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/00 前言/
前面的淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器系列介紹了按波長(zhǎng)分類的紫外、可見、紅外探測(cè)器。系列（五）的X射線探測(cè)器部分以及高能粒子探測(cè)器部分內(nèi)容比較多，原理也比紫外可見復(fù)雜，下次再接著寫。
上次從底層材料、器件結(jié)構(gòu)、探測(cè)原理角度去分別介紹了一下不同的光電探測(cè)器和新型光電探測(cè)器件，可以說上篇文章主要是從一個(gè)bottom up的角度從底層分析器件本身。這篇文章?lián)Q個(gè)角度，以top down的視角去看系統(tǒng)和場(chǎng)景對(duì)光電探測(cè)器和圖像傳感器的需求。這篇文章首先從系統(tǒng)出發(fā)，去分析不同的成像技術(shù)，然后總結(jié)配合不同成像技術(shù)和成像場(chǎng)景下的對(duì)應(yīng)的新型光電探測(cè)器件的研究。
/01 多信息維度成像和新型成像器件/
光學(xué)成像系統(tǒng)可以按照不同的方式進(jìn)行分類，比如，按照探測(cè)的光信號(hào)類型可以分為明場(chǎng)成像，暗場(chǎng)成像，偏振成像，光譜成像，相位成像等。這是因?yàn)楣馐且环N具有多個(gè)維度信息的電磁波，通過對(duì)光不同維度信息的利用，可以獲得不同的信息。
從物理上說，光經(jīng)過不同的觀測(cè)對(duì)象與作用時(shí)，其對(duì)光進(jìn)行了直接調(diào)制,乃至發(fā)生相互作用。而光是一種振蕩電磁波，具有強(qiáng)度、頻率、偏振、傳輸相位等自由度。明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像對(duì)應(yīng)的光的振幅信息，偏振成像對(duì)應(yīng)光的幾何相位調(diào)制，光譜成像對(duì)應(yīng)光的頻率/波長(zhǎng)，相位成像對(duì)應(yīng)光的傳輸相位信息。
由于傳統(tǒng)的探測(cè)和成像器件只能獲得光的強(qiáng)度信息，因此光的其他維度信息的獲取（比如偏振、光譜、相位）等主要借助光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。
光譜成像系統(tǒng)通常通過分光思路，將不同波長(zhǎng)的光在空間上區(qū)分，使其進(jìn)入不同的探測(cè)器或者同一探測(cè)陣列的不同區(qū)域進(jìn)行讀出。
偏振成像也是類似思路，通過偏振原件的引入使得不同偏振成分的光在空間上分開，或者選擇特定偏振態(tài)進(jìn)行通過。當(dāng)然，光譜和偏振信息也可以在時(shí)間上區(qū)分，類似時(shí)分復(fù)用。
相位成像則主要需要引入光的干涉過程，將相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息，而這一過程通過光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然目前也有一些非干涉式的相位成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，比如基于光強(qiáng)傳輸方程（TIE）。
在這些傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)中，功能的實(shí)現(xiàn)主要通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，而sensor主要就負(fù)責(zé)接收最終的光強(qiáng)信息。基于光的多自由度的新型sensor的設(shè)計(jì)思路是：將功能實(shí)現(xiàn)的壓力挪到sensor器件側(cè)，在器件層面實(shí)現(xiàn)功能化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的小型化、架構(gòu)層面的極簡(jiǎn)化。這一思路也很簡(jiǎn)單，如果sensor能夠直接獲得光的偏振、光譜信息，那一方面成像系統(tǒng)將會(huì)大大簡(jiǎn)化、直接帶來成本收益；另一方面，系統(tǒng)簡(jiǎn)化帶來架構(gòu)變更，直接帶來應(yīng)用場(chǎng)景的拓展。
從對(duì)應(yīng)偏振成像、光譜成像、相位成像出發(fā)可以設(shè)計(jì)不同的sensor使其能夠在獲得強(qiáng)度信息的同時(shí)獲得其他信息，對(duì)應(yīng)的新型sensor分別是：偏振探測(cè)器，片上光譜儀，波前探測(cè)器。人們還在嘗試更加激進(jìn)的設(shè)計(jì)，比如光的多參數(shù)探測(cè)器，乃至全參數(shù)探測(cè)器，通過特殊設(shè)計(jì)，使得器件在實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)定的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)定，從而實(shí)現(xiàn)光的功率、波長(zhǎng)、偏振的多自由度信息測(cè)定的光譜偏振測(cè)定儀（Spectropolarimeter）。
值得一提的是，光的多參量探測(cè)在很早就有人討論了，不過之前多是從光學(xué)系統(tǒng)出發(fā)考慮的，很少考慮器件側(cè)需要做些什么。從場(chǎng)景上說，如果真的獲取了光的各個(gè)自由度信息，那理論上可以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)信息的全記錄。這里對(duì)應(yīng)plenoptic camera和plenoptic imaging的概念，全光成像（plenoptic imaging）技術(shù)的基本原理是記錄光場(chǎng)信息，包括光線的位置、方向、強(qiáng)度和偏振狀態(tài)等。傳統(tǒng)成像技術(shù)只能記錄光線在圖像傳感器上的強(qiáng)度信息，而全光成像技術(shù)可以記錄光場(chǎng)的全部信息，這樣可以實(shí)現(xiàn)更多的功能、應(yīng)用場(chǎng)景。這一部分涉及計(jì)算成像、光場(chǎng)成像等問題，后面有機(jī)會(huì)單獨(dú)總結(jié)一下。
接下來將分別介紹一下偏振成像、光譜成像、相位成像等成像技術(shù)，以及其對(duì)sensor的需求，由于這幾部分內(nèi)容比較多，該文主要介紹偏振成像部分。
/02 偏振成像/
偏振成像是一種利用光線的偏振特性進(jìn)行成像的技術(shù)，它可以提供比傳統(tǒng)成像技術(shù)更豐富的信息。傳統(tǒng)成像技術(shù)只能記錄光線的強(qiáng)度信息，而偏振成像技術(shù)可以記錄光線的偏振狀態(tài)信息，從而獲得更高維度的圖像信息。polarization對(duì)應(yīng)電磁波的幾何相位特性，涉及到波動(dòng)光學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，而當(dāng)我們說強(qiáng)度成像時(shí)，在不考慮高分辨成像時(shí)，多以射線光學(xué)或幾何光學(xué)為主。光的偏振特性需要通過波動(dòng)方程進(jìn)行解算，斯托克斯通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，用stokes向量來描述光的偏振狀態(tài)，可以通過S0，S1，S2，S3來確定光的偏振態(tài)，龐加萊提出可以用對(duì)應(yīng)的龐加萊球表征光的偏振態(tài)。
偏振在醫(yī)療，遙感、生物、顯示，成像等領(lǐng)域都有諸多應(yīng)用。比如顯示領(lǐng)域LCD的的亮度調(diào)節(jié)就是通過TFT陣列驅(qū)動(dòng)液晶取向?qū)崿F(xiàn)的；成像領(lǐng)域經(jīng)常利用偏振實(shí)現(xiàn)去霧、去偽、去反光等圖像信息增強(qiáng)，目前還有研究借助偏振信息實(shí)現(xiàn)三維成像等功能。
偏振成像的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)通常比較龐大，這是因?yàn)槠浠诠鈱W(xué)透鏡、偏振元件搭建的，本質(zhì)上是射線光學(xué)原理，需要用到很多光學(xué)元件和機(jī)械部件。從光學(xué)系統(tǒng)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)的主要思路包括分時(shí)成像、分振幅成像、分孔徑成像。
可以看到，從原理上說，傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)都難以實(shí)現(xiàn)小型化，這是由于其需要用到多個(gè)偏振元件和透鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光路搭建，還需要不同探測(cè)器實(shí)現(xiàn)不同偏振信號(hào)的采集。
要實(shí)現(xiàn)小型化的光學(xué)系統(tǒng)，一個(gè)思路是實(shí)現(xiàn)小型化的光學(xué)模組設(shè)計(jì)，類似相機(jī)攝像頭，將多個(gè)透鏡和元件進(jìn)行集成化和小型化，同時(shí)簡(jiǎn)化光路。這一思路主要是將光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)化或者提高集成度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化。另一個(gè)思路就是實(shí)現(xiàn)偏振集成探測(cè)器件。
基于偏振集成探測(cè)器又有兩個(gè)思路，第一個(gè)思路是基于集成化光學(xué)元件，即在成像焦平面的探測(cè)器陣列頂部集成線柵微偏振器，類似濾光片的思路，這就實(shí)現(xiàn)了分焦平面的偏振探測(cè)。
分焦平面偏振探測(cè)器能夠同時(shí)測(cè)量光線強(qiáng)度和偏振狀態(tài)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。2018 年，Sony 推出了一款 IMX250 MZR偏振傳感器，每個(gè)微偏振片被置于微透鏡和感光二極管之間，F(xiàn)LIR 和Lucid Vision Labs 等將該偏振傳感器集成到相機(jī)中，研發(fā)出了相應(yīng)的黑白和彩色分焦平面偏振相機(jī)。分焦平面偏振探測(cè)器從原理上細(xì)分可以分為：
- 基于微偏振陣列的探測(cè)器件（選擇透過）：這種探測(cè)器件在焦平面上排列了微偏振陣列，每個(gè)微偏振元件都具有特定的偏振特性。，可選擇透過特定偏振分量的光。
- 基于超構(gòu)表面或衍射元件的探測(cè)器件（衍射分光）：這種探測(cè)器件利用超構(gòu)表面對(duì)入射光進(jìn)行選擇通過或者分光。
集成化偏振探測(cè)器的另一個(gè)思路則是直接將偏振響應(yīng)過程前移至光電探測(cè)過程，讓光生載流子的產(chǎn)生過程就和偏振相關(guān)?；谶@一思路一個(gè)直接的想法就是尋找具備偏振響應(yīng)特性的材料，這樣的材料一般是基于低對(duì)稱性的各向異性光電材料，比如黑磷等。還有一個(gè)思路是把本不具備各向異性的材料圖形化為具備各向異性，比如近日發(fā)表的基于圖案化鈣鈦礦單晶薄膜的偏振敏感光電探測(cè)器[11]。
基于片上化偏振選擇探測(cè)器的另一個(gè)思路是通過人工結(jié)構(gòu)的引入，使得原本不具有偏振選擇的光響應(yīng)具有偏振選擇型，常見的人工結(jié)構(gòu)是表面等離激元等。值得一提的是，借助材料自身的各向異性往往難以實(shí)現(xiàn)手型的選擇，只能探測(cè)線偏振特性，難以探測(cè)光的圓偏振特性，因此，難以獲得光的全斯托克斯參數(shù)，而基于人工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，容易同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓偏振和線偏振分量的選擇，從而直接實(shí)現(xiàn)全斯托克斯參量的提取。
如圖為近年的一些利用人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光的全斯托克斯參數(shù)提取的工作，值得一提的是，這里展示的基于介質(zhì)超構(gòu)材料的全斯托克斯偏振探測(cè)器大多基于光學(xué)衍射分光的設(shè)計(jì)思路，類似分焦平面，其本質(zhì)是基于偏振集成元件；而基于金屬plasmonic結(jié)構(gòu)則是直接使得像素光響應(yīng)本身偏振敏感，其本質(zhì)是基于光電響應(yīng)過程偏振調(diào)控。
需要說明的是雖然看著很類似，但是基于偏振集成元件和基于光電響應(yīng)過程的偏振探測(cè)的原理是不同的，前者是光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化以及射線光學(xué)系統(tǒng)（基于透鏡）向波動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)（基于衍射元件）逼近的過程，或者說是基于分焦平面原理的拓展，對(duì)于detector而言光電響應(yīng)過程原理沒有變；而后者是光電響應(yīng)過程的偏振選擇特性,即通過材料、器件設(shè)計(jì)使得光電探測(cè)器的響應(yīng)度具有偏振探測(cè)特性（這主要通過前文提到的各向異性材料或者人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)）。
兩種偏振探測(cè)器的原理區(qū)分
其中通過材料、器件設(shè)計(jì)使得光電探測(cè)器件本身響應(yīng)度具有偏振特性這一原理是從器件底層出發(fā)進(jìn)行創(chuàng)新，而不是單純的光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和集成化過程。從實(shí)現(xiàn)原理上說，除了上面提到的借助各向異性材料、引入人工結(jié)構(gòu)外，研究人員還在不斷探索新的實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換過程偏振選擇的探測(cè)機(jī)理，比如基于CPGE實(shí)現(xiàn)偏振響應(yīng)。CPGE最早來自于weyl半金屬等拓?fù)洳牧?，拓?fù)洳牧弦蚱洫?dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出新穎的光電現(xiàn)象。拓?fù)洳牧显诰€偏振光和圓偏振光下產(chǎn)生顯著的光電流。這些現(xiàn)象分別被稱LPGE和CPGE。
偏振探測(cè)的器件化除了在sensor上下功夫，實(shí)現(xiàn)偏振功能的sensor外，還可以在光路上下功夫，將光學(xué)系統(tǒng)搬到片上，實(shí)現(xiàn)器件化光學(xué)系統(tǒng)，這也是目前硅光電路的主要思想。如下圖所示，通過微納加工，可以實(shí)現(xiàn)不同的片上光學(xué)元件，從而實(shí)現(xiàn)光的散射、衍生、干涉、吸收增強(qiáng)等等功能。這一部分本質(zhì)上說是從微納光學(xué)角度去設(shè)計(jì)集成化偏振探測(cè)系統(tǒng)，這里暫不展開討論。
總的來說，實(shí)現(xiàn)集成化偏振探測(cè)器設(shè)計(jì)目前主要有兩個(gè)思路，一是在光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)片上集成的偏振元件或者光學(xué)系統(tǒng)，這一思路下光電探測(cè)器件本身只需進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)，使得其與集成化光學(xué)元件工藝兼容，整體性能得以保證，包括光的收集效率，像素串?dāng)_等問題；二是在器件上下功夫，實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)偏振選擇的光電過程，這就需要借助材料、器件的設(shè)計(jì)。從目前產(chǎn)品上說，大部分產(chǎn)品還是采用的第一種方法，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)上相對(duì)簡(jiǎn)單，主要解決光學(xué)元件等無源器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及組裝集成問題即可；二后者需要進(jìn)行像素級(jí)別的底層創(chuàng)新，涉及到半導(dǎo)體工藝改動(dòng)、材料兼容等問題，目前主要還是學(xué)術(shù)界在推動(dòng)相關(guān)研究。
/03 明場(chǎng)成像（序）/
（說明：這部分沒寫完，行文相當(dāng)粗糙，后面再展開寫，可以先跳過不看）
從成像系統(tǒng)中光源、物體、sensor三者的相對(duì)位置關(guān)系上分，光學(xué)系統(tǒng)可以分反射式和透射式，之前介紹到的明場(chǎng)、暗場(chǎng)、偏振、光譜、相位成像系統(tǒng)都可以設(shè)計(jì)為反射式和透射式只不過由于其成像原理的不同，有的成像系統(tǒng)基于其中一種設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單和適用（比如相位成像對(duì)應(yīng)的干涉成像系統(tǒng)以透射式居多），這個(gè)就要基于具體場(chǎng)景分析。
明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像對(duì)應(yīng)的光的振幅信息，對(duì)應(yīng)光的吸收，反射、透射等過程。這也是大部分明場(chǎng)、暗場(chǎng)成像系統(tǒng)基于的基本原理。明場(chǎng)成像可以說是比較簡(jiǎn)單的成像系統(tǒng)了，由于主要探測(cè)光的強(qiáng)度信息，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較直接，原理相對(duì)簡(jiǎn)單。下圖給出了一些常見的明場(chǎng)成像系統(tǒng)。
不過值得一提的是，雖然簡(jiǎn)單，但是其應(yīng)用是最為廣泛的，無論是目前我們用的大部分?jǐn)z像機(jī)、相機(jī)，還是實(shí)驗(yàn)室里的金相顯微鏡等都主要基于明場(chǎng)的強(qiáng)度成像原理。在半導(dǎo)體檢測(cè)中，基于明場(chǎng)的半導(dǎo)體缺陷檢測(cè)設(shè)備BFI也一直是卡脖子技術(shù)。
/04 成像技術(shù)對(duì)新型sensor的需求/
sensor和光學(xué)系統(tǒng)密不可分，如果說計(jì)算成像是從算法端去分擔(dān)硬件端的壓力，那么新型sensor則是從器件層面去分擔(dān)系統(tǒng)層面的壓力。有了更適配的sensor，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輕量化模組，極簡(jiǎn)化光路。
然而新型sensor的研究不能脫離整個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求，
要從成像需求的角度出發(fā)去進(jìn)行光電探測(cè)器的研發(fā)，不是說讓器件具備越多功能就一定越好，也不是所有設(shè)計(jì)目標(biāo)都是“既要又要”。從產(chǎn)品角度而言，即使實(shí)現(xiàn)all-in-one的sensor，也不一定能覆蓋所有應(yīng)用場(chǎng)景，更不一定有性能成本優(yōu)勢(shì)。
比如對(duì)于明場(chǎng)成像和暗場(chǎng)成像而言，從成像角度兒而言，主要是對(duì)sensor的響應(yīng)度、量子效率有需求，而對(duì)其功能化沒有別的需求，而對(duì)于偏振成像而言需要其具備偏振自由度的檢測(cè)能力，對(duì)于無透鏡成像場(chǎng)景則對(duì)性能沒有強(qiáng)需求，但是要求更小的像素尺寸，而紅外探測(cè)等場(chǎng)景尺寸過小反而影響器件性....。相關(guān)成像技術(shù)及其對(duì)探測(cè)器的主要需求歸納如下圖，下次有機(jī)會(huì)再對(duì)該圖進(jìn)行補(bǔ)充和展開。
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（說明1：由于涉及的參考文獻(xiàn)和圖片比較多，如有遺漏還請(qǐng)諒解）
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