CN114578577A - 一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振‑光谱成像装置，基于单片式全介质空间复用超透镜(SMM)的宽带高集成度的单片式全斯托克斯偏振‑光谱(FSPS)成像技术。SMM由三组空间复用离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，分别同时对三个正交偏振基工作。每个子超透镜的有效孔径只有整个全口径超透镜的1/3，并以稀疏孔径的方式排列形成整个SMM，每个子超透镜的光学分辨率达到全口径超透镜的衍射极限，线偏振光和圆偏振光的平均偏振消光比以及全斯托克斯参数(S₁、S₂和S₃)的平均误差分别达到32.8：1和6.1％。所制备的SMM的能量效率在设计波长处达81.8％，在300nm带宽内平均达到60％，打破传统基于偏振器的偏振成像方法50％的限制。

Description

一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏 振-光谱成像装置

技术领域

本发明涉及偏振和多光谱成像领域，尤其涉及一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置。

背景技术

与传统的强度成像相比，全斯托克斯偏振和多光谱成像由于可以获得物体表面细节和材料组成等更丰富的信息而受到广泛关注，已成功应用于遥感、生物、医学等领域。传统的偏振/光谱成像系统采用分离和体积庞大的组件来实现不同偏振态/光谱成分的获取，导致系统体积大，响应慢，并且通常很难将偏振成像和光谱成像这两种功能结合到一个系统中。受益于纳米技术的进步，具有优异的性能和易于集成的优点的各种超表面被应用于平面成像、获取偏振/光谱成分等领域，例如超透镜成像，手性圆偏振成像，偏振控制/转换和检测，以及光谱操控。基于微/纳米结构超表面的像素式偏振或多光谱成像(即焦平面分割，DoFP，Division of Focal Plane)技术已经有了广泛的研究，其中像素式线偏振器和圆偏振器或彩色滤光片被直接集成到电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)上。Shogenji等人提出了一种像素式的多光谱成像系统，其中采用集成了多个干涉滤光片阵列的CMOS，实现了7个可见光光谱通道。此外，由于光谱透射率的窄带宽，硅纳米线和银纳米立方体作为滤光片也被应用于多光谱成像中。1999年，Nordin等人提出了一种像素式偏振成像系统，将多个不同取向的像素式纳米线栅直接集成在CCD上，以提取不同方向的线偏振信息。在线偏振成像基础上，通过在线偏振器件中加入圆偏振器件，像素式全斯托克斯偏振成像系统得到了进一步的发展，其中圆偏振器可以通过线性偏振器加双折射波片(如液晶)或线性偏振器+硅纳米结构超表面实现。但是此类方法需要多层结构和复杂的套刻制备过程。在近红外波段，一种集成了具有圆偏振二向色性Z形手性纳米结构和各向异性纳米光栅的单层像素式超表面被用于全斯托克斯偏振成像，其中不同的圆偏振信息是从二维Z形纳米结构的固有手性中获得的。然而，在所有上述像素式DoFP方法中，光学分辨率受到CCD像素数量的显著影响，原因在于总像素被分配到了不同的偏振态或光谱成分的图像中，其中光学分辨率、光谱分辨率和偏振态分辨率三者之间存在权衡。并且，由于所采用的偏振器的固有特性，这些系统中的能量效率也限制在50％，其中非偏振光入射到对应于特定偏振分量(无论是线性偏振(LP，Linear Polarization)还是圆偏振(CP，Circular Polarization))的偏振器上的透射率为50％。此外，受限于偏振器(特别是圆偏振器)的带宽，这些全斯托克斯偏振成像器件的工作带宽通常很窄，原因在于波片的相关相位延迟或纳米结构的共振是与波长紧密相关的。2018年，一种超像素式的全斯托克斯成像超表面被提出以取代上述DoFP方法中的像素化偏振器件。入射到超表面每个像素上的两个正交偏振态光波可以同时被聚焦到两个方向的、不同的CCD像素上，避免了其中一个偏振态的能量损失。然而，每幅偏振图像的光学分辨率仍然受到分配的CCD像素总数的限制。

近年来基于超表面的集成了双功能的偏振-光谱测量技术也得到了广泛研究。一种由不同尺寸金属纳米块并排而成的反射式多单元等离激元超表面被用于实现全斯托克斯偏振和光谱检测，其中具有不同偏振态的入射光被不同的子单元反射到不同的空间位置，由于离轴色散，光谱信息可以同时获得。值得注意的是，由于纳米块的不同排列产生不同的局部等离激元相位，不同偏振态的光波被不同的子单元反射，这与DoFP成像方法中基于偏振器有着本质的区别。不过这种方法存在金属的固有损失，并且由于反射设计，难以将超表面与CCD或COMS集成。2016年，具有成像能力的多光谱手性超透镜被用于可见光波段的圆偏振-光谱成像。超透镜由两组以Pancharatnam-Berry相位(几何相位)方式排列的TiO₂纳米柱阵列组成，其中一套TiO₂纳米柱阵列对右旋圆偏振(RCP，Right-handed CircularPolarization)光波工作，另一套TiO₂纳米柱阵列对另一个圆偏振光波(即左旋偏振，LCP,Left-handed Circular Polarization)工作。因此，来自物体的带有RCP或LCP分量的光被成像到不同的设计位置。由于超透镜的色散，不同波长的光谱图像同时形成在相应的像平面上。一项类似的技术在波长405nm处得到了验证，但仅适用于线性偏振。四组TiO₂纳米柱阵列排列在偏振多焦点轴锥超透镜中，分别对0°、45°、90°和135°四种线性偏振光波工作。这些工作是为圆偏振或线偏振分量设计的，由于所用纳米结构的机理限制，能量效率也被限制在50％。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：单片式全介质空间复用超透镜(SMM)由三组空间复用离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，三组所述子超透镜分别同时对三个正交偏振态基工作；任一所述子超透镜的有效孔径为整个SMM的1/3，三组所述子超透镜以稀疏孔径的方式排列形成SMM。

本发明一个较佳实施例中，所述SMM由生长有单晶Si的蓝宝石晶片上旋涂电子束抗蚀剂薄膜制备。

本发明一个较佳实施例中，所述电子束抗蚀剂薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。

本发明一个较佳实施例中，所述电子束抗蚀剂薄膜中的超透镜图案通过电子束曝光制备。

本发明一个较佳实施例中，所述SMM上的Si纳米柱图案在C4F8、SF6和O2的混合气体中通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻获得。

本发明一个较佳实施例中，三组所述子超透镜分别同时对0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP正交偏振基工作。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

本发明中每个子超透镜的光学分辨率均达到整个全孔径超透镜的衍射极限，线偏振光和圆偏振光的平均偏振消光比和全斯托克斯参数(S₁、S₂和S₃)的平均误差分别达到32.8：1和6.1％。所制备的SMM的能量效率在设计波长处达到81.8％，在整个300nm带宽内平均达到60％，打破了传统基于偏振器的偏振偏振成像方法50％的限制。本发明能够提供高效、高分辨率的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像和多通道信息处理方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明的优选实施例使用FSPS-SMM进行偏振-光谱成像的物像关系；

图2是本发明的优选实施例的空间复用FSPS-SMM的俯视图，包含三个子超透镜，每个子超透镜按照12个扇形的组成稀疏孔径，并旋转交织组成整个SMM；

图3是本发明的优选实施例像平面上不同偏振态和波长的图像位置，光谱图像“A”由不同的颜色表示；

图4是本发明的优选实施例的矩形和椭圆形硅纳米柱的晶胞示意图；

图5是本发明的优选实施例的不同偏振态的物像关系和像平面上像位置；

图6是本发明的优选实施例的全孔径、稀疏孔径和等效小孔径透镜的沿x轴MTF强度分布；

图7是本发明的优选实施例的对应于三对偏振态(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子透镜的相位分布；

图8是本发明的优选实施例的矩形Si纳米柱的3D图和俯视图；

图9是本发明的优选实施例的椭圆Si纳米柱的3D图和俯视图；

图10是本发明的优选实施例的在不同波长下，实验的PSF及其与理论的比较；第一行：理论，第二行：实验，第三行：沿x轴的强度分布；

图11是本发明的优选实施例的USAF分辨率测试板第4组的实验图像；

图12是本发明的优选实施例的USAF分辨率测试板第5组的实验图像；

图13是本发明的优选实施例制备的FSPS-SMM在波长1550nm下使用不同偏振态光波入射的实验PSF；

图14是本发明的优选实施例的在1400nm至1700nm的波长范围内测量斯托克斯参数，步长为50nm；

图15是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM的ER；

图16是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM的三个子超透镜的实验衍射效率；

图17是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM在0°线偏振入射光下的实验色散曲线；

图18是本发明的优选实施例整个超透镜的光学显微镜图像；

图19是对应于0°/90°线偏振的子超透镜的30°视角的SEM图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；

图20是对应于45°/135°线偏振的子超透镜的30°视角的SEM图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；

图21是对应于RCP/LCP的子超透镜的30°视角的图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；

图22是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的矩形Si纳米柱的透射系数和相移；

图23是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的椭圆Si纳米柱的透射系数和相移；

图24是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的矩形Si纳米柱中磁场的归一化强度分布图，白色虚线是Si纳米柱的边界；

图25是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的椭圆Si纳米柱中磁场的归一化强度分布图，白色虚线是Si纳米柱的边界；

图26是本发明的优选实施例在不同椭圆偏振态和不同波长入射，由制备的FSPS-SMM对莲花目标成像的全斯托克斯图像；

图27是本发明的优选实施例在1400-1700nm的波长范围内，制备的FSPS-SMM对水膜覆盖的莲花目标产生的光谱强度图像；

图28是本发明的优选实施例制备的FSPS-SMM在不同波长下对的熔融石英块(左)和钢尺(右)组合生成的全斯托克斯图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，单片式全介质空间复用超透镜SMM由三组空间复用的离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，分别同时对三个正交偏振基(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)工作。每个子超透镜的有效孔径只有整个超透镜的1/3，并以稀疏孔径的方式排列形成整个SMM，因此每个子超透镜的光学分辨率达到整个全口径超透镜的衍射极限。物体发出/反射的不同偏振态的光波(波长为设计波长)被三组子超透镜同时成像在设计的像平面上，由于子透镜离轴的设计带来的固有色散，不同波长的光波同样会成像在相应的不同位置上从而形成光谱图像。

图1给出了所提出的使用空间复用超透镜的全斯托克斯偏振-光谱图像系统的示意图。来自物体“A”的三对正交偏振态(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的光波同时在设计的像平面上分别成像，由于离轴SMM的固有色散，不同波长的光谱图像同时在成像相应的像平面，如图3所示。图像“A”中使用的颜色代表不同的波长。对应于三对正交偏振态(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子超透镜具有相同的焦距但不同的离轴方向，并旋转交织形成整个SMM，如图2所示，其中每个子超透镜为由12个扇型组成的稀疏孔径超透镜。尽管每个子超透镜的有效面积仅为整个孔径的1/3，但是每个子超透镜的光学分辨率仍然等于整个全孔径超透镜的光学分辨率，使得空间复用的稀疏孔径设计实现了高光学分辨率成像，这对所有那些传统的像素式DoFP偏振/光谱成像方法具有明显的优势。每个子超透镜的晶胞结构是由简单的椭圆或矩形硅纳米柱实现的，每个硅纳米柱具有单独设计的不同尺寸、方位角和相同的高度，从而实现同时对一对正交偏振光波的相位的独立调控。每个子超透镜都具有高的效率，因为一对正交偏振光波都可以同时被成像到像平面上。在传统的偏振成像器件中，一对正交偏振光波中只有某一个偏振态可以透射，而另一个被反射掉，即能量效率最高为50％。本文中，一对正交偏振光通过离轴设计的SMM在空间上被同时分离成像，即两个正交偏振态可以同时聚焦或成像到像平面上的不同位置。每个子超透镜的设计原理是基于入射光与纳米结构的相互作用，即同一个纳米结构上对不同偏振态光波在透射或反射光波中产生不同的振幅、相位和偏振调制。在所提出的FSPS-SMM设计中，对每个子超透镜的晶胞中的硅纳米柱(即椭圆形或矩形)的几何形状、尺寸和方位角分别进行独立设计。图4显示了所提出的FSPS-SMM的晶胞中典型的Si纳米柱(即矩形和椭圆形)的3D示意图。

图5说明了FSPS-SMM的详细成像原理，其中超透镜孔径为1.26mm，焦平面为z＝20mm。位于坐标O(x_o＝0,y_o＝0,z_o＝-100mm)处的物体发出的三对正交偏振光被SMM同时成像在像平面的六个不同位置Im_n，其坐标分别为(x_im,n,y_im,n,z_im,n＝25mm)。z_im,n＝25mm为像平面，是通过透镜物像关系公式获得的。下标“n”代表不同的偏振态(n＝0°、45°、90°、135°、RCP和LCP，分别)。本文中，六个成像位置的坐标分别为：Im₀＝(25tan15°,0,z_im,0＝25mm),Im₄₅＝(25tan15°cos120°,25tan15°sin120°,z_im,45＝25mm),Im_RCP＝(25tan15°cos60°,25tan15°sin60°,z_im,RCP＝25mm),Im₉₀＝(-25tan15°,0,z_im,90＝25mm),Im₁₃₅＝(25tan15°cos300°,25tan15°sin300°,z_im,135＝25mm)和Im_LCP＝(25tan15°cos240°,25tan15°sin240°,z_im,LCP＝25mm)，其中15°为成像位置的离轴角(α，如图5)。在设计波长λ₀＝1550nm下，每个离轴子超透镜所需的相位分布ψ(x_n,y_n,0)可以通过下式计算

其中坐标(x_n,y_n,0)是超透镜平面中的任意一点，下标“im”表示像点。

图6显示了全孔径、稀疏孔径和等效小孔径沿x轴MTF分布，其中小孔径超透镜的面积与稀疏子超透镜中具有纳米结构的总面积相同，即等效直径为0.7275mm。可以看出，稀疏孔径的空间截止频率与衍射极限处的全孔径相同，约为36lp/mm，而等效小孔径超透镜的MTF在～22lp/mm处截止，稀疏孔径排列的光学分辨率相较于等效小孔径提高了1.64倍。虽然稀疏孔径的MTF值低于全孔径，如图6，但稀疏孔径的MTF是连续的，在整个频率范围内没有零点，这意味着高分辨率图像可以通过复原方法获得，且不会造成大量信息损失。稀疏孔径设计的每个子透镜的有效面积仅为全孔径的1/3，这表明高度集成的空间复用超表面具有在高光学分辨率方面的潜在应用。对应于三对偏振光波(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子超透镜的相位分布如图7所示，由式1分别计算得出，并旋转交织以形成所提出的整个FSPS-SMM。

图7中所示的三对正交偏振态相对应的FSPS-SMM的相位可以通过位于蓝宝石(Al₂O₃)衬底上的具有尺寸和方位角梯度分布的Si矩形或椭圆形纳米柱阵列来实现，如图8和图9所示。Si纳米柱的方形晶格周期和高度分别为P＝700nm和H＝1500nm。在0°和90°线偏振平面光波(设计波长1550nm)入射下，不同尺寸(l_x和l_y)的矩形和椭圆形Si纳米柱相应的透射系数(t₀＝|E_out,0/E_in,0|和t₉₀＝|E_out,90/E_in,90|,)和相应的相移(

和

)通过有限差分时域方法(FDTD Solutions,Lumerical ofCanada)计算得出。3D FDTD仿真模型由半无限厚的Al₂O₃衬底和矩形或椭圆形(高度H＝1500nm)的Si纳米柱组成，如图8和图9所示。其中周期设置为P＝700nm，沿z方向的设置为完美匹配层，和沿x和y方向设置为周期性边界条件。将波长为1550nm的x-或y-线偏振平面波光源放置在Si纳米柱的上方，其传播方向朝向Si纳米柱。Si和Al₂O₃的折射率由软件数据库(Palik)中给出的。进一步，通过透射系数和相移可以得到方位角为0°时的矩形和椭圆形硅纳米柱的琼斯矩阵T，如下式(2)所示

如图22和图23所示，矩形(图8)或椭圆形(图9)Si纳米柱的不同尺寸不仅可以实现高透射系数，更重要的是，对于0°和90°线偏振光均可以实现多个全覆盖0-2π的相位调控。这意味着每个Si纳米柱可以作为一个局部各向异性“波片”，并为所提出的FSPS-SMM的设计提供素材。纳米柱的相位调控机制源于硅纳米柱内不同的类波导模式，这取决于硅纳米柱的几何形状和尺寸。在0°和90°线偏振光入射下，图24和图25分别显示了在设计波长1550nm的不同尺寸的矩形(图8)和椭圆形(图9)Si纳米柱的晶胞内磁场强度的归一化分布，其中白色虚线是Si纳米柱的边界。从图24和图25可以看出，这些磁场沿z轴显示出不同的归一化强度分布，并且被限制在不同尺寸的Si纳米柱内，沿y轴和z轴的磁场的各向异性特征可以在0°和90°线偏振光入射的不同的类波导模式中也可以看到。

基于不同尺寸和形状的Si纳米柱对不同入射偏振态的不同的透射系数和相位响应，同时对任意一对正交偏振光工作的高效SMM可以被设计，如0°/90°线偏振、45°/135°线偏振和左/右旋圆偏振。如图22和图23所示，对应于一对正交0°/90°线偏振光的相位调控是不同的，并且可以由一个Si纳米柱实现同时独立调控，这意味着对一对正交线偏振光同时工作的离轴高效子超透镜的两个偏振态对应的相位分布ψ(x,y)，可以由一套纳米结构产生的两个独立相位调控实现。所需相位ψ(x,y)与Si纳米柱的结构尺寸之间的映射关系可以在图22和图23的数据库中选择。将Si纳米柱阵列旋转到特定的方位角(θ)，可以很容易地实现对应于其他对正交线偏振光的子超透镜(即光的线性偏振方向和Si纳米柱的方位角相同，例如本文中的45°/135°)。

通过调控每个单独的Si纳米柱的尺寸/形状和方位角，Si纳米柱也可以实现同时对一对正交圆偏振光(通常为椭圆偏振(EP，Elliptical Polarization))的高效和独立调控，其中每个Si纳米柱的方位角为椭圆偏振光的调控提供了新的自由度。同时独立对一对正交椭圆偏振光调控的机理可以通过纳米结构与入射偏振态的相互作用来理解。对于具有旋转方位角(θ)的无损纳米柱，如图8和图9所示，琼斯矩阵M可以写为

其中T和R(θ)表示旋转方位角为0°的纳米柱的琼斯矩阵和方位角为θ的旋转矩阵。在一对正交椭圆偏振光(

和

)入射下，由纳米柱调控的所需的一对正交透射光(

和

)可以写为

其中上标“T”表示转置。在无损和正交条件下，式4中的矩阵M是酉矩阵。为了求解式4(即得到纳米柱的琼斯矩阵M)，式4可以改写为非齐次线性方程组Am＝b的形式，如下

在正交条件下，式5是可解的，并且由于所提出的Si纳米柱的对称几何形状(即矩形和椭圆形)，所以矩阵M是对称的酉矩阵(即M₁₂＝M₂₁)。因此矩阵M是可以对角化并分解为矩阵R(θ)、T和R(-θ)。因此，理论上，一对任意正交偏振入射光(E_in ¹和E_in ²)可以被设计的纳米柱转换成一对具有独立相位调控(即

和

)的正交偏振光。纳米柱的相应琼斯矩阵T和旋转矩阵R(即方位角θ)可以通过正交入射光(E_in ¹和E_in ²)和所需的透射光(E_out ¹和E_out ²)来计算。基于上述原理，同时对一对正交圆偏振光(即RCP和LCP)工作的高效子超透镜所需要的两个独立的离轴相位分布ψ(x,y)也可以通过一套纳米结构实现。如上所述，具有同样尺寸和旋转角度的纳米柱将对LCP和RCP入射产生不同的相位响应。因此，子超透镜不同位置处的RCP和LCP分别所需的不同相位可以通过设计同一个纳米结构的尺寸和旋转角度的来实现。所需的琼斯矩阵T与纳米柱结构尺寸的映射关系可以在数据库中选择，方位角θ可以通过旋转矩阵R计算。

实施例：

超透镜的制备和成像：

实验制备了所提出的高度集成的空间复用FSPS-SMM的透镜参数为：直径1.26mm，焦平面z＝20mm，并进行了相应的实验证明。在生长有1500nm单晶Si的蓝宝石晶片(SOS)上旋涂(4000r/min)约200nm厚的电子束抗蚀剂(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA，PolymethylMethacrylate)薄膜。PMMA中的超透镜图案是通过电子束曝光(EBL,Electron BeamLithography)在10kV电压和24.3pA电流下以130μC/cm²的剂量制备的。PMMA在IPA:DI(3:1)中显影100s，并通过电子束蒸发沉积40nm厚的硬蚀刻膜(铬，Cr)，然后通过Lift-Off步骤获得硬蚀刻掩模。Si纳米柱图案是在C₄F₈(80sccm)、SF₆(60sccm)和O₂(5sccm)的混合气体中通过电感耦合等离子体(ICP，Inductive Coupled Plasma)蚀刻获得的，ICP功率为800W，RF功率为35W，刻蚀时间为150s。最后，通过铬蚀刻液去除Cr硬掩模后得到Si超透镜。图18-图21显示了整个FSPS-SMM的光学显微镜图像和FSPS-SMM在不同扇区的扫描电子显微镜(SEM，Scanning Electron Microscope)图像。图19、图20、图21显示了分别对应于0°/90°、45°/135°线偏振和RCP/LCP的三个子超透镜的放大的30°视图和俯视图(插图)SEM图像，其中白色箭头对表示正交偏振态。

为了验证制备的FSPS-SMM的高分辨率特性，测量了FSPS-SMM在不同波长下的PSF(采用0°线偏振光入射)，并与理论值进行了比较。图10显示了在1400nm到1700nm的不同波长下的实验PSF和沿x轴的PSF强度分布及其与理论值的比较(T：理论；E：实验)。实验PSF图像是在对应于不同波长的焦点处捕获的。在图10中可以看出，由制备的FSPS-SMM成像的所有实验PSF都与理论计算非常吻合。图11和12显示了由制备的FSPS-SMM成像的美国空军(USAF)分辨率测试板的实验图像，这些图像是经过交替方向乘子算法(ADMM，AlternatingDirectionMethod ofMultipliers)复原的图像。实验中使用USAF分辨率测试板中第4组的第3部分到第6部分和第5组的第1部分到第2部分，两条相邻的白/黑线之间的距离分别为49.6μm、44.2μm、39.4μm、35μm，31.2μm和27.8μm。在图12中可以看出，通过制备的FSPS-SMM成像的第5组的第1部分可以被分辨，这非常接近整个全孔径超透镜的衍射极限(31.1μm@1550nm，直径＝1.26mm，焦点平面z＝20mm，离轴距离＝5.44mm，1.22×λ/2/NA)，明显高于等效小孔径超透镜的衍射极限(53.7μm@1550nm，等效直径0.73mm)。

图13显示了入射波长为1550nm时，制备的FSPS-SMM对六个不同偏振态(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)入射光产生的PSF。正如预期的那样，接近零的PSF出现在相对于入射光是正交的偏振态所对应的位置，如图13中，在0°线偏振光入射时，在90°线偏振对应的成像位置处，PSF接近0。在1400nm到1700nm的波长范围内，相应的斯托克斯参数被计算并绘制在图14中，波长步长为50nm。斯托克斯矢量S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]定义为S₀＝I₀+I₉₀＝I₄₅+I₁₃₅＝I_RCP+I_LCP,S₁＝I₀–I₉₀,S2＝I₄₅–I₁₃₅和S₃＝I_RCP–I_LCP。其中，I₀、I₉₀、I₄₅和I₁₃₅代表沿0°、90°、45°和135°方向的线偏振分量强度，I_RCP和I_LCP分别是RCP和LCP分量的强度。通常，S₁、S₂和S₃的分量被S₀归一化，使得它们的值在-1和+1之间变化。可以看出，S₁、S₂、S₃在工作波段的平均测量误差分别仅为6.5％、6.7％和5.1％。图15显示了制造的FSPS-SMM的偏振消光比(ER，Extinction Ratio)，线偏振和圆偏振光的平均ER分别为～29:1和～39:1。ER定义为在某一特定偏振态光波入射时，制备的FSPS-SMM调制到该偏振态对应的位置和其正交偏振态对应位置的光强之比：ER_m＝I_m/I_m,正交，其中m代表六个入射偏振态。从图14和图15可以看出，由于所提出的超透镜的具有宽带响应，可以在覆盖300nm的宽带波长范围内实现全斯托克斯参数的高测量精度和高消光比。图16显示了在不同偏振光入射下，制备的FSPS-SMM的三个子超透镜的实验衍射效率，波长范围为1400nm至1700nm，步长为50nm。子超透镜的衍射效率定义为两个正交偏振态的两个指定位置处的衍射光总能量与非偏振入射总能量(即一对正交偏振态)的总能量之比。从图16可以看出，在设计波长处衍射效率达到81.8％，线偏振和圆偏振光的平均衍射效率分别为56.2％和67.5％，克服了传统基于偏振器的斯托克斯偏振检测方法的50％理论限制。0°线偏振光入射情况下的实验色散曲线(即焦距随波长偏移)如图17所示，其中焦距计算公式为(x_im,0 ²+y_im,0 ²+z_im,0 ²)^1/2。应该注意的是，色散能力随着离轴角α的增加而增加，这表明使用所提出的FSPS-SMM可以应用多光谱图像。

全斯托克斯偏振-光谱成像可以由制备的FSPS-SMM实现，其中以透射式莲花靶标为成像对象，由波长为1400nm、1550nm和1700nm的三种不同偏振态的平行光照明，如图26所示。在图5所示的像平面上得到6个偏振态对应的6幅图像，然后可以计算出实验图像的全斯托克斯参数(S₀、S₁、S₂、S₃)，如图26。基于实验测量的斯托克斯参数(S₁、S₂、S₃)，可以进一步绘制相应的偏振椭圆并将其与入射光的偏振椭圆进行比较(图26中的第三行)。可以看出，测量的全斯托克斯参数非常接近入射光的全斯托克斯参数(图26第三行中的深色和浅色条)，随后，相应的偏振椭圆几乎与入射的偏振椭圆一致，包括偏振手性。S₁、S₂、S₃在不同波长处的平均测量误差分别仅为9.1％、8.5％和6.4％。在非偏振光入射下，制备的FSPS-SMM的光谱成像特性也以具有特定光谱吸收特性的目标进行了实验证明，如图27所示。其中，具有光谱吸收特性的目标为均匀覆盖了一层水膜(厚度～400μm)的透射式莲花靶标。实验图像是在不同波长对应的焦点处拍摄的。由制备的FSPS-SMM测得的水膜覆盖的莲花靶标的透过率是拍摄的每幅图像的归一化平均强度(图27中的浅色线)，并与用功率计直接测量的透过率进行比较(深色线，即直接测量入射光通过水层覆盖的莲花靶标的透射率)。可以看出，两种测量结果非常一致，并且在1450nm波长处的透射率均下降，这与水分子中羟基的强吸收一致。

在非偏振光照射下，通过制备的FSPS-SMM在1400nm、1550nm和1700nm三个波长下，拍摄了熔融石英块和钢尺组合(斜入射照明，～40°)近镜面反射的高分辨率全斯托克斯图像如图28所示。从图28可以看出，在非偏振光照射下，S₀是一个强度图像，熔石英块和钢尺的图像强度没有本质区别。但是S₁分量出现明显的对比，其中熔石英和钢尺的图像显示出巨大的强度差异。差异来源于不同的材料成分(即二氧化硅和钢)对非偏振光的反射/散射后偏振态的差异。值得注意的是，熔石英和钢的布鲁斯特角分别为～56°和～82°。因此，来自熔石英的反射/散射光表现出强烈的线性偏振特性，而从钢尺反射/散射的光由于与布鲁斯特角的较大偏差而基本上没有表现出偏振行为。值得注意的是，钢尺上的数字“1”也与钢尺的其他部分形成了鲜明的对比，因为数字“1”实际上是刻在钢上并被黑色油漆覆盖的。来自数字“1”的反射/散射光也显示出强烈的线性偏振，这导致S₁图像中强度很大。在布鲁斯特角的入射/反射情况下，反射光接近纯的90°线偏振光的，导致代表45°和135°之间差异的S₂图像显示出相似的强度，其原因来源于90°线偏振到45°和135°方向的投影相等。S₃图像显示与S₂相似的行为，因为熔石英和钢尺在纹理或分子结构上都没有手性，这导致RCP和LCP成分之间没有明显的区别。

本文提出了一种工作波长范围从1400nm到1700nm的基于单片式宽带全介质空间复用超透镜的全斯托克斯偏振-光谱成像技术。与所有报道的传统的低光学分辨率和低能量效率的单功能全斯托克斯偏振或单功能多光谱成像方法相比，所提出的单片式全斯托克斯偏振-光谱成像技术通过单套纳米结构实现对任意一对正交偏振光的独立调控，避免了传统方法中50％的能量损失和多种纳米结构组合的要求。高分辨率全斯托克斯图像是通过空间复用稀疏孔径超透镜获得的，其中三组子超透镜对应三对正交偏振态，并旋转交织组成整个超透镜。每个子超透镜的光学分辨率达到整个全孔径超透镜的衍射极限，虽然每个子超透镜的有效面积仅为整个超透镜的1/3。线偏振和圆偏振光波的平均偏振消光比和全斯托克斯参数(S₁、S₂和S₃)的平均误差在整个波段(300nm)分别达到32.8:1和6.1％。所制造的FSPS-SMM的能量效率在设计波长处达到81.8％，在整个300nm带宽内平均达到60％，打破了传统基于偏振器的方法50％的限制。不同材料的真实物体在不同波长下的全斯托克斯图像进一步证明了制造的FSPS-SMM在高分辨率成像和目标识别方面的优异性能。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：

单片式全介质空间复用超透镜(SMM)由三组空间复用离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，三组所述子超透镜分别同时对三个正交偏振基工作；

任一所述子超透镜的有效孔径为整个SMM的1/3，三组所述子超透镜以稀疏孔径的方式旋转交织排列形成SMM。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：所述SMM由生长有单晶Si的蓝宝石晶片上旋涂电子束抗蚀剂薄膜制备。

3.根据权利要求2所述的一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：所述电子束抗蚀剂薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：所述电子束抗蚀剂薄膜中的超透镜图案通过电子束曝光制备。

5.根据权利要求2所述的一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：所述SMM上的Si纳米柱图案在C₄F₈、SF₆和O₂的混合气体中通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻获得。

6.根据权利要求1所述的一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：三组所述子超透镜分别同时对0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP正交偏振基工作。

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