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揭示隐形:一种生物启发的cmos集成偏振成像传感器
来源:中国科学院 发表于 2023/9/26

a,全斯托克斯偏振相机的图像旁边的一美元硬币(镜头未连接)。b全stokes偏振cmos成像传感器图像c顶部:芯片集成全stokes cmos偏振成像传感器的3d概念图。其中p1-p4分别表示传输轴为0°、90°、45°、135°的lp滤波器。p5、p5′和p6、p6′分别表示右手圆偏振(rcp)和左手圆偏振(lcp)的手性超表面滤光片。这里p5和p5', p6和p6'在维度上是相同的。下图为芯片集成偏振成像传感器二维截面图。d分别负责传输rcp光和lcp光的一对手性超表面(p5, p6)和lp滤波器(p2)的三维概念图。致谢:左佳伟、白静、崔shinhyuk、ali basiri、陈夏辉、王超、姚宇


偏振成像技术可以揭示人眼和传统成像传感器无法发现的特征,在现代社会日益成为一项必不可少的技术。传统的偏振成像系统需要复杂的光学元件和运动部件,使得系统小型化变得困难。


光学超表面和超材料的发展表明,与传统技术相比,光学超表面和超材料在实现更紧凑、更灵活和更强大的偏振检测j9九游会·(中国)真人游戏第一品牌的解决方案方面取得了有希望的进展。然而,目前基于超表面的偏振成像设备存在可扩展性、窄带宽、低精度和小视场等问题。到目前为止,基于芯片集成超表面的可见光波长full-stokes偏振成像传感器的演示仍然难以实现。


在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,由亚利桑那州立大学电气、计算机与能源工程学院姚宇教授领导的一组科学家及其同事,受螳螂虾眼睛的启发,开发出了基于芯片集成的超表面full-stokes偏振成像传感器,用于可见光波长。


他们首先设计了基于超表面的高光学性能微尺度偏振滤波器,包括宽带线性偏振滤波器和双色(绿色和红色)手性超表面。基于这些超表面偏振滤波器设计,他们制作了一个由75.2万个滤波器组成的微尺度偏振滤波器阵列(mpfa),即75.2万个像素。


然后,他们将mpfa芯片集成到成像传感器上,并使用仪器矩阵校准方法校准传感器偏振检测。经过校准,实现了较高的偏振检测精度:对红色(630nm ~ 670nm)和绿色(480nm ~ 520nm)的平均偏振测量误差小于2%。


此外,他们发现偏振成像传感器可以在红色±20°斜入射和绿色±5°斜入射下保持小于5%的误差。他们展示了传统成像传感器在红色和绿色不可见的真实物体上的全stokes偏振成像,总工作带宽为80nm。


从物体的偏振图像中,他们发现这些物体携带的偏振信息是依赖于颜色的,这揭示了双波长操作的优势。这些科学家总结了他们的偏振成像传感器的工作原理:超表面偏振成像仪采用空间分割测量方法,在一次快照中获得完整的stokes偏振图像。此外,圆形偏振器的设计灵感来自螳螂虾的眼睛,螳螂虾可以看到光的偏振差。”


“我们设计了人工光学双折射的si超表面,其工作原理类似于具有双工作波长范围的四分之一波片,并将其堆叠在具有大线性偏振消光比的双层al纳米光栅上。我们还发现,手性超表面的圆偏振消光比随着斜入射角的变化而缓慢变化,这就是为什么我们的传感器可以在宽视场下工作,检测精度高。”


“总体而言,我们开发的超表面偏振成像传感器具有高精度、大视场、高速度(单次测量)、良好的机械稳定性、超紧凑的占地面积、制造可扩展性和cmos兼容性。”作者左佳伟补充道。


科学家们说:“我们的演示证明了一条可行的途径,可以实现基于超表面设备概念的可见波长芯片集成full-stokes偏振成像传感器,这可以广泛应用于各种现实世界的应用,如自主视觉、工业检测、太空探索和生物医学成像。”

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