偏振成像在揭示人眼和傳統CMOS圖像傳感器無法“看到”的特征方面具有廣泛的應用。芯片集成、快速、高性價比和高精度的全斯托克斯偏振圖像傳感器在許多應用中非常受歡迎，然而，由于基礎材料的限制，這些傳感器仍然難以實現。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）研究團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了題為“Chip-integrated metasurface full-Stokes polarimetric imaging sensor”的論文，提出了一種芯片集成的基于超構表面（Metasurface）的全斯托克斯（Stokes）偏振圖像傳感器——MetaPolarIm，該傳感器是通過將超薄（~600 nm）超構表面偏振濾光片陣列（MPFA）集成到可見光圖像傳感器上，并采用CMOS兼容制造工藝實現的。MPFA具有寬帶介電-金屬混合手性超構表面和雙層納米光柵偏振片的特點。MetaPolarIm能夠以最緊湊的外形尺寸實現單次曝光（single-shot）全斯托克斯成像（速度受CMOS圖像傳感器限制），具有測量精度高、雙色操作（綠色和紅色）以及視場角達40°等特點。MetaPolarIm有望在自主視覺、工業檢測、太空探索、醫學成像和診斷等領域實現變革性應用。

芯片集成的MetaPolarIm（圖1a）由MPFA和其下方的商用CMOS圖像傳感器組成，如圖1b所示，其尺寸與傳統的CMOS圖像傳感器幾乎相同。MPFA由超過75,000個微型偏振濾光片組成。每個超像素（super-pixel）具有兩對圓偏振（CP）濾光片（P5和P6）和四個線性偏振（LP）濾光片（P1至P4）。每個偏振濾光片被定義為一個子像素，并集成在下方 CMOS圖像傳感器的一個或幾個成像像素之上（圖1c）。每個超像素的偏振態可以通過LP和CP子像素及其相應儀器矩陣組合的測量結果來獲得。圖1d顯示了基于金屬-介電混合超構表面的CP和LP濾光片設計的示意圖。LP和CP偏振濾光片的厚度均小于波長，因此所展示的全斯托克斯偏振成像相機具有高度緊湊的外形。

圖1 具有雙工作波長的CMOS集成全斯托克斯偏振圖像傳感器

圖2a顯示了制造MPFA的工藝流程。所制造的MPFA（圖2b）由超過75.2?K的微型超構表面偏振濾光片（MMPF）組成，總面積為3.65?×?2.43?mm2。1個超像素（中心）和8個不同MMPF（即子像素）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖2b所示。

研究人員利用具有線性偏振消光比（LPER）超過1000的寬帶LP偏振片和寬帶四分之一波片（QWP）的可見光譜儀對制備的MPFA進行了性能表征。圖2c顯示了測量的在SiOx間隔層上圖案化的垂直耦合雙層光柵（VCDG）（取向為0°）的透射光譜，其下面沒有埋入Si超構表面，效率為35%，LPER在波長為650 nm左右時超過400。

圖2 器件制造與表征

圖2d顯示了測量的CP濾光片的圓二色性（CD）光譜，當波長為650 nm時，該濾光片可以透過右旋圓偏振（RCP）光，同時排斥左旋圓偏振（LCP）光。由于實驗裝置的限制，測量波長的范圍僅限于480 nm至700 nm。該CP濾光片在60 nm波長范圍內（紅色陰影）可提供超過10的圓偏振消光比（CPER），約為650 nm最佳工作波長的10%。圖2e顯示了同一器件在500 nm左右較短波長下測得的CD光譜。

通過校準，MetaPolarIm傳感器實現了很高的斯托克斯測量精度（如圖3）：紅色和綠色的S1、S2、S3的平均測量誤差小于2%。此外，在紅色傾斜入射±20°和綠色傾斜入射±5°的情況下，MetaPolarIm傳感器仍可保持小于5%的誤差。

圖3 高精度全斯托克斯偏振檢測

研究人員利用MetaPolarIm傳感器演示了一些物體的全斯托克斯偏振成像（如圖4所示），以進行概念驗證。

圖4 各種物體的全斯托克斯偏振成像

綜上所述，這項研究設計并制造了基于超構表面的微型偏振濾光片陣列（MPFA），該陣列由寬帶微型線性偏振濾光片和雙色（綠色和紅色）圓偏振濾光片（75.2?K像素）組成。研究人員將MPFA芯片集成到CMOS傳感器上，并使用儀器矩陣校準方法對傳感器偏振檢測進行校準。通過校準，MetaPolarIm傳感器實現了很高的斯托克斯測量精度：紅色和綠色的S1、S2、S3的平均測量誤差小于2%。此外，在紅色傾斜入射±20°和綠色傾斜入射±5°的情況下，MetaPolarIm傳感器仍可保持小于5%的誤差。

最后，研究人員以紅色和綠色演示了傳統圖像傳感器無法“看到”的現實物體中的完整斯托克斯偏振成像，其總工作帶寬為80 nm。偏振成像結果表明，這些物體攜帶的偏振信息與顏色相關，揭示了雙波長操作的優勢。總之，MetaPolarIm具有高速（單次曝光測量）、卓越的機械穩定性、超緊湊的占位面積、制造可擴展性和CMOS工藝兼容性等特點，有望在自主視覺、工業檢測、太空探索、醫學成像和診斷領域實現變革性應用。

審核編輯：劉清