热成像探测器

近日，浙江焜腾红外技术股份有限公司（以下简称“焜腾红外”）通过持续的技术投入和研发试制，迎来了国产化替代的又一重要新成就：在二类超晶格（T2SL）材料技术优势基础上进一步深耕，往更长波方向迈进。该制冷型红外焦平面热成像探测器在覆盖普通长波的基础上，将波长延伸至11 μm-12 μm，正式推出器件覆盖10.3 μm-10.7μm波段，涵盖320 × 256和640 × 512二种面阵规格。该探测器可实时快速精准定位有害气体六氟化硫（SF6）的泄漏位置，并具有呈现高量子效率、高清晰度、高灵敏度、高精确度的气体泄漏热像视图的优势。二类超晶格六氟化硫（SF6）红外热成像探测器作为大气环保监测的一个有效手段，六氟化硫（SF6）气体红外热成像探测器可广泛应用于能源电力、环保监测、石油化工、船舶运输等领域，特别适用于电力行业中大型变电站的主变压器故障监测，变电站主变压器一旦出现故障，会泄漏六氟化硫（SF6）有害气体，如何通过远程非接触式的方式去判断SF6有害气体泄漏，一直以来都是行业难题。六氟化硫（SF6）气体红外探测器作为一种比较行之有效的监测手段，其核心探测器多年来一直靠进口国外厂家的产品来满足。之前国内生产的SF6热成像仪中使用的探测器一直是通过进口的量子阱（QWIP）探测器来实现。此次焜腾红外突破技术壁垒，利用其二类超晶格技术优势，攻克了这一技术难题，实现了核心材料和技术的全新国产化替代。同时，焜腾红外也是行业内全球第一家推出二类超晶格技术的六氟化硫（SF6）气体红外热成像探测器的企业，可谓国产化替代的又一里程碑！接下来，焜腾红外将持续提升产品技术优势，与行业内优秀的红外热成像整机厂商一起为电力设备故障监测及其他领域的有害气体监测提供有效的技术手段，用焜腾造中国“芯”武装这一领域的仪器与设备！关于焜腾红外焜腾红外成立于2017年9月，是国内仅有的几家集生产与研发制冷型红外探测器及激光芯片的国家高新技术企业，建有浙江省高新技术研发中心，2022年入选国家级第四批“专精特新小巨人企业”。多年来公司专注于红外探测芯片材料、器件、测试、封装等关键技术的研发，致力于Ⅱ类超晶格红外探测器的国产化研发生产与产业化应用，在大气环境监测、环保治霾等民用领域实现批量化应用，为实现碳达峰碳中和国家战略提供了有效的技术手段。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "X光透射成像/CT作为非侵入式的诊断方式，是目前医学领域最重要的临床检测手段。但由于电离效应X射线对于蛋白质、细胞等会造成相当程度的辐射损伤，每年X射线的医学诊断就会导致相当数量的癌症和白血病患者，因此如何降低诊断所需的剂量至关重要。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "而自1895年伦琴发现X射线以来，成像的方法并没有根本上的改变，都是采用直接投影到面探测器，通过累计带有物体信息的光子来展现出一定灰度分布的技术，因此这种方式的成像效率很低，不仅难以大幅度地降低成像所需剂量，而且分辨率受光源尺寸及探测设备分辨力的限制，成为制约传统成像方法的两大相互牵制的瓶颈问题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "针对辐射剂量的瓶颈问题，2018年中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员吴令安和陈黎明合作，首次利用随机调制光强度的简单方法实现了台面式X光“鬼”成像，这种间接的成像方式是基于光场的二阶关联，成像质量取决于探测信号的涨落而非强度的绝对值。span style="text-indent: 2em "以此为基础，团队完成了单光子量级的超低剂量成像，成果发表在Optica 以后受到了广泛关注，被Science 在深度栏目中报道。在Science的报道中，同领域的专家给予了高度评价：“如果应用于医学成像领域，这将是一项革命性的进步”，与此同时也对该工作提出希望：“提高成像的分辨率与质量，以适应医学成像的要求”。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "基于上述实际需求，物理所研究员吴令安与现上海交通大学教授陈黎明再次合作，开启了解决成像分辨率瓶颈问题的探索。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "近期研究团队中的博士生何雨航和张艾昕（共同一作），利用自主研制的Hadamard金掩模振幅调制板，首次实现了基于真正单像素探测器的非相干X光鬼成像。相比于随机调制的方案，该方法利用了Hadamard矩阵的正交完备特性，因此即使在稀疏采样下也能重构出较好的图像。在此基础上，通过引入压缩感知以及卷积神经网络对原有算法进行了升级，最终利用37 μm源尺寸的X光源，在仅18.75%的采样率下就得到了10μm分辨率的成像结果，实现了突破源尺寸限制的超分辨成像，足以对癌变组织进行直接判断，达到了临床医学精细成像的分辨率要求。在计算鬼成像的框架下，高性能的算法以及调制板的精细结构保证了超分辨下较好的图像质量，而更低的采样率意味着更短的曝光时间以及更低的剂量，因此有望利用该技术进一步降低剂量。整个实验布局简单，使用方便，单像素探测器的应用也可极大地降低成本。另一方面，应用该方法极大地降低了对放射源的空间相干性和强度的要求，可以大大推进X光鬼成像的实用化进程。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong文章链接：/strong/ppa href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5140322" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "High-resolution sub-sampling incoherent x-ray imaging with a single-pixel detector/span/a/ppa href="https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-4-374" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-low radiation/span/a/ppa href="https://science.sciencemag.org/content/359/6383/1452" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "X-ray ‘ghost images’ could cut radiation doses/span/a/ppimg src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/pic/d53291aa-a690-41f5-b8e9-7de2a156552e.jpg" style="text-align: center text-indent: 0em font-family: sans-serif font-size: 16px max-width: 100% max-height: 100% "/br//ppbr//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "(a) 物体的3D示意图；(b) 金掩模板扫描电镜图像；(c) 样品的X光透射成像图，曝光时间为5s；(d) 经过4096次曝光后利用TVAL3算法重构的图像，对比度/噪声比（CNR）为0.27；(e) 经过768次曝光后利用CH-MWCNN算法重构的图像，CNR为2.65。/ppbr//ppbr//p

受神经形态计算并行处理能力的启发，多通道超构成像（meta-imaging）在成像系统的分辨率增强和边缘识别方面取得了相当大的进步，甚至扩展到中远红外光谱。目前典型的多通道红外成像系统由分离的光栅或合并的多个相机构成，这需要复杂的电路设计和巨大的功耗，阻碍了先进的类人眼成像器的实现。近期，由成都大学郭俊雄特聘研究员、清华大学Yu Liu、电子科技大学黄文教授和北京师范大学张金星教授领导的科研团队开发了一种由铁电超畴（superdomain）驱动的可打印石墨烯等离子体光电探测器阵列，用于具有增强边缘识别能力的多通道超构红外成像。通过直接重新调整铁电超畴而不是重建分离光栅，所制造的光电探测器在零偏压下表现出多光谱响应。与单通道探测器相比，研究人员所开发的多通道红外成像技术表现出更强和更快的形状分类（98.1%）和边缘检测（98.2%）。研究人员开发的概念验证光电探测器阵列简化了多通道红外成像系统，并为人脑型机器视觉中的高效边缘检测提供了潜在的解决方案。相关研究成果以“Type-printable photodetector arrays for multichannel meta-infrared imaging”为题发表在Nature Communications期刊上。基于“活字印刷式”多通道光电探测器阵列的红外成像使用铁电超畴打印的光电探测器的多通道超构红外成像技术方案如上图所示。与多个相机的合并不同，所提出的超构成像的像素点被设计为使用通过“活字印刷式”探测器实施的单个孔径实现并行多通道。通过将单层石墨烯和具有纳米级宽度条纹超畴的BiFeO₃ （BFO）薄膜集成，研究人员开发了一种简单的双端零偏压多通道阵列（MCA）探测器，用于超构红外成像。基于拉曼信号的载流子密度空间监测表明，通过重新调整铁电超畴可以实现石墨烯导电性的非均匀图案化。当工作在零偏压和室温下时，所开发的器件阵列在中红外区域表现出可调谐的透射光谱和选择性响应。“活字印刷式”等离子体光电探测器的制造和架构为了验证这种可打印架构的性能，研究人员通过重新调整铁电畴宽度（对应于活字印刷技术的排版过程）在同一BFO薄膜上制作了一个器件阵列。研究人员重点研究了石墨烯/ BFO超畴（不同宽度）混合结构的光谱响应。所开发的光电探测器实现了约30 mA W⁻ ¹ 的增强响应度和10⁹ Jones数量级的比探测率（D*）。“活字印刷式”光电探测器阵列的表征重要的是，研究人员展示了MCA光电探测器在红外成像应用中的集成，与单通道阵列（SCA）探测器相比，显示出对整体目标形状和边缘检测的更高识别精度，以及更快的训练和识别速度。“活字印刷式”探测器在手势红外成像和识别中的应用总而言之，通过将单层石墨烯和具有纳米级宽条纹超畴的BFO薄膜集成，研究人员开发了一种可打印的光电探测器阵列，证明了这种类型的器件阵列是为多通道超构红外成像应用而设计的，并实现了增强的边缘检测。所开发的可打印光电探测器在零偏压下工作，在室温下表现出约30 mA W⁻ ¹ 的高响应度。这可以归因于石墨烯等离子体与入射光的共振耦合。此外，器件阵列在中红外区域表现出选择性响应，这是通过在环境条件下直接重新调整BFO超畴宽度实现的。这项研究证明，通过在纳米尺度上改变铁电畴可精确控制石墨烯载流子密度。与依赖复杂纳米制造技术的传统器件相比，石墨烯片与不同衬底的兼容性提供了多种优势。此外，该研究还证明了MCA探测器可以增强红外成像中的形状和边缘检测。这些特性使得未来具有简单的电路设计和低功耗的集成光电子平台成为可能。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49592-4