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多通道红外成像及其挑战
红外成像系统可将肉眼不可见的红外辐射信号转换为人眼可识别的伪视图，广泛应用于安防、环境监测、工业检测以及医疗健康等诸多领域。当前，先进的红外成像系统通常以焦平面阵列（Focal Plane Array,FPA）红外传感器为核心构件，并展示出了其在智能感知等方面的巨大潜力。然而，要实现突破物理光学衍射极限的超高分辨能力以及低功耗的需求，当前基于FPA的红外成像在硬件实现方面仍困难重重。
人类视觉系统能够通过输入光信号的并行处理快速准确识别颜色、深度和边缘等特征，受此启发，近期的一些代表性研究团队致力于在硬件层面实现多通道信息处理，如热辅助探测和测距（HADAR）以及元成像器件阵列集成等技术，以增强红外图像分辨能力。然而，分离式的光栅结构或多类型器件融合策略不可避免地增加了系统集成的难度，且需要复杂的电路设计。
多通道超分辨红外成像系统的设计
近日，国内多个研究团队（成都大学郭俊雄研究员团队、电子科技大学黄文副教授团队、南京邮电大学刘宇教授团队和北京师范大学张金星教授团队）联合报道了一种大面积“活字印刷”式的无源光电探测器阵列制造技术，可用于实现类似于人类视觉系统的多通道超分辨红外成像。
该光电探测器阵列由超结构人工铁电畴（周期交替向上和向下分布的铁电极化畴阵列）与单层连续石墨烯构成，可在零偏压下对中红外入射光的实现选择性响应。与当前多通道红外成像系统相比，所设计的基于“活字印刷”式光电探测器阵列的红外系统系统无需额外的分离式光栅或多类型传感器融合，只需简单重构超结构铁电畴阵列即可实现多通道红外成像。
论文标题页
人类视觉系统（上）与类人眼多通道超分辨红外成像系统（下）
“活字印刷”式无源红外光电探测器阵列
超结构铁电畴是一种人工构造的纳米级铁电畴阵列，具有交替向上/下极化的特征，可在纳米级分辨率下精准调控石墨烯载流子密度的空间分布，以构建非均一电导率阵列分布的连续石墨烯器件，从而将石墨烯等离激元高度限域在特定空间，以匹配自由空间的入射光波矢共振增强石墨烯与入射光的选择性增强作用，最终石墨烯可调谐光谱响应的增强红外探测。
在该工作中，作者以类似于“活字印刷术”的方式构筑百纳米级宽条纹的BiFeO3（BFO）超结构铁电畴，可以有效调制石墨烯载流子行为，利用不同铁电畴条带宽度实现多频率选择性光与光电响应。同时，由于非对称接触电极的设计，该两端器件阵列还可在零置片压下长时间工作，极大降低了器件工作的功耗，理论上可实现零输入功耗。
“活字印刷”式红外光电探测器件微纳加工流程及其结构
“活字印刷”式红外光电探测器件阵列及其选择性增强光响应
多通道红外成像及目标识别应用
研究人员还展示了“活字印刷”式光电探测器阵列在多通道红外成像应用中集成，与单通道阵列（SCA）探测器相比，其边缘检测能力更强，比如可清晰展示出手势中的隐藏手指等。此外，MCA还表现出对目标的整体形状和边缘检测的更高识别精度，更快的训练和识别速度。
在经过多张图像进行训练后，所设计的成像系统在手势识别和隐藏目标识别上分别实现了超过98.1%和98.2%的分类准确率。该成果为设计具有低功耗、大面阵和可扩展的先进红外成像提供了一种具有前景的方法。
不同手势的多通道红外成像及手势识别
研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
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