偏振成像在揭示人眼和傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器無法“看到”的特征方面具有廣泛的應(yīng)用。芯片集成、快速、高性價(jià)比和高精度的全斯托克斯偏振圖像傳感器在許多應(yīng)用中非常受歡迎，然而，由于基礎(chǔ)材料的限制，這些傳感器仍然難以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）研究團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Chip-integrated metasurface full-Stokes polarimetric imaging sensor”的論文，提出了一種芯片集成的基于超構(gòu)表面（Metasurface）的全斯托克斯（Stokes）偏振圖像傳感器——MetaPolarIm，該傳感器是通過將超?。▇600 nm）超構(gòu)表面偏振濾光片陣列（MPFA）集成到可見光圖像傳感器上，并采用CMOS兼容制造工藝實(shí)現(xiàn)的。MPFA具有寬帶介電-金屬混合手性超構(gòu)表面和雙層納米光柵偏振片的特點(diǎn)。MetaPolarIm能夠以最緊湊的外形尺寸實(shí)現(xiàn)單次曝光（single-shot）全斯托克斯成像（速度受CMOS圖像傳感器限制），具有測量精度高、雙色操作（綠色和紅色）以及視場角達(dá)40°等特點(diǎn)。MetaPolarIm有望在自主視覺、工業(yè)檢測、太空探索、醫(yī)學(xué)成像和診斷等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。

芯片集成的MetaPolarIm（圖1a）由MPFA和其下方的商用CMOS圖像傳感器組成，如圖1b所示，其尺寸與傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器幾乎相同。MPFA由超過75,000個(gè)微型偏振濾光片組成。每個(gè)超像素（super-pixel）具有兩對(duì)圓偏振（CP）濾光片（P5和P6）和四個(gè)線性偏振（LP）濾光片（P1至P4）。每個(gè)偏振濾光片被定義為一個(gè)子像素，并集成在下方 CMOS圖像傳感器的一個(gè)或幾個(gè)成像像素之上（圖1c）。每個(gè)超像素的偏振態(tài)可以通過LP和CP子像素及其相應(yīng)儀器矩陣組合的測量結(jié)果來獲得。圖1d顯示了基于金屬-介電混合超構(gòu)表面的CP和LP濾光片設(shè)計(jì)的示意圖。LP和CP偏振濾光片的厚度均小于波長，因此所展示的全斯托克斯偏振成像相機(jī)具有高度緊湊的外形。

圖1 具有雙工作波長的CMOS集成全斯托克斯偏振圖像傳感器

圖2a顯示了制造MPFA的工藝流程。所制造的MPFA（圖2b）由超過75.2?K的微型超構(gòu)表面偏振濾光片（MMPF）組成，總面積為3.65?×?2.43?mm2。1個(gè)超像素（中心）和8個(gè)不同MMPF（即子像素）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖2b所示。

研究人員利用具有線性偏振消光比（LPER）超過1000的寬帶LP偏振片和寬帶四分之一波片（QWP）的可見光譜儀對(duì)制備的MPFA進(jìn)行了性能表征。圖2c顯示了測量的在SiOx間隔層上圖案化的垂直耦合雙層光柵（VCDG）（取向?yàn)?°）的透射光譜，其下面沒有埋入Si超構(gòu)表面，效率為35%，LPER在波長為650 nm左右時(shí)超過400。

圖2 器件制造與表征

圖2d顯示了測量的CP濾光片的圓二色性（CD）光譜，當(dāng)波長為650 nm時(shí)，該濾光片可以透過右旋圓偏振（RCP）光，同時(shí)排斥左旋圓偏振（LCP）光。由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，測量波長的范圍僅限于480 nm至700 nm。該CP濾光片在60 nm波長范圍內(nèi)（紅色陰影）可提供超過10的圓偏振消光比（CPER），約為650 nm最佳工作波長的10%。圖2e顯示了同一器件在500 nm左右較短波長下測得的CD光譜。

通過校準(zhǔn)，MetaPolarIm傳感器實(shí)現(xiàn)了很高的斯托克斯測量精度（如圖3）：紅色和綠色的S1、S2、S3的平均測量誤差小于2%。此外，在紅色傾斜入射±20°和綠色傾斜入射±5°的情況下，MetaPolarIm傳感器仍可保持小于5%的誤差。

圖3 高精度全斯托克斯偏振檢測

研究人員利用MetaPolarIm傳感器演示了一些物體的全斯托克斯偏振成像（如圖4所示），以進(jìn)行概念驗(yàn)證。

圖4 各種物體的全斯托克斯偏振成像

綜上所述，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)并制造了基于超構(gòu)表面的微型偏振濾光片陣列（MPFA），該陣列由寬帶微型線性偏振濾光片和雙色（綠色和紅色）圓偏振濾光片（75.2?K像素）組成。研究人員將MPFA芯片集成到CMOS傳感器上，并使用儀器矩陣校準(zhǔn)方法對(duì)傳感器偏振檢測進(jìn)行校準(zhǔn)。通過校準(zhǔn)，MetaPolarIm傳感器實(shí)現(xiàn)了很高的斯托克斯測量精度：紅色和綠色的S1、S2、S3的平均測量誤差小于2%。此外，在紅色傾斜入射±20°和綠色傾斜入射±5°的情況下，MetaPolarIm傳感器仍可保持小于5%的誤差。

最后，研究人員以紅色和綠色演示了傳統(tǒng)圖像傳感器無法“看到”的現(xiàn)實(shí)物體中的完整斯托克斯偏振成像，其總工作帶寬為80 nm。偏振成像結(jié)果表明，這些物體攜帶的偏振信息與顏色相關(guān)，揭示了雙波長操作的優(yōu)勢?？傊琈etaPolarIm具有高速（單次曝光測量）、卓越的機(jī)械穩(wěn)定性、超緊湊的占位面積、制造可擴(kuò)展性和CMOS工藝兼容性等特點(diǎn)，有望在自主視覺、工業(yè)檢測、太空探索、醫(yī)學(xué)成像和診斷領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。

審核編輯：劉清