基于可切换二向色性液晶细胞的高空间分辨率偏振成像技术及其生物医学应用

本研究针对传统偏振测量方法空间分辨率低、光损耗高的问题，开发了一种基于二向色性液晶细胞(SDC)和45°扭曲向列相液晶(45TNC)组合的新型偏振成像系统。通过电控切换液晶状态实现斯托克斯参数(S0-S2)的无机械运动测量，在保持相机原生分辨率的同时获得60-80%的高透光率。实验验证了该技术在线性偏振度(DoLP)和偏振角(AoP)测量中的可靠性，并展示了其在三维测绘中的应用潜力，为生物医学成像等领域提供了低成本、高精度的偏振检测方案。

　　

在光学检测领域，光的偏振态作为携带物体表面特性、应力分布等关键信息的载体，长期以来在生物医学检测、环境监测等领域具有重要应用价值。然而传统偏振测量技术面临着一个尴尬的困境：要么牺牲空间分辨率使用微偏振阵列，要么通过机械旋转偏振器降低测量效率，更不用说两者都存在严重的光能损耗问题。这些技术瓶颈使得偏振成像在需要高精度、实时检测的应用场景中难以大展拳脚。

针对这一技术难题，加拿大PATQER Photonique公司与拉瓦尔大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新性研究。他们巧妙利用液晶材料的电控特性，开发出一种无需机械运动、不损失空间分辨率的偏振成像系统。该系统通过二向色性液晶细胞(SDC)和45°扭曲向列相液晶(45TNC)的协同作用，仅需两次电切换即可完成斯托克斯参数的完整测量，在保持相机原生分辨率的同时实现了60-80%的高透光率。

研究团队采用的关键技术包括：1）基于宾主效应的二向色性液晶细胞制备技术，通过掺杂偶氮苯染料分子实现电控弱偏振；2）45°扭曲向列相液晶(45TNC)的精确制备与集成，用于S₂参数测量；3）同步电控切换与图像采集系统，实现毫秒级偏振态检测；4）基于Python的图像处理算法，用于斯托克斯参数计算和偏振特性可视化。

在实验验证部分，研究首先通过标准偏振靶测试验证了系统的可靠性。结果显示，对于不同取向的线性偏振片，系统测量的S₁参数在水平与垂直方向分别获得191±6和-191±6的灰度值，S₂参数在±45°方向测得199±7和-199±7，与理论预期高度吻合。线性偏振度(DoLP)测量值达到244±7（满量程255），偏振角(AoP)测量也准确反映了目标偏振片的取向特征。

1参数图像，(c)S₂参数图像，(d)线性偏振度图像，(e)偏振角图像'>

更令人印象深刻的是，该系统在三维表面形貌检测中展现出独特优势。如图3所示，当检测黑色曲面支架时，传统强度图像难以分辨曲面特征，而基于偏振角(AoP)的成像清晰呈现了曲面几何结构。这一现象源于非垂直入射光的偏振特性改变，验证了该系统在三维测绘中的应用潜力。

研究讨论部分指出，相比索尼IMX250等微偏振阵列传感器，该技术具有三大显著优势：完全保留相机的原生空间分辨率、显著提高的光能利用率（透光率提高30%以上），以及潜在的低成本优势（可利用成熟液晶显示生产线制造）。虽然目前采用分时测量模式，但毫秒级的响应速度已能满足多数应用场景需求。

这项研究的意义不仅在于提供了一种新型偏振检测方法，更重要的是为生物医学成像、机器人视觉等领域开辟了新思路。例如在组织病理检测中，高分辨率的偏振成像有助于更准确识别病变区域；在手术导航系统中，实时偏振检测可提供组织表面应力分布信息。随着液晶材料与驱动技术的持续进步，这种基于电控弱偏振原理的检测方案有望成为下一代偏振成像设备的标配技术。