一种芯片集成的基于超构表面的全斯托克斯偏振图像传感器

偏振成像在揭示人眼和传统CMOS图像传感器无法“看到”的特征方面具有广泛的应用。芯片集成、快速、高性价比和高精度的全斯托克斯偏振图像传感器在许多应用中非常受欢迎，然而，由于基础材料的限制，这些传感器仍然难以实现。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）研究团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Chip-integrated metasurface full-Stokes polarimetric imaging sensor”的论文，提出了一种芯片集成的基于超构表面（Metasurface）的全斯托克斯（Stokes）偏振图像传感器——MetaPolarIm，该传感器是通过将超薄（~600 nm）超构表面偏振滤光片阵列（MPFA）集成到可见光图像传感器上，并采用CMOS兼容制造工艺实现的。MPFA具有宽带介电-金属混合手性超构表面和双层纳米光栅偏振片的特点。MetaPolarIm能够以最紧凑的外形尺寸实现单次曝光（single-shot）全斯托克斯成像（速度受CMOS图像传感器限制），具有测量精度高、双色操作（绿色和红色）以及视场角达40°等特点。MetaPolarIm有望在自主视觉、工业检测、太空探索、医学成像和诊断等领域实现变革性应用。

芯片集成的MetaPolarIm（图1a）由MPFA和其下方的商用CMOS图像传感器组成，如图1b所示，其尺寸与传统的CMOS图像传感器几乎相同。MPFA由超过75,000个微型偏振滤光片组成。每个超像素（super-pixel）具有两对圆偏振（CP）滤光片（P5和P6）和四个线性偏振（LP）滤光片（P1至P4）。每个偏振滤光片被定义为一个子像素，并集成在下方 CMOS图像传感器的一个或几个成像像素之上（图1c）。每个超像素的偏振态可以通过LP和CP子像素及其相应仪器矩阵组合的测量结果来获得。图1d显示了基于金属-介电混合超构表面的CP和LP滤光片设计的示意图。LP和CP偏振滤光片的厚度均小于波长，因此所展示的全斯托克斯偏振成像相机具有高度紧凑的外形。

图1 具有双工作波长的CMOS集成全斯托克斯偏振图像传感器

图2a显示了制造MPFA的工艺流程。所制造的MPFA（图2b）由超过75.2 K的微型超构表面偏振滤光片（MMPF）组成，总面积为3.65 × 2.43 mm²。1个超像素（中心）和8个不同MMPF（即子像素）的扫描电子显微镜（SEM）图像如图2b所示。

研究人员利用具有线性偏振消光比（LPER）超过1000的宽带LP偏振片和宽带四分之一波片（QWP）的可见光谱仪对制备的MPFA进行了性能表征。图2c显示了测量的在SiOx间隔层上图案化的垂直耦合双层光栅（VCDG）（取向为0°）的透射光谱，其下面没有埋入Si超构表面，效率为35%，LPER在波长为650 nm左右时超过400。

图2 器件制造与表征

图2d显示了测量的CP滤光片的圆二色性（CD）光谱，当波长为650 nm时，该滤光片可以透过右旋圆偏振（RCP）光，同时排斥左旋圆偏振（LCP）光。由于实验装置的限制，测量波长的范围仅限于480 nm至700 nm。该CP滤光片在60 nm波长范围内（红色阴影）可提供超过10的圆偏振消光比（CPER），约为650 nm最佳工作波长的10%。图2e显示了同一器件在500 nm左右较短波长下测得的CD光谱。

通过校准，MetaPolarIm传感器实现了很高的斯托克斯测量精度（如图3）：红色和绿色的S1、S2、S3的平均测量误差小于2%。此外，在红色倾斜入射±20°和绿色倾斜入射±5°的情况下，MetaPolarIm传感器仍可保持小于5%的误差。

图3 高精度全斯托克斯偏振检测

研究人员利用MetaPolarIm传感器演示了一些物体的全斯托克斯偏振成像（如图4所示），以进行概念验证。

图4 各种物体的全斯托克斯偏振成像

综上所述，这项研究设计并制造了基于超构表面的微型偏振滤光片阵列（MPFA），该阵列由宽带微型线性偏振滤光片和双色（绿色和红色）圆偏振滤光片（75.2 K像素）组成。研究人员将MPFA芯片集成到CMOS传感器上，并使用仪器矩阵校准方法对传感器偏振检测进行校准。通过校准，MetaPolarIm传感器实现了很高的斯托克斯测量精度：红色和绿色的S1、S2、S3的平均测量误差小于2%。此外，在红色倾斜入射±20°和绿色倾斜入射±5°的情况下，MetaPolarIm传感器仍可保持小于5%的误差。

最后，研究人员以红色和绿色演示了传统图像传感器无法“看到”的现实物体中的完整斯托克斯偏振成像，其总工作带宽为80 nm。偏振成像结果表明，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。总之，MetaPolarIm具有高速（单次曝光测量）、卓越的机械稳定性、超紧凑的占位面积、制造可扩展性和CMOS工艺兼容性等特点，有望在自主视觉、工业检测、太空探索、医学成像和诊断领域实现变革性应用。

审核编辑：刘清