CN114879297B - 一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其由适度有序偏振响应薄膜层、透明保护层、感光元件组成。该适度有序偏振响应薄膜中包含众多面积和形状随机分布的微区，微区的平均面积大小与单个感光单元相当，且相邻微区大概率具有不同的偏振响应特性。此适度有序偏振响应薄膜可通过微球自组装方法及薄膜沉积技术制备。而后通过将Stokes函数与机器学习等算法相结合，经过算法训练优化获得超像元组，并建立每个超像元的偏振响应与Stokes参数的对应关系；进一步的通过算法优化不同尺寸超像元的成像贡献，从而获得高质量的Stokes参数图像。本发明具有制作简单、成本低、耗时短、高集成度等优点，可以广泛应用于天文学、遥感、医学、军事等领域。

Description

一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件
技术领域
本发明为一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，属于光学器件和微纳光学领域。
背景技术
偏振是光波的一种重要的物理特性，偏振成像技术是检测光的偏振态的一种方式，其将检测对象的偏振信息、空间信息以及光谱信息进行整合，可以有效提高对检测对象的识别能力并获得更为丰富的偏振信息。如传统的光谱和高光谱成像技术提供分子和材料组成的信息，而偏振成像包含关于反应表面的形状和纹理、发光体的方向或各种材料的光学活性的信息且能有效抑制背景噪音的影响，从而提高识别物体的对比度。这些额外的信息导致了偏振成像测量的许多应用，如从天文学和遥感到海洋生物学和医学。
近年来，随着偏振成像技术的快速发展，对偏振成像器件识别目标物的能力提出了更高的要求，如加工成本、分辨率、准确度、集成化等。纳米微结构阵列为偏振检测和偏振成像提供了新的思路。然而现有报道的偏振成像的微结构偏振成像器件需要精确设计结构，并需要对超像元进行精确加工才能满足偏振成像需要。微结构的精确加工大大提升了器件的加工难度、急剧增加加工成本、降低加工效率。本发明展示了一种基于适度有序偏振响应薄膜的Stokes偏振成像器件，其中适度有序偏振响应薄膜中形成的天然微区大概与感光单元相对应，并通过机器学习等算法优化超像元，并最终实现Stokes参数成像。本发明中的适度有序偏振响应薄膜可以在微加工过程中天然形成，无需精确控制，大大降低了器件的实现难度与成本。同时，采用算法构建超像元，还将有效提升Stokes参数成像分辨率。这为偏振检测和偏振成像器件提供了全新的研究方案。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，以实现对未知目标的偏振成像。
一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，包括感光元件、透明保护层和适度有序偏振响应薄膜。
本发明中，所述的适度有序的偏振响应薄膜具有面积和形状随机分布的微区，相邻微区对偏振光的光学响应大概率不同。
本发明中，所述适度有序的偏振响应薄膜与感光元件结合，薄膜中的像素并非一定要与感光阵列中的像素元一一对应，有些大微区覆盖多个感光单元，而有些感光单元对应多个微区。超像元的选择是通过人工智能等算法对每个感光单元的偏振响应大量数据进行训练学习后获得。
本发明中，所述的偏振成像器件借助人工智能等算法获得超像元，并构建每个超像元与Stokes参数之间的对应关系；同时，通过成像算法，将超像元反演的Stokes参数，有机组合成Stokes参数图像。当将未知物体投射到该器件上时，可以立马获取其Stokes参数图像。
本发明所述偏振响应薄膜可以采用微球自组装技术和材料沉积技术加工：即先采用自组装技术将微球单层排列在透明基底上，其中微球直径的变化范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。由于自组装过程的无序性，导致获得微球阵列短程有序、长程无序，即微球这列薄膜中形成了天然随机分布微区，相邻微区间的晶向大概率不同；而后通过角度沉积技术将介质材料沉积在微球阵列表面，其中介质材料可以通过沉积技术多次沉积，沉积厚度范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；多次沉积可以变换不同沉积角度以满足检测需求。材料沉积完成后，微区晶向的随机性导致相邻微区对光感知能力的差异。
本发明中，所述的偏振响应薄膜采用两次不同角度的沉积获得，因此薄膜具有手性光学响应、以及线各向异性，可同时感知位置光中的自旋分量和各向异性偏振分量。所加工薄膜圆二色性在
Figure DEST_PATH_IMAGE003
波长范围内可以达到0.45，圆偏振光透射率在
Figure DEST_PATH_IMAGE004
波段接近80%，取得了较好的技术效果。
本发明中，所述的基底采用石英基底；所述偏振响应薄膜为采用的介质材料为硅，由于硅相较金属透过率高、价格成本低、易加工，有利于提高偏振成像效果。
本发明的有益效果如下：
本发明公开的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件具有加工简单、成本极低、高效稳定，器件结构简单、Stokes参数检测精度高、成像分辨率高等优点。比如Stokes参数检测误差小于1%，超像元最小可由2个像素点组成。
本发明公开的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其薄膜可以由大面积、廉价、便捷的加工技术实现，进而有效拓展器件的工作波段到全波段，比如其它技术无法轻易实现的紫外波段等。
本发明公开的基于微球自组装技术和材料沉积技术的适度有序偏振响应薄膜的加工方法，是一种大面积、廉价、高效的加工方法，可有效降低器件的实现难度、成本，提高器件的实现效率。
本发明公开的基于微球自组装技术和材料沉积技术偏振响应薄膜，有介质微结构组成，其圆二色性在
Figure DEST_PATH_IMAGE005
波长范围内可以达到0.45，圆偏振光透射率在
Figure 301708DEST_PATH_IMAGE004
波段接近80%，取得了较好的技术效果。同时，这些光学特征可以通过采用不同沉积材料、加工参数等在紫外、可见、红外等波段范围内任意调控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明利用自主装技术制备的微球阵列SEM图。
图3（a）为本发明的适度有序偏振响应薄膜的圆二色图，黑色谱线表示左手性结构图，灰色谱线为右手性结构图；其中插图分别为左手性结构SEM图（上）和右手性结构SEM图（下）。图3（b）为圆偏振光入射到介质层上的透射率谱图；其中黑实线为左圆偏振光入射到左手性介质层上的透射率谱；黑虚线为右圆偏振光入射到左手性介质层上的透射率谱；灰实线为左圆偏振光入射到右手性介质层上的透射率谱；灰虚线为右圆偏振光入射到右手性介质层上的透射率谱。
图4展示了4种可以实现适度有序偏振响应薄膜组合方案，图4a是将偏振响应薄膜表面与感光元件表面用一个透明介质相隔开；图4b相比于图4a的区别在于无透明介质间隔层；图4c中采取的是将整个偏振响应薄膜放置于感光元件表面；图4d是直接利用自组装技术在感光元件表面制备偏振响应薄膜。
图5（a）为适度有序偏振响应薄膜提取的3*3个像素元的强度分布图（左），图5（b）为放大图。
图6为本发明实际适度有序偏振响应薄膜图（左）和感光元件图（右），其中薄膜层中每一个像素元与感光元件中的像素元并非一一对应；通过人工智能等算法对每个感光单元的偏振响应大量数据进行训练学习后获得超像元组。
图7为本发明偏振成像器件基于人工智能算法的原理图；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
矩阵中/>
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示入射光的总功率；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示入射线性水平和垂直偏振分量的光强差；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示入射偏振角为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
的线偏振的光强差；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE011
入射左右圆偏光的光强差；图中/>
Figure DEST_PATH_IMAGE012
矩阵表示偏振响应薄膜对于入射光的偏振响应。
图8表示利用机器学习算法训练后，3个stokes参数实际测量值与预测值之间的比较。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施内容，应包括权利要求书中的所有内容。
下面结合附图阐述本发明的实施方式：
如附图1所示，为一种基于适度有序偏振响应薄膜的Stokes偏振成像器件结构示意图，主要由感光元件，在基底上的微球阵列以及微球阵列表面的适度有序偏振响应薄膜组成；适度有序偏振响应薄膜由不同面积及形貌不一的微区组成，即超像元；通过算法优化选取多个成像贡献大者组合作为超像元组，即可得到基于适度有序偏振响应薄膜的Stokes偏振成像器件。
如附图2所示，为本发明所公开的偏振成像器件中的微球阵列SEM图，通过自主装技术制备的大面积的微球阵列，在一个2cm*2cm的透明基片上，其单层微球阵列微区的晶向分布不一，因此形成了不同晶向的像素元。
如附图3所示，为本发明公开的偏振成像器件中周期性适度有序偏振响应薄膜的圆二色性（CD）随波长的变化图，本发明分别测量了左手性适度有序偏振响应薄膜和右手性适度有序偏振响应薄膜的CD，图中二者CD谱线呈现明显的镜像关系且CD可以最大可以达到0.45；适度有序偏振响应薄膜对圆偏振光的透过率最高可以接近80%，这充分体现了该适度有序偏振响应薄膜的优异性。
如附图4所示，展示了4种可以实现适度有序偏振响应薄膜组合方案，图4a是将适度有序偏振响应薄膜与感光元件表面用一个透明介质层相隔开；图4b相比于图4a的区别在于无透明介质间隔层；图4c中采取的是将整个适度有序偏振响应薄膜放置于感光元件表面；图4d是直接利用自组装技术在感光元件表面制备适度有序偏振响应薄膜。
如附图5所示，对适度有序偏振响应薄膜进行光强强度测试，其中任选了3*3个像素元的强度分布，可以看到每个像素元的强度有明显差异，表明本发明获得了较好的成像效果。
如附图6所示，为基于适度有序偏振响应薄膜的Stokes偏振成像器件，左图为实际大面积的适度有序偏振响应薄膜图，其上的每一像素单元并非与感光元件上的像素单元一一对应，而超像元的选择是通过人工智能等算法对每个感光单元的偏振响应大量数据进行训练学习后获得，这有助于提高成像分辨率。
如附图7所示，为基于适度有序偏振响应薄膜的Stokes偏振成像器件的人工智能算法训练原理图，图中对输入的4个stokes参数和获得的偏振响应进行机器学习算法可以得到二者间的关系T,由于输出的偏振响应I可以通过CCD相机测得，所以经过反演计算可以得到任一未知入射光的偏振态。
如附图8所示，为经过机器学习算法训练得到的输入stokes参数的预测值与实际测量值之间的数据图，其中横坐标为115种任意选择的偏振态，纵坐标分别输入偏振态所对应的三个stokes参数，可以看到，预测值和实际测量值非常接近，误差可以控制在1%以内，这证明了我们算法的可行性和精确性。

Claims (8)

1.一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于：该偏振成像器件由位于感光元件(3)上的适度有序偏振响应薄膜(2)以及透明保护层(1)组成；偏振响应薄膜和感光单元能够工作在任意波长或者波段范围内；
所述适度有序偏振响应薄膜是在微纳加工过程中形成的具有众多面积、形状随机分布的微区，相邻微区具有不同的偏振光感知能力，微区的平均面积与相机的感光元件像元大小一样；
所述微纳加工过程为先采用自组装技术将微球单层排列在透明基底上，利用自组装过程的无序性，导致获得微球阵列短程有序、长程无序，即微球阵列薄膜中形成天然随机分布微区，相邻微区间的晶向大概率不同；而后通过角度沉积技术将介质材料沉积在微球阵列表面，采用两次不同角度的沉积获得偏振响应薄膜，薄膜具有手性光学响应以及线各向异性，可同时感知位置光中的自旋分量和各向异性偏振分量。
2.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于：所述适度有序偏振响应薄膜由二维材料、钙钛矿、微米或者纳米颗粒、量子点、人工金属或者介质结构、多轴光子晶体薄膜组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于：所述适度有序偏振响应薄膜中的随机微区在加工过程中随机形成，或者由人工干预形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于：所述适度有序偏振响应薄膜通过微球自组装技术和材料沉积技术相结合的方法制备。
5.根据权利要求4所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于：所述材料沉积技术中使用的蒸镀材料是金或银或Si介质或半导体材料；所述适度有序偏振响应薄膜由平面结构组成或由立体结构构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于:所述感光元件(3)由EMCCD或CMOS器件组成。
7.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于:所述适度有序偏振响应薄膜中的微区单元并非与感光元件中的像素元一一对应。
8.根据权利要求1所述的一种基于适度有序偏振响应薄膜的偏振成像器件，其特征在于:所述透明保护层(1)为玻璃或者石英；所述保护层(1)与适度有序偏振响应薄膜(2)之间、以及适度有序偏振响应薄膜(2)与感光元件(3)之间，填充气体或者填充透明材料或者没有间隙。
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