[發明專利]一種基于光學超表面的多光譜偏振成像系統及方法

有效

• 申請號: 202211432042.3
• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115493694B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 楊青;杜瑋;劉小威;王立強
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02;G01J4/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于光學超表面的多光譜偏振成像系統及方法。該系統包括多光譜偏振成像模塊、成像透鏡和黑白相機。所述多光譜偏振成像模塊由濾光片、矢量衍射超表面結構組合而成。本發明將多光譜偏振成像模塊和成像透鏡組合，將具有不同波長不同偏振態的光信息分區域成像在黑白相機上，通過對相機上的圖像強度數據進行后處理，獲取待測樣品的波長和偏振態信息。本發明可以簡單快捷的實現多光譜和全偏振成像，具有結構緊湊，體積小，獲取待測樣品的成像信息全面的優點。

技術領域

本發明涉及偏振成像領域，尤其涉及一種基于光學超表面的多光譜偏振成像系統及方法。

背景技術

光波具有振幅、相位、偏振、波長等物理特性，獲取目標的偏振和多光譜信息可以對測量的目標有更清晰的認識，比如：物體的表面形貌、特性、材質等，從而實現成像質量的提升。目前偏振成像和多光譜成像在醫療內窺、航天探測、軍事安全等領域有著重要應用。傳統的集成化偏振多光譜成像方法主要有兩種：（1）分時掃描技術，通過旋轉濾光片輪的方式分時對不同偏振態和波長通道進行探測，該方法耗時長。（2）分焦面技術，在像平面上分區域排列不同的偏振和波長探測陣列，從而同時獲得偏振多光譜信息，該方法目前只能獲取代表偏振信息的斯托克斯參量中的前三個參量，偏振信息不全。此外，傳統偏振成像往往需要使用不同的光路，具有頻繁更換光學元件、體積大，結構復雜的缺點。

超表面是人工制作的具有亞波長特征尺度的平面光學元件，可以對電磁波的振幅、相位、偏振等特性進行有效調控，可實現全斯托克斯參量的成像，偏振信息全面。然而，目前已報道的基于超表面的全斯托克斯參量的成像為單一波長工作，丟失了光譜信息。此外，超表面結構具有體積小，質量輕，易集成，可大面積加工的優勢。本發明基于超表面元件，提出了一種可同時獲取多光譜和全斯托克斯參量信息的方法。

發明內容

為了克服現有多光譜偏振成像的不足，本發明的目的在于提供一種基于光學超表面的多光譜偏振成像系統及方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于光學超表面的多光譜偏振成像系統，該系統包括由濾光片、矢量衍射超表面結構組合而成的多光譜偏振成像模塊；所述多光譜偏振成像模塊置于成像系統的光瞳位置；

所述矢量衍射超表面結構采用對不同偏振態光波具有差異化響應的周期單元結構組成，所述濾光片與矢量衍射超表面結構中心對準、貼合，待測樣品經濾光片提取其波長信息，通過矢量衍射超表面結構將具有不同波長不同偏振態的光信息在周期結構的衍射作用下，經由成像透鏡分區域成像在黑白相機上，通過對黑白相機上的圖像強度分布進行數據后處理，獲取待測樣品的光譜和偏振態信息。

進一步地，多光譜偏振成像系統工作模式是透射式或反射式。

進一步地，所述矢量衍射超表面由基底與基底上的納米結構單元形成的周期陣列構成，納米結構具有各向異性，具體是矩形柱、光柵、橢圓孔或橢圓柱結構，對偏振敏感。

進一步地，根據工作模式，所述矢量衍射超表面結構材料分為反射式材料和透射式材料；所述反射式材料為金屬材料，包括鋁、金和銀；所述透射式材料為介質或半導體材料，包括二氧化鉿、二氧化鈦、氮化硅、硅和鍺。

進一步地，所述矢量衍射超表面結構具有寬帶工作特性，通過調節納米結構的幾何尺寸、方向轉角以及在所在周期單元中的相對位置，實現振幅、相位、偏振態的調控；矢量衍射超表面結構的相位編碼方式為迂回相位。

進一步地，所述矢量衍射超表面結構的周期單元結構采用正交排列放置的鋁納米棒周期衍射結構。

進一步地，濾光片可窄帶透過多個波長，通過鍍膜設計成單個濾光片透過多個波段，或將多個不同波長透過的濾光片進行分塊組合實現。

進一步地，使用成像系統對待測樣品進行成像前，需要使用已知多光譜數據和斯托克斯參量數據的標準樣品對各波長通道和各斯托克斯參量的成像強度值進行預標定。