揭开隐形：受生物启发的集成偏振成像CMOS传感器

偏振成像技术可以看见人眼和传统成像传感器无法发现的特征，在现代社会中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最新发展表明，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Yu Yao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。最后，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。

第一作者Jiawe Zuo说：“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)、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。”

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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