▍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(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)雜的光學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)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(fù)眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將一層產(chǎn)生光學(xué)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(dǎo)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(yīng)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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