a，全斯托克斯偏振相機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分別負責傳輸RCP光和LCP光的一對手性超表面(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

偏振成像技術可以揭示人眼和傳統(tǒng)成像傳感器無法發(fā)現(xiàn)的特征，在現(xiàn)代社會日益成為一項必不可少的技術。傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)需要復雜的光學元件和運動部件，使得系統(tǒng)小型化變得困難。

光學超表面和超材料的發(fā)展表明，與傳統(tǒng)技術相比，光學超表面和超材料在實現(xiàn)更緊湊、更靈活和更強大的偏振檢測解決方案方面取得了有希望的進展。然而，目前基于超表面的偏振成像設備存在可擴展性、窄帶寬、低精度和小視場等問題。到目前為止，基于芯片集成超表面的可見光波長Full-Stokes偏振成像傳感器的演示仍然難以實現(xiàn)。

在《光:科學與應用》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由亞利桑那州立大學電氣、計算機與能源工程學院姚宇教授領導的一組科學家及其同事，受螳螂蝦眼睛的啟發(fā)，開發(fā)出了基于芯片集成的超表面Full-Stokes偏振成像傳感器，用于可見光波長。

他們首先設計了基于超表面的高光學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�；�于這些超表面偏振濾波器設計，他們制作了一個由75.2萬個濾波器組成的微尺度偏振濾波器陣列(MPFA)，即75.2萬個像素。

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方法校準傳感器偏振檢測。經(jīng)過校準，實現(xiàn)了較高的偏振檢測精度:對紅色(630nm ~ 670nm)和綠色(480nm ~ 520nm)的平均偏振測量誤差小于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的真實物體上的全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，這揭示了雙波長操作的優(yōu)勢。這些科學家總結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，圓形偏振器的設計靈感來自螳螂蝦的眼睛，螳螂蝦可以看到光的偏振差。”

“我們設計了人工光學雙折射的Si超表面，其工作原理類似于具有雙工作波長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下工作，檢測精度高。”

“總體而言，我們開發(fā)的超表面偏振成像傳感器具有高精度、大視場、高速度(單次測量)、良好的機械穩(wěn)定性、超緊湊的占地面積、制造可擴展性和CMOS兼容性�！弊髡咦蠹褌パa充道。

科學家們說:“我們的演示證明了一條可行的途徑，可以實現(xiàn)基于超表面設備概念的可見波長芯片集成full-Stokes偏振成像傳感器，這可以廣泛應用于各種現(xiàn)實世界的應用，如自主視覺、工業(yè)檢測、太空探索和生物醫(yī)學成像。”