長波紅外（LWIR）成像憑借物體熱輻射探測能力，在熱成像、環境監測、生物診斷及工業應用等領域價值顯著；而偏振敏感成像系統因在目標識別、偽裝檢測、面部識別等復雜場景的獨特優勢，同樣獲廣泛關注。當前探測入射長波紅外光偏振態的方法主要分為自由空間法和片上法兩類。直接在紅外探測器上方集成金屬納米線微偏振器，可縮小紅外偏振系統的尺寸，但其平坦的光譜響應無法實現像素級波長與偏振的同時分辨，這些問題阻礙了像素級光譜偏振分辨長波紅外成像的發展。而將超構材料偏振組件集成到CMOS兼容的微測輻射熱計的研究較少，卻可同時實現高消光比和降低系統復雜性。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學和南京理工大學的研究團隊提出了一種基于CMOS技術的長波紅外偏振成像芯片新架構，通過將四方向等離子體超構材料偏振器與微測輻射熱計單片集成，解決傳統系統復雜度高和對準精度難的問題。研究團隊設計了獨特的鋁/二氧化硅/鋁（Al/SiO?/Al）光柵結構作為核心偏振元件，利用其激發的等離子體效應，在7–11 μm的長波紅外波段實現了高保真度的偏振探測；具體實現路徑是采用標準的CMOS工藝將這種微納偏振結構直接制作在微測輻射熱計焦平面之上，從而在芯片層面完成了四個偏振方向的集成。最終制備的器件在9.5 μm處獲得了高達22.7的偏振消光比和5.12×10? cm·√Hz·W?1的探測率，并成功通過成像實驗驗證了其在復雜熱環境下對低可觀測目標顯著的增強顯現能力。這項研究為工業級長波紅外偏振成像提供了高精度、可大規模制造的解決方案，在遙感、環境監測、智能監控等領域頗具應用潛力。這項研究以“Monolithic Integration of Plasmonic Polarizers with CMOS Microbolometers for Long-Wave Infrared Polarization Imaging”為題發表在ACS Photonics期刊上。
用于長波紅外偏振成像的四方向（0°、45°、90°和135°）超像素由四個光柵方向相互正交的子像素組成，子像素包含兩個核心組件——CMOS硅化物多晶硅微測輻射熱計和金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構超構材料偏振器。圖1展示了長波紅外偏振成像設計理念及子像素截面圖。
圖1 長波紅外偏振成像設計理念及子像素截面圖
圖2 超構材料偏振器結構及吸收光譜
隨后，研究人員測試了超構材料偏振器在峰值吸收波長為9.5 μm時的偏振角相關吸收（如圖3a）。為了進一步闡明偏振選擇性吸收行為背后的物理機制，研究人員分析了超構材料結構內的電磁場分布（如圖3b和圖3d）。另外，入射角（AOI）容差在不可避免的非正常照明的實際成像系統中起著至關重要的作用，因此研究人員進一步表征了超構材料偏振器在-30°至+30°范圍內的AOI性能（如圖3d）。
圖3 超構材料偏振器的光電性能
圖4展示了微測輻射熱計子像素的制造工藝以及后道CMOS工藝的關鍵步驟。圖5展示了四方向超像素的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像以及移除傳感器后子像素內熱隔離腔的三維重建。
圖4 微測輻射熱計制造工藝
圖5 微測輻射熱計的表征
在實際的長波紅外探測場景中，低可觀測目標往往隱藏在復雜和高強度的背景中，使得傳統基于強度的成像難以區分目標特征。偏振成像通過利用目標與其周圍環境之間的偏振特性差異提供了有效的解決方案。因此研究人員在可見光和長波紅外波長下，評估了該四方向超像素的偏振成像性能，相關實驗設置及偏振成像結果如圖6所示。
綜上所述，這項研究實現了基于CMOS微測輻射熱計和自適應超構材料偏振器的長波紅外偏振成像系統。該器件采用混合工藝制造，將0.18 μm標準CMOS技術與后道CMOS工藝相結合，從而產生懸浮和熱隔離的像素結構。超像素架構包含四個具有正交光柵方向的子像素，無需機械調制即可實現全線性偏振探測和低可觀測目標偏振成像。研究成果為片上室溫偏振傳感提供了緊湊、低功耗和可擴展的方案，在遙感、環境監測和智能監控等領域有應用潛力。
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c01939
