仿生CMOS集成偏振成像传感器

偏振成像可以揭示人眼和传统成像传感器不可见的特征，因此正在成为现代社会中越来越重要的技术。传统的偏振成像系统需要复杂的光学元件和移动部件，使得系统小型化变得困难。光学超表面和超材料的最新发展表明，与传统技术相比，偏振检测解决方案在更加紧凑、灵活和稳健方面取得了有希望的进展。然而，当前基于超表面的偏振成像设备存在可扩展性、带宽窄、精度低和视场小等问题。到目前为止，用于可见波长的基于芯片集成超表面的全斯托克斯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、计算机和能源工程学院的YuYao教授领导的科学家团队及其同事开发出了基于芯片集成的超表面Full-Stokes受螳螂虾眼睛启发的可见光波长偏振成像传感器。他们首先设计了基于超表面的高光学性能微型偏振滤光片，包括宽带线性偏振滤光片和双色(绿色和红色)手性超表面。基于这些超表面偏振滤光片设计，他们制造了由75.2K滤光片(即75.2K像素)组成的微型偏振滤光片阵列(MPFA)。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。通过校准，它们实现了较高的偏振检测精度：红色(630nm 至 670nm)和绿色(480nm 至 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在红色倾斜入射±20°和绿色倾斜入射±5°的情况下可以保持小于5%的误差。最后，他们展示了传统成像传感器不可见的现实物体中红色和绿色的完整斯托克斯偏振成像，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与颜色相关，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分测量方法，一次性获得完整的斯托克斯偏振图像。此外，圆偏光镜的设计灵感来自螳螂虾的眼睛，可以看到光线的偏振差异。我们设计了硅超表面的人工光学双折射，其工作原理类似于具有双工作波长范围的四分之一波片，并将其堆叠到具有大线性偏振消光比的双层铝纳米光栅上。我们还发现，我们的手性超表面的圆偏振消光比随着斜入射角的变化缓慢，这就是为什么我们的传感器可以在宽视场下工作并具有高检测精度。”

“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(单次测量)、卓越的机械稳定性、超紧凑的占地面积、制造可扩展性和 CMOS 兼容性。” 第一作者左嘉伟补充道。

“我们的演示证明了基于超表面器件概念在可见光波长下实现芯片集成全斯托克斯偏振成像传感器的可行途径，可广泛应用于各种现实应用，例如自主视觉、工业检测、太空探索、和生物医学成像。” 科学家预测。