揭开无形的面纱： 受生物启发的 CMOS 集成偏振成像传感器

a, 一枚美元硬币旁的全斯托克斯偏振相机图像（未安装镜头）。 b 全斯托克斯偏振 CMOS 成像传感器图像。此处 P1-P4 表示 LP 滤光片，透射轴分别为 0°、90°、45°、135°。P5、P5'和 P6、P6'分别表示透射右手圆偏振（RCP）和左手圆偏振（LCP）的手性元面滤光片。这里，P5 和 P5'、P6 和 P6' 的尺寸分别相同。底部：芯片集成偏振成像传感器的二维横截面。左嘉伟、白静、崔信赫、阿里-巴西里、陈夏辉、王超、姚宇

偏振成像可以揭示人眼和传统成像传感器无法看到的特征，正日益成为现代社会的一项重要技术。传统的偏振成像系统需要复杂的光学元件和活动部件，因此难以实现系统微型化。

与传统技术相比，光学超表面和超材料的最新发展表明，偏振探测技术有望获得更加紧凑、灵活和稳健的解决方案。然而，目前基于超表面的偏振成像设备存在可扩展性差、带宽窄、精度低和视场小等问题。迄今为止，基于芯片集成的元表面全斯托克斯偏振成像传感器在可见光波段的应用仍遥遥无期。

在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院姚宇教授领导的科学家团队及其合作者受螳螂虾眼睛的启发，开发出了基于芯片集成元表面的全斯托克斯偏振成像传感器，可用于可见光波段。

他们首先设计了基于元表面的高光学性能微尺度偏振滤光片，包括宽带线性偏振滤光片和双色（绿色和红色）手性元表面。在这些元表面偏振滤光片设计的基础上，他们制作了一个由 75.2K 个滤光片（即 75.2K 个像素）组成的微尺度偏振滤光片阵列（MPFA）。

然后，他们将 MPFA 芯片集成到成像传感器上，并用仪器矩阵校准法校准了传感器偏振检测。通过校准，他们实现了较高的偏振检测精度： 红色（630 纳米至 670 纳米）和绿色（480 纳米至 520 纳米）的平均偏振测量误差小于 2%。

此外，他们还发现偏振成像传感器在±20°斜入射红光和±5°斜入射绿光时的误差可保持在 5%以下。最后，他们还演示了传统成像传感器无法看到的红绿两色物体的全斯托克斯偏振成像，总工作带宽为 80 纳米。

从物体的偏振图像中，他们发现这些物体所携带的偏振信息与颜色有关，从而揭示了双波长工作的优势。这些科学家总结了其偏振成像传感器的工作原理：

"元表面偏振成像仪采用空间分割测量方法，一次快照即可获得完整的斯托克斯偏振图像。此外，圆偏振片的设计灵感来自螳螂虾的眼睛，它能看到光的偏振差异。"

"我们设计了硅元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板，并将其叠加到具有大线性偏振消光比的双层铝纳米格拉特上。我们还发现，我们的手性元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范围内工作，并且具有很高的检测精度"。

"总体而言，我们开发的元表面偏振成像传感器具有高精度、大视野、高速度（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 兼容性等特点"。第一作者左嘉伟补充道。

"科学家们说："我们的演示证明了基于元表面器件概念在可见光波长实现芯片集成全斯托克斯偏振成像传感器的可行途径，这种传感器可广泛应用于自主视觉、工业检测、太空探索和生物医学成像等各种实际应用中。

参考资料

Jiawei Zuo et al, Chip-integrated metasurface full-Stokes polarimetric imaging sensor, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01260-w