▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

偏振是光的基本物理性質(zhì)之一，在揭示傳統(tǒng)成像傳感器無法看見的圖像特征方面起重要作用， 因而被廣泛應用到信息和控制等諸多領(lǐng)域。在自然界中，偏振光信息對于昆蟲而言并不陌生，例如生存于地球長達4億年的螳螂蝦，它的復眼由眾多小眼排列組成，這些小眼可感知不同類型的偏振光。借助其復眼，螳螂蝦可捕獵或躲避天敵。

就像最初體積龐大的相機一樣，傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)通常需要復雜的光學系統(tǒng)和活動部件從不同角度成像，因而極大限制了其系統(tǒng)集成度。近年來，隨著光學系統(tǒng)小型化研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)二維超構(gòu)表面不僅可以高效且靈活地調(diào)制電場，還可以與傳統(tǒng)半導體生產(chǎn)技術(shù)兼容。因而有望成為實現(xiàn)下一代微型光學系統(tǒng)的重要技術(shù)。目前，基于超構(gòu)表面技術(shù)的偏振成像器件仍存在帶寬窄、精度低、視場小以及大規(guī)模量產(chǎn)難度高的問題。

近日，美國亞利桑那州立大學電氣和計算機工程系姚宇研究團隊提出了一種基于超構(gòu)表面片上集成的仿生全斯托克斯偏振成像傳感器，如圖1所示。該研究成果以“Chip Intgrated Metasurface full Stokes polarimetric imaging sensor”為題在線發(fā)表在Light Science & Applications。左嘉偉博士作為本文的第一作者，姚宇教授作為本文的通訊作者。美國國家自然科學基金和美國能源部研究基金為本工作提供了資助。

圖1：雙波長片上集成全斯托克斯偏振成像傳感器工作原理。a 全斯托克斯偏振相機（無鏡頭）和一枚一美元硬幣大小對比圖。b全斯托克斯偏振傳感器圖片。c 上圖: 片上集成全偏振成像傳感器三維原理圖。P1-P4 表示光軸角分別位于0°, 90°, 45°, 135° 的線偏濾光。P5, P5’ 和P6, P6’ 分別表示通過右旋圓偏光和左旋圓偏光的圓偏濾光片。P5, P5’和P6, P6’ 的大小分別完全相同 。下圖: 片上集成偏振成像傳感器二維剖視圖。d 一對圓偏濾光片(P5, P6)和線偏濾光片(P2)三維原理圖。

課題組受螳螂蝦的復眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將一層產(chǎn)生光學雙折射的硅超構(gòu)表面與一層高性能線偏檢偏超構(gòu)表面堆疊起來以達到高性能圓偏光檢偏。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)該仿生圓偏檢偏超構(gòu)表面的偏振消光比對入射光入射角不敏感，因此傳感器可在較大視場角內(nèi)保持高精度偏振檢測。

在此基礎(chǔ)上，課題組批量制造了偏振像素陣列，隨后利用了系統(tǒng)的部分穆勒矩陣對傳感器偏振采樣進行了矯正，從而實現(xiàn)高精度偏振測量。多次測量結(jié)果顯示，該傳感器在40°視場角內(nèi)，偏振態(tài)測量均保持了低誤差、高均勻度?？傮w而言，這種基于超構(gòu)表面的偏振成像傳感器具有成像速度快、集成度高、精度高和兼容傳統(tǒng)半導體工藝的優(yōu)點。

▍展望

該仿生偏振傳感器技術(shù)填補了高性能、高集成度、大視場全斯托克斯偏振成像傳感器的空白。未來對于該傳感器的優(yōu)化，可考慮通過改進器件設(shè)計來增大帶寬優(yōu)化生產(chǎn)工藝以提高傳感器產(chǎn)量。這種低成本、高性能、微型偏振成像傳感技術(shù)，未來在自動駕駛、航空航天、醫(yī)療成像等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。

▍論文信息

Zuo, J., Bai, J., Choi, S. et al. Chip-integrated metasurface full-Stokes polarimetric imaging sensor. Light Sci Appl 12, 218 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01260-w

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