Bioinspirovaný CMOS integrovaný polarizační obrazový snímač

Polarimetrické zobrazování může odhalit rysy neviditelné pro lidské oči a konvenční obrazové senzory a stává se stále důležitější technikou v moderní společnosti. Konvenční polarimetrické zobrazovací systémy vyžadují složité optické komponenty a pohyblivé části, což ztěžuje miniaturizaci systému.

Nedávný vývoj optických metapovrchů a metamateriálů ukazuje slibný pokrok směrem k mnohem kompaktnějším, flexibilnějším a robustnějším řešením pro detekci polarizace než konvenční techniky. Současná polarimetrická zobrazovací zařízení na bázi metapovrchu však trpí problémy se škálovatelností, úzkou šířkou pásma, nízkou přesností a malým zorným polem. Až dosud zůstává demonstrace full-Stokes polarimetrických zobrazovacích senzorů na bázi metapovrchu pro viditelné vlnové délky nepolapitelná.

V novém článku publikovaném v Světlo: Věda a aplikacetým vědců, vedený profesorem Yu Yao z Arizonské státní univerzity, School of Electrical, Computer and Energy Engineering, a spolupracovníci vyvinuli čipem integrované metapovrchové Full-Stokesovy polarimetrické zobrazovací senzory pro inspirované viditelné vlnové délky v krevetách- kudlanka nábožná.

Nejprve navrhli vysoce optické výkonné polarizační filtry v mikroměřítku založené na metapovrchech, včetně širokopásmových lineárních polarizačních filtrů a dvoubarevných (zelených a červených) chirálních metapovrchů. Na základě těchto návrhů metapovrchových polarizačních filtrů vyrobili mikroškálové pole polarizačních filtrů (MPFA) složené z 75,2K filtrů, tj. 75,2K pixelů.

Poté integrovali MPFA na čipu do obrazového snímače a zkalibrovali detekci polarizace snímače pomocí metody kalibrace pole přístroje. S kalibrací dosáhli vysoké přesnosti detekce polarizace: průměrná chyba měření polarizace menší než 2 % pro červenou (630nm až 670nm) a zelenou (480nm až 520nm).

Dále zjistili, že polarimetrický obrazový snímač dokáže udržet chybu menší než 5 % až do ±20° šikmého dopadu pro červenou barvu a ±5° pro zelenou barvu. Nakonec předvedli úplné Stokesovo polarimetrické zobrazování na reálných objektech neviditelných pro tradiční obrazový snímač v červené a zelené barvě s celkovou provozní šířkou pásma 80 nm.

Z polarizačních snímků objektů zjistili, že polarizační informace nesené těmito objekty závisí na barvě, což odhaluje výhodu provozu na dvou vlnových délkách. Tito vědci shrnují princip fungování jejich polarimetrického obrazového snímače:

“Polarimetrický zobrazovač metapovrchu přijal přístup měření prostorového dělení, aby získal plné Stokesovy polarimetrické snímky ve snímku. Kromě toho je design kruhového polarizátoru inspirován okem krevety kudlanky, která může vidět rozdíl v polarizaci světla.”

“Navrhli jsme umělý optický dvojlom Si metapovrchů fungujících podobně jako čtvrtvlnná deska s duálním provozním rozsahem vlnových délek a naskládali jsme ji na dvouvrstvé Al nanomřížky s velkou lineární polarizační extinkcí rychlostí. Zjistili jsme, že cirkulární polarizační extinkce našeho chirálního metapovrchu se pomalu mění na šikmý úhel dopadu, což je důvod, proč náš senzor může pracovat v širokém zorném poli s vysokou přesností detekce.”

“Celkově se metapovrchový polarimetrický obrazový snímač, který jsme vyvinuli, vyznačuje vysokou přesností, širokým zorným polem, vysokou rychlostí (měření jedním záběrem), vynikající mechanickou stabilitou, ultrakompaktní oblastí, výrobní škálovatelností a kompatibilitou CMOS.” Přidán první autor Jiawe Zuo.

„Naše demonstrace se ukázala jako schůdná cesta k implementaci integrovaných full-Stokesových polarimetrických zobrazovacích senzorů na viditelných vlnových délkách na základě konceptů metapovrchových zařízení, které by mohly být široce aplikovány v různých aplikacích reálného světa, jako je autonomní vidění, průmyslová inspekce, vesmír. průzkum a biomedicínské zobrazování,“ uvedli vědci.