Science: 矩阵傅里叶光学实现紧凑型全斯托克斯偏振相机

物体的散射偏振光成像提供了获取场景信息的额外自由。传统的旋光仪体积较大并且通常由机械移动部件组成，这限制了场景中光的偏振自由度的提取。近日，来自哈佛大学的研究团队设计了一种基于超表面的全斯托克斯紧凑型偏振相机，不需要引入传统的偏振光学系统，也没有机械移动部件。该成果为偏振成像提供了新的实现途径。

偏振性质描述了光的电场分量振荡的方向。作为电磁辐射的基本性质之一，偏振自由度及其测量与科学研究的许多领域都息息相关。对于成像技术而言，传统相机仅对光学强度很敏感，但是偏振自由度可以揭示其他传统相机看不见的特征。全斯托克斯矢量能够完整的描述光偏振的特性，但该参数需要至少四次单独测量，这导致传统的偏振光学系统体积笨重、依赖于移动部件，并且时间分辨率受限。

近日，来自哈佛大学的研究团队设计了一种基于超表面的全斯托克斯紧凑型偏振相机，研究人员借助于矩阵傅里叶光学处理近轴衍射光学中的偏振。该方法是能够使用单个光学元件并行从而实现多偏振处理。通过设计衍射光栅的衍射级，使其能够作用于任意选择的一组偏振态；而这样一组衍射级的光强由光的偏振决定，使得这些光栅能够适用于全斯托克斯偏振成像。通过优化结构，该衍射光栅可以用介电超表面实现，其中亚波长、各向异性结构在可见光频率下能够实现可调谐偏振控制。值得注意的是，过去的方法依赖于几个单独设计的衍射光栅的交错使用，但是超表面能够通过单个光学元件分析任意一组偏振，从而增加偏振控制器件的灵活性。

这些光栅能够作为全斯托克斯偏振相机，并能够成功采集偏振图像，其中每个像素点都能够采集偏振信息。来自摄影场景的偏振光入射在相机内部的光栅上，偏振信息由特殊设计的亚波长超表面光栅分类并采集；当与成像光学器件（透镜）和传感器组合时，在成像传感器上形成对应于四个衍射级的四个拷贝的图像。这些副本各自有效地通过不同的偏振器，其功能嵌入在超表面中，因此可按像素分析四个图像并在场景上重建四元素斯托克斯矢量。

上图：基于超表面的偏振相机。（A）摄影场景中包含许多传统的基于强度成像的相机不可见的偏振光，这可以揭示许多场景中的隐藏特征。偏振相机利用超表面（插图），根据其偏振引导入射光，形成四个图像副本，从而致力于偏振重建。（B到E）用相机拍摄塑料尺和勺子。（B）单色强度图像没有显示出更多的信息。（C）到（E）图中能够通过偏振成像显示出应力-双折射等偏振信息。

综上所述，超表面能够大大简化偏振光学系统的面积，基于超表面的全斯托克斯偏振相机为偏振成像技术开辟了新的方向。此外，超表面全斯托克斯偏振成像系统没有移动部件，没有大体积的光偏振光学系统，像素点也并不比传统的成像系统复杂很多。这种技术可以在各种应用（遥感，大气科学，机器视觉，甚至车载自动驾驶车辆）中实现偏振成像，从而为未来偏振成像技术开辟了新的途径。

戳“阅读原文”查看英文文献