿足多維信息融合與平臺靈巧化的應(yīng)用需求，不同維度探測功能的物理實現(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器發(fā)展芯片級光場調(diào)控集成技術(shù)，實現(xiàn)光強、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)與紅外光電探測器的分立模式限制。目前，國際上普遍認(rèn)為集成了偏振、光譜、相位等光場調(diào)控人工微結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)(Artificial In?telligence of Things，AIoT)趨勢在各領(lǐng)域的快速普及，紅外信息的復(fù)合探測和智能處理是紅外探測技術(shù)向更多領(lǐng)域普及發(fā)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(fā)展。在片上集成光場調(diào)控人工微結(jié)構(gòu)的四代紅外光電探測器基礎(chǔ)上，通過3D堆疊發(fā)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(shù)，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(qū)動的低功耗特征，可大幅提升特征提取等光電探測系統(tǒng)并行、分步計算、智能化水平。
 

　　紅外/光電探測器已經(jīng)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(zhàn)術(shù)泛在化、戰(zhàn)略高性能的應(yīng)用特點，重點發(fā)展SWaP3概念的紅外光電探測器，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器則趨于挑戰(zhàn)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(fā)展人工微結(jié)構(gòu)和紅外光電探測器的片上集成技術(shù)，實現(xiàn)強度、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器。結(jié)合四代紅外光電探測器的發(fā)展，突破紅外光電探測器讀出電路3D堆疊技術(shù)，實現(xiàn)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(jìn)而推動紅外光電探測器的跨越與革新?？梢灶A(yù)期，紅外光電探測器正朝著“挑戰(zhàn)光強探測極限→全光信息融合集成→片上智能化/類神經(jīng)視覺紅外探測器”的技術(shù)趨勢持續(xù)蓬勃發(fā)展、方興未艾。
 

　　該項目獲得中國科學(xué)院戰(zhàn)略高技術(shù)創(chuàng)新基金項目(CXJJ-19-A04)的支持。