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- 揭示隱形:一種生物啟發(fā)的cmos集成偏振成像傳感器
- 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院 發(fā)表于 2023/9/26
a，全斯托克斯偏振相機(jī)的圖像旁邊的一美元硬幣(鏡頭未連接)。b全Stokes偏振CMOS成像傳感器圖像c頂部:芯片集成全Stokes CMOS偏振成像傳感器的3D概念圖。其中P1-P4分別表示傳輸軸為0°、90°、45°、135°的LP濾波器。P5、P5′和P6、P6′分別表示右手圓偏振(RCP)和左手圓偏振(LCP)的手性超表面濾光片。這里P5和P5'， P6和P6'在維度上是相同的。下圖為芯片集成偏振成像傳感器二維截面圖。d分別負(fù)責(zé)傳輸RCP光和LCP光的一對(duì)手性超表面(P5, P6)和LP濾波器(P2)的三維概念圖。致謝:左佳偉、白靜、崔shinhyuk、Ali Basiri、陳夏輝、王超、姚宇
偏振成像技術(shù)可以揭示人眼和傳統(tǒng)成像傳感器無(wú)法發(fā)現(xiàn)的特征，在現(xiàn)代社會(huì)日益成為一項(xiàng)必不可少的技術(shù)。傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)需要復(fù)雜的光學(xué)元件和運(yùn)動(dòng)部件，使得系統(tǒng)小型化變得困難。
光學(xué)超表面和超材料的發(fā)展表明，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，光學(xué)超表面和超材料在實(shí)現(xiàn)更緊湊、更靈活和更強(qiáng)大的偏振檢測(cè)解決方案方面取得了有希望的進(jìn)展。然而，目前基于超表面的偏振成像設(shè)備存在可擴(kuò)展性、窄帶寬、低精度和小視場(chǎng)等問(wèn)題。到目前為止，基于芯片集成超表面的可見(jiàn)光波長(zhǎng)Full-Stokes偏振成像傳感器的演示仍然難以實(shí)現(xiàn)。
在《光:科學(xué)與應(yīng)用》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由亞利桑那州立大學(xué)電氣、計(jì)算機(jī)與能源工程學(xué)院姚宇教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家及其同事，受螳螂蝦眼睛的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出了基于芯片集成的超表面Full-Stokes偏振成像傳感器，用于可見(jiàn)光波長(zhǎng)。
他們首先設(shè)計(jì)了基于超表面的高光學(xué)性能微尺度偏振濾波器，包括寬帶線性偏振濾波器和雙色(綠色和紅色)手性超表面�；谶@些超表面偏振濾波器設(shè)計(jì)，他們制作了一個(gè)由75.2萬(wàn)個(gè)濾波器組成的微尺度偏振濾波器陣列(MPFA)，即75.2萬(wàn)個(gè)像素。
然后，他們將MPFA芯片集成到成像傳感器上，并使用儀器矩陣校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)傳感器偏振檢測(cè)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了較高的偏振檢測(cè)精度:對(duì)紅色(630nm ~ 670nm)和綠色(480nm ~ 520nm)的平均偏振測(cè)量誤差小于2%。
此外，他們發(fā)現(xiàn)偏振成像傳感器可以在紅色±20°斜入射和綠色±5°斜入射下保持小于5%的誤差。他們展示了傳統(tǒng)成像傳感器在紅色和綠色不可見(jiàn)的真實(shí)物體上的全Stokes偏振成像，總工作帶寬為80nm。
從物體的偏振圖像中，他們發(fā)現(xiàn)這些物體攜帶的偏振信息是依賴于顏色的，這揭示了雙波長(zhǎng)操作的優(yōu)勢(shì)。這些科學(xué)家總結(jié)了他們的偏振成像傳感器的工作原理:超表面偏振成像儀采用空間分割測(cè)量方法，在一次快照中獲得完整的Stokes偏振圖像。此外，圓形偏振器的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自螳螂蝦的眼睛，螳螂蝦可以看到光的偏振差�！�
“我們?cè)O(shè)計(jì)了人工光學(xué)雙折射的Si超表面，其工作原理類似于具有雙工作波長(zhǎng)范圍的四分之一波片，并將其堆疊在具有大線性偏振消光比的雙層Al納米光柵上。我們還發(fā)現(xiàn)，手性超表面的圓偏振消光比隨著斜入射角的變化而緩慢變化，這就是為什么我們的傳感器可以在寬視場(chǎng)下工作，檢測(cè)精度高。”
“總體而言，我們開(kāi)發(fā)的超表面偏振成像傳感器具有高精度、大視場(chǎng)、高速度(單次測(cè)量)、良好的機(jī)械穩(wěn)定性、超緊湊的占地面積、制造可擴(kuò)展性和CMOS兼容性�！弊髡咦蠹褌パa(bǔ)充道。
科學(xué)家們說(shuō):“我們的演示證明了一條可行的途徑，可以實(shí)現(xiàn)基于超表面設(shè)備概念的可見(jiàn)波長(zhǎng)芯片集成full-Stokes偏振成像傳感器，這可以廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，如自主視覺(jué)、工業(yè)檢測(cè)、太空探索和生物醫(yī)學(xué)成像�！�
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