基于超构光栅透镜的单片式偏振相机实现近红外全斯托克斯实时成像

《SCIENCE ADVANCES》：Meta-grating-lens–based monolithic polarization camera

本文报道了一种基于超构光栅透镜（MGL）的单片式偏振相机，解决了传统偏振成像系统视场角（FOV）小、偏振像素粒度粗的难题。研究人员通过将矢量超构光栅与超构透镜功能集成于单层器件，实现了14°大视场、近红外波段实时全斯托克斯（full-Stokes）偏振成像。该MGL器件聚焦效率>60%，零级噪声<3%，在细粒度像素级别同步完成偏振分析、分束和成像功能。这项协同设计为自动驾驶、生物医学诊断乃至紧凑型穆勒矩阵成像系统等应用提供了新方案。

　　

在传统成像技术主要捕捉物体反射或透射光强度的同时，光的偏振状态这一人眼难以感知的特性，却能揭示物体表面纹理、粗糙度乃至三维轮廓等独特信息。这种能力使得偏振成像在低对比度目标探测、生物显微、三维成像和先进天文观测等领域具有不可替代的价值。然而，传统偏振成像技术如分时（DoT）、分焦平面（DoFP）、分振幅（DoA）和分孔径（DoAP）等策略，通常依赖于体积庞大的光学元件和各向异性材料，难以实现系统的小型化和芯片级集成。

近年来，基于超构表面（metasurface）的偏振操控系统展现出革命性潜力，能够将偏振敏感功能集成到超紧凑平台中。特别是单次拍摄即可获取全斯托克斯参数的快照式偏振成像方案，为实时动态场景监测提供了关键优势。但现有策略仍面临诸多挑战：基于超构表面的微偏振器阵列需要与图像传感器像素进行严格对准，制造成本高昂；而基于超构光栅或偏振选择性超构透镜的DoAP系统，要么需要额外的庞大透镜元件，要么将偏振敏感响应分布在不同的空间区域，导致偏振像素粒度粗糙，测量精度受限。

正是在这样的背景下，一项发表于《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）的研究提出了一种全新的解决方案——基于超构光栅透镜（meta-grating-lens, MGL）的单片式偏振相机。该研究通过将矢量超构光栅和聚焦超构透镜的功能融合在单层器件中，成功实现了大视场角（14°）和细粒度偏振像素的集成，为紧凑型高性能偏振成像系统的发展开辟了新道路。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，结合射线追迹优化和穆勒点扩散矩阵（MPSM）设计策略，开发出具有角度鲁棒偏振响应（偏振二色性变化<2%）和低偏振测量误差（<1.32%）的MGL器件。其次，通过矩阵傅里叶光学和琼斯瞳孔函数调控，实现了在入射光瞳处同时操控波前和偏振的统一框架。此外，研究还利用了严格的耦合波分析进行元原子库映射，并通过电子束光刻和干法刻蚀等微纳加工工艺制备了器件。

矢量MGL的概念

研究团队提出的矢量MGL能够在单次测量中直接生成四个偏振分析图像，而无需任何额外的光学元件。该设计的核心在于通过MPSM完全表征成像系统的偏振传递特性。MGL的琼斯瞳孔函数包括偏振相关的项（由空间变化的2×2琼斯矩阵表示）和偏振无关的项（空间变化的振幅和相位项），为在单层超构表面实现高效偏振成像提供了途径。

超构表面偏振相机设计

研究团队将MGL偏振相机的操作波长设定为940纳米，这是当前手机面部识别应用广泛使用的波段。相机由超构表面前的孔径和位于超构表面后焦平面的图像传感器组成。在图像传感器上，四个独立的成像通道（p₁, p₂, p₃, p₄）捕获不同的偏振分析图像。通过优化设计，研究人员实现了平均斯特列尔比（Strehl ratio）为0.71的成像质量，虽然难以达到衍射极限，但已足以满足实际应用需求。

全斯托克斯偏振成像

实验结果表明，该MGL偏振相机能够实现实时、高精度的像素级全斯托克斯偏振成像。研究人员展示了多种应用场景：线性偏振器的成像显示在整个设计视场内具有均匀的偏振分布；聚碳酸酯片在应力作用下的双折射现象清晰可见；塑料瓶底的偏振图像则显示出偏振涡旋轮廓和梯度纹理特征。这些实验不仅验证了相机的性能，还展示了其在应力测量、缺陷检测等领域的应用潜力。

基于MGL偏振相机的面部检测

作为原理验证，研究团队还将该紧凑型偏振相机应用于面部防伪检测。通过比较真人面部和打印图片的偏振成像结果，发现两者在偏振响应上存在显著差异。具体而言，打印攻击目标在融合图像的RGB颜色纹理上表现出统计上的发散分布，χ²距离达到0.9199。这种物理驱动的颜色纹理分析方法利用了固有的材料特异性偏振响应，比传统仅基于强度图像的防伪检测方法更具优势。

研究结论与意义

这项研究成功演示了一种基于矢量MGL的全斯托克斯偏振相机原型，实现了大视场角、细粒度偏振像素和高精度实时偏振成像。该相机不仅解决了传统偏振成像系统在紧凑性和性能上的矛盾，还为多种应用场景提供了新的技术手段。

研究的创新之处在于：首先，通过将矢量超构光栅和超构透镜的功能集成在单层器件中，实现了偏振分析、分束和成像的多功能集成；其次，采用MPSM设计策略和射线追迹优化，保证了器件在整个视场内的性能一致性；最后，通过实际的成像实验和应用演示，全面验证了相机的实用价值。

值得注意的是，该偏振相机生成的高质量偏振图像数据集，可以为计算机视觉任务提供有价值的纹理和材料特征信息。当与人工神经网络进一步集成时，这种混合系统有望提高神经网络训练效率和分类准确性，为在低开销平台上实现稳健的实时推理提供可能。

尽管当前设计在衍射效率和偏振二色性方面仍存在优化空间，但研究人员指出了多条可行的改进路径，包括采用更严格的局部周期性近似理论、高效的形状或参数逆向设计方法等。同时，超构光栅固有的横向色散特性也为光谱偏振成像提供了潜在可能，而消色差超构表面设计则有望进一步拓展其应用范围。

总的来说，这项研究不仅展示了一种新型紧凑偏振相机的设计和实现，更为超构表面在复杂光学系统中的应用提供了重要范例。随着超构表面技术的不断发展和计算视觉技术的进步，这种多功能集成光学器件有望在自动驾驶、生物医学成像、机器人视觉等领域发挥越来越重要的作用。