Ein bioinspirierter CMOS-integrierter Polarisationsbildsensor

Polarimetrische Bildgebung kann Merkmale aufdecken, die für das menschliche Auge und herkömmliche Bildsensoren unsichtbar sind, und sie wird in der modernen Gesellschaft zu einer immer wichtigeren Technik. Herkömmliche polarimetrische Bildgebungssysteme erfordern komplexe optische Komponenten und bewegliche Teile, was eine Miniaturisierung des Systems erschwert.

Die jüngsten Entwicklungen bei optischen Metaoberflächen und Metamaterialien zeigen vielversprechende Fortschritte hin zu wesentlich kompakteren, flexibleren und robusteren Lösungen für die Polarisationserkennung als herkömmliche Techniken. Aktuelle metaoberflächenbasierte polarimetrische Bildgebungsgeräte leiden jedoch unter Problemen in Bezug auf Skalierbarkeit, geringe Bandbreite, geringe Genauigkeit und kleines Sichtfeld. Bisher ist die Demonstration chipintegrierter metaoberflächenbasierter polarimetrischer Full-Stokes-Bildgebungssensoren für sichtbare Wellenlängen noch nicht möglich.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yu Yao von der Arizona State University, School of Electrical, Computer and Energy Engineering, und Mitarbeitern chipintegrierte metaoberflächenbasierte polarimetrische Full-Stokes-Bildgebungssensoren für sichtbare Wellenlängen entwickelt, die von der Gottesanbeterin inspiriert wurden Garnelenauge.

Sie entwarfen zunächst auf Metaoberflächen basierende Hochleistungs-Mikropolarisationsfilter mit hoher optischer Leistung, darunter breitbandige lineare Polarisationsfilter und zweifarbige (grün und rot) chirale Metaoberflächen. Basierend auf diesen Metaoberflächen-Polarisationsfilterdesigns stellten sie ein Mikropolarisationsfilter-Array (MPFA) her, das aus 75,2K-Filtern, also 75,2K Pixeln, besteht.

Anschließend integrierten sie den MPFA per Chip in den Bildsensor und kalibrierten die Sensorpolarisationserkennung mit der Instrumentenmatrix-Kalibrierungsmethode. Mit der Kalibrierung erreichten sie eine hohe Polarisationserkennungsgenauigkeit: Der durchschnittliche Polarisationsmessfehler betrug weniger als 2 % für die rote (630 nm bis 670 nm) und grüne Farbe (480 nm bis 520 nm).

Darüber hinaus stellten sie fest, dass der polarimetrische Bildsensor einen Fehler von weniger als 5 % bei schrägem Einfall von bis zu ±20° für rote Farbe und ±5° für grüne Farbe aufrechterhalten kann. Schließlich demonstrierten sie die vollständige polarimetrische Stokes-Bildgebung an realen Objekten, die für den herkömmlichen Bildsensor bei roter und grüner Farbe mit einer Gesamtbetriebsbandbreite von 80 nm unsichtbar waren.

Anhand der Polarisationsbilder von Objekten stellten sie fest, dass die von diesen Objekten getragenen Polarisationsinformationen farbabhängig sind, was den Vorteil des Betriebs mit zwei Wellenlängen verdeutlicht. Diese Wissenschaftler fassen das Funktionsprinzip ihres polarimetrischen Bildsensors zusammen:

„Der Metaoberflächen-Polarimetrie-Bildgeber nutzte den Ansatz der Raumteilungsmessung, um vollständige polarimetrische Stokes-Bilder in einem Schnappschuss zu erhalten. Außerdem ist das Design des Zirkularpolarisators vom Auge von Fangschreckenkrebsen inspiriert, die den Polarisationsunterschied von Licht sehen können.“

„Wir haben eine künstliche optische Doppelbrechung von Si-Metaoberflächen entwickelt, die ähnlich einer Viertelwellenplatte mit zwei Betriebswellenlängenbereichen funktioniert, und sie auf doppelschichtigen Al-Nanogittern mit einem großen linearen Polarisations-Extinktionsverhältnis gestapelt. Wir haben auch festgestellt, dass sich das zirkulare Polarisations-Extinktionsverhältnis unserer chiralen Metaoberfläche langsam ändert.“ der schräge Einfallswinkel, weshalb unser Sensor in einem weiten Sichtfeld mit hoher Erkennungsgenauigkeit arbeiten kann.“

„Insgesamt zeichnet sich der von uns entwickelte polarimetrische Metaoberflächen-Bildgebungssensor durch hohe Genauigkeit, großes Sichtfeld, hohe Geschwindigkeit (Einzelschussmessung), überlegene mechanische Stabilität, ultrakompakte Grundfläche, Fertigungsskalierbarkeit und CMOS-Kompatibilität aus.“ Erstautor Jiawe Zuo hinzugefügt.

„Unsere Demonstration erwies sich als gangbarer Weg zur Implementierung chipintegrierter polarimetrischer Voll-Stokes-Bildgebungssensoren bei sichtbaren Wellenlängen auf der Grundlage von Metaoberflächen-Gerätekonzepten, die in verschiedenen realen Anwendungen, wie autonomer Bildverarbeitung, industrieller Inspektion, Weltraumforschung, weit verbreitet eingesetzt werden könnten. und biomedizinische Bildgebung“, sagten die Wissenschaftler.