CN113267902A - 基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，由微结构层、透明隔离层、感光元件和电路组成；平面各向异性微结构层由手性结构的超像素单元阵列组成；超像素单元包括四种微结构阵列，即：0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构；采用四种微结构组成的超像素单元阵列，是现有技术方案中采用的最少种类微结构，有利于提高成像分辨率、降低加工成本和复杂度；其优点在于器件结构简单、易于加工制作、器件尺寸小、可集成度高，通过精确控制微结构单元尺寸，能实现从紫外到红外波段的全Stokes参数测量。本发明在大气遥感、生物医学诊断、军事导航、海洋环境探测等领域都具有广泛的应用前景。

Description

基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体是指一种基于基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件。

背景技术

偏振是光的基本属性之一，当物体受到反射、散射以及透射作用时，不同的物体反映出的偏振信息是不同的，且同一物体在不同状态下的偏振信息也会存在差异。偏振探测可以提供比传统强度探测和光谱探测更多的目标信息。偏振成像技术利用偏振检测装置，通过测量光线的各个偏振分量，进而得到被测光线的部分或者全部偏振信息，即斯托克斯参数。通过对这些偏振信息的分析和计算，可以获得的信息量从三维（即光强、光谱、空间）扩展到七维（即光强、光谱、空间、偏振度、偏振角、椭偏度和旋转方向），大大提升了获取的目标信息。因此，偏振成像技术在天文探测、生物医学诊断、军事导航、海洋环境探测等领域都有很高的应用价值。例如：在天文探测领域，将偏振成像技术应用于行星表面土壤、矿物、岩石、大气探测，以及行星之间星云状态探测；在生物医学诊断领域，通过偏振成像技术可以对病变部位进行无接触、无痛和无损的检查，特别适用于眼部的检测；在军事导航领域，利用偏振成像技术可以避免大气气溶胶对传统的光电探测系统的影响，进而在导弹制导、保障导弹的精确的方向发挥重要作用；在海洋环境领域，利用偏振成像技术可以实现海面及水下目标的探测和识别。

传统的基于偏振片和玻片的偏振成像系统无法满足目前全偏振、快速测量、小型化和赶稳定性的应用需求。微纳光学为Stokes成像系统提供了新的技术方案，然而已报道的方案严格依赖于微纳结构的精确尺寸。亚波长纳米结构（特别是工作在可见和紫外波段）的精确加工需求接近、甚至超出了现有的加工技术极限，限制了新型Stokes成像系统的开发与应用。在本发明中，重点在于器件结构简单、易于加工制作、器件尺寸小、可集成度高，可实现全Stokes参数测量，通过控制结构单元尺寸，可实现可见光和紫外波段的偏振成像。

发明内容

如上所述，目前已报道的偏振成像系统，由于受微纳加工技术的限制，可见光和紫外波段的偏振光学元件十分缺乏。

为此，本发明的目的在于提供一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件,通过测量可以获得光强、光谱、偏振度、偏振角、椭偏度和旋转方向等信息，通过有效利用偏振矢量信息，可以提高成像分辨率、改善成像质量；同时，具有结构简单、易于制作、集成度高、响应波段可调控，并且能够实现实时全Stokes成像等特点。

本发明的核心是采用偏振响应的微结构，通过测得的不同入射偏振光经过手性微结构后的差异化响应参数，通过机器学习算法，建立偏振响应与入射光Stokes参数之间的一一对应关系，进而实现对入射偏振关偏振态的检测。

为实现上述目的，本发明所设计的基于平面各向异性手性微结构的成像器件，其特征在于：所述的偏振成像器由感光阵列、位于感光阵列上的透明隔离层和位于透明隔离层上的平面各向异性手性微结构层组成；简单的偏振成像器由感光阵列和位于感光阵列上的平面各向异性手性微结构层组成；所述的平面各向异性手性微结构层由超像素单元阵列组成。

所述的超像素单元包括四种微结构阵列，四种微结构阵有以下组合方式：如0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构；或者0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的对映体结构和0°趋向的对映体结构；或者0°趋向的手性结构、45°趋向的对映体结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构。

所述的四种微结构阵列，以手性结构的周期性边界作为横向与纵向，手性结构的趋向是指选择手性一条长边周期性边界作为纵向，三个角度以纵向作为基准，即0°趋向与纵向水平，45°趋向与纵向成45°夹角，90°趋向与纵向垂直，用于同时测量入射光的不同方向的偏振分量。其中，不同手性微结构所占面积的大小由相机像素决定。所述的超像素单元阵列中每个超像素单元的尺寸和周期由探测器的实际像素大小决定。

所述的微结构为平面各向异性的手性结构，破坏光在传播上的对称性，当不同偏振光与各向异性的手性结构相互作用时会产生非常大的吸收差异，从而造成偏振光的差异化响应。

所述的感光元件优先EMCCD和CMOS器件，其具有大量的像元级网格化结构，能将感光面上的光像转化为电信号。其中，超像素单元所包括的四种微结构，每个超像素单元对应至少1个感光单元。

本发明提供的一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件由微结构层、透明隔离层、感光单元和电路组成，其中感光单元和电路可以为成品的成像器件；所述的平面各向异性手性微结构由超像素单元组成；超像素单元包括四种微结构阵列，即：0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构；所述的手性微结构为平面各向异性手性结构；入射不同偏振光与手性结构相互作用会产生不同的响应，从而造成偏振光的透射差异，为Stokes参数检测奠定了基础。

本发明公开的一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，可以实现实时全偏振成像；所述的超像素单元阵列由平面各向异性手性结构组成，对不同的入射偏振光具有不同的响应，同时对入射光有较高的透射率。

本发明公开的一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，具有构简单、易于加工制作、器件尺寸小、可集成度高，能实现全Stokes参数测量等优点。

本发明公开的一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，平面各向异性手性微结构层是由四种微结构阵列组成的超像素单元构成，是现有技术方案中采用的最少种类微结构，有利于提高成像分辨率、降低加工成本和复杂度。

本发明公开的一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，根据手性结构的几何特性，通过精确控制微结构单元尺寸，可实现紫外、可见、红外等波段的偏振成像。

附图说明

图1为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的俯视示意图。

图 2 为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的超像素单元结构阵列示意图。

图3为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的的超像素单元结构阵列正视示意图。

图4为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的单个周期手性结构俯视示意图。

其中，1—感光元件、101—感光单元（像元集）、2—透明隔离层、3—粘合增进层、4—平面各向异性手性微结构、401—0°趋向的手性结构、402—45°趋向的手性结构、403—90°趋向的平手性结构、404—0°趋向的对映体结构，5、6、7与8为一对对映体结构。

具体实施方式

为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。其中，本发明中的附图只展示了超像素单元所包括的四种微结构阵列的一种组合和排列方式，对于权利书中所述的四种微结构间的不同组合和排列方式，均属于本发明所申请的专利范围，在这里未做详细描述。

本发明的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，真正起偏振响应作用的是平面各向异性的手性结构4，由于其具有的各向异性和手性特征，不同入射偏振光经过平面各向异性的手性结构4后测得不同的响应参数。然后，通过机器学习算法，建立偏振响应与入射光Stokes参数之间的一一对应关系，进而实现对入射偏振关偏振态的检测。

如图1所示，为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的俯视示意图；图2为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的超像素单元结构阵列示意图；图3为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的的超像素单元结构阵列正视示意图。如图1、2和3所示，本发明的偏振成像器件包括：感光元件1、透明隔离层2、位于透明隔离层2上的粘合增进层3、位于粘合增进层3上的平面各向异性手性微结构层4。其中，平面各向异性手性微结构4可直接加工于感光元件1表面，也可先加工在透明隔离层2表面后贴附在感光元件1表面。平面各向异性手性微结构4由超像素单元组成，超像素单元包括四种微结构阵列，即：0°趋向的手性结构401、45°趋向的手性结构402、90°趋向的手性结构403和0°趋向的对映体结构404。

所述的感光元件优先EMCCD和CMOS器件，其具有大量的像元级网格化结构，并利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。

所述的平面各向异性手性微结构4为平面各向异性的手性结构，由于其具有各向异性和手性特征保证了微机构对不同偏振光的差异化响应，方便实现Stokes参数检测。所述的平面各向异性手性微结构4由超像素单元组成，超像素单元包括四种微结构阵列；用四种微结构组成的超像素单元阵列，是现有技术方案中采用的最少种类微结构，合理的超像素单元从根本上保证偏振响应与入射光Stokes参数一一对应关系的存在。同时，有利于提高成像分辨率、降低加工成本和复杂度。

在实施例中，偏振响应与入射光Stokes参数一一对应关系，可以通过机器学习的算法得到。特别是当学习的数组（偏振响应参数、入射光Stokes参数）足够多时，简单的函数拟合即可得到偏振响应与入射光Stokes参数的对应关系。

上述技术方案中，所述的感光元件1由EMCCD和CMOS器件组成，具有百万量级或千万量级感光单元101，能探测入射光透过超像素单元的不同响应参数。

上述技术方案中，所述的透明隔离层2为无机氧化物透明隔离层，优选为二氧化硅。其中，二氧化硅材料作为常见的光学材料，制作工艺成熟，价格便宜，光的透过率高。

上述技术方案中，为提高透明隔离层2与平面各向异性手性微结构4之间的紧密性，特在透明隔离层2上沉积一层铬膜，作为粘合增进层3，且厚度为1～5nm效果最佳。

上述技术方案中，所述的平面各向异性手性微结构4为金属或者非金属材料。其中，金属材料的手性微结构具有很强的表面等离子体（SPP）共振，增强偏振光与平面各向异性手性微结构3之间的相互作用，但对光的透过率有一定的限制；非金属材料的手性微结构也可称为介质手性微结构就具有很高的光透过率。

上述技术方案中，所述的平面各向异性手性微结构4由超像素单元组成，超像素单元包括四种微结构阵列，有以下组合方式： 0°趋向的手性结构401、45°趋向的手性结构402、90°趋向的手性结构403和0°趋向的对映体结构404，这种根据Stokes推导公式得出的组合方式，最为适用；或者0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的对映体结构和0°趋向的对映体结构；或者0°趋向的手性结构、45°趋向的对映体结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构。

上述技术方案中，超像素单元包括四种微结构阵列采用的是2*2矩阵形式，此种矩阵排列方式的结构简单、易于加工制作。此外，还具有较为复杂的排列方式为1*4，或者4*1矩阵形式。

上述技术方案中，所述的微结构单元尺寸由大面积的手性结构周期性排列得到，而四个微结构组合构成一个超像素单元，因此超像素单元的尺寸较大，且在微米级以上，而感光元件的尺寸较小，所以每个超像素单元对应至少一个感光元件以上，才能接收到偏振光透过超像元的偏振信息。

图4为基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件的单个周期手性结构俯视示意图，如图4所示，两个长度、宽度和高度均不相同的矩形结构的中心重叠在一起，且当两个矩形结构之间不处于平行或者垂直状态时，便构成了手性结构。其中，当两个矩形结构之间的角度θ为15～75°时，手性效果最佳。

所述的手性结构为周期性排列，在x，y轴方向呈周期性排列,周期为P。同时，在x轴方向、y轴方向和z轴方向几何尺度不同，呈现各向异性（上述的x和y轴为单个周期手性结构的宽度和长度方向，z轴为单个周期手性结构的厚度方向）。

上述技术方案中，所述的平面各向异性手性微结构4由超像素单元组成，超像素单元包括四种微结构阵列，当一束偏振光入射到平面各向异性手性微结构4时，因为包含不同的手性的偏振信息，能产生不同的偏振响应。然后，可以通过机器学习的算法，建立偏振响应参数与入射光的Stokes参数间的一一对应关系式。当建立了偏振响应参数与Stokes参数之间的关系式后，只要测得一偏振响应参数，便可以得到其入射光的Stokes参数，从而实现偏振成像。

需要说明的是，上面所述只简单阐述了本发明的一些原理，对于具体的结构参数未做详细说明。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (8)

1.一种基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，其特征在于：偏振成像器件由感光元件（1）、位于感光阵列上的透明隔离层（2）、位于透明隔离层上粘合增进层（3）的和位于粘合增进层上的平面各向异性手性微结构（4）组成；简单的偏振器件由感光阵列（1）和位于感光阵列上的平面各向异性手性微结构（4）组成中；

所述的平面各向异性手性微结构由手性结构的超像素单元阵列组成，超像素单元由四种微结构阵列组成。

2.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，其特征在于：所述的感光元件（1）由EMCCD和CMOS器件构成。

3.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器件，其特征在于：所述的粘合增进层（3）材料为铬（Cr）,且厚度为1～5nm。

4.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器，其特征在于：所述的平面各向异性手性微结构（4）为金属或者非金属材料。

5.如权利要求1所述的基于平面各向异性微结构的偏振成像器，其特征在于：平面各向异性手性微结构（4）由手性结构的超像素单元阵列组成；超像素单元包括四种微结构阵列，即：0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构。

6.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器，其特征在于：超像素单元包括的四种微结构还包括以下组合方式，如0°趋向的手性结构、45°趋向的手性结构、90°趋向的对映体结构和0°趋向的对映体结构；或者0°趋向的手性结构、45°趋向的对映体结构、90°趋向的手性结构和0°趋向的对映体结构。

7.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器，其特征在于：超像素单元包括的四种微结构中，每个超像素单元对应至少一个感光单元。

8.如权利要求1所述的基于平面各向异性手性微结构的偏振成像器，其特征在于：超像素单元的四种微结构阵列包括以下排列方式：4*1，2*2或1*4矩阵。

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