基于超构表面的单次曝光偏振成像系统设计

物体散射光的偏振提供了一个信息宝库。然而，对这种偏振进行成像的技术经常被忽视，因为其很难在实验室环境之外实施。美国哈佛大学的研究人员通过开发一种基于Mueller矩阵成像技术的紧凑型单次曝光（single-shot）偏振成像系统解决了这个问题。新系统采用纳米工程超构表面（metasurfaces）取代了传统偏振成像系统中的许多光学元件，研究人员表示，它可能会被应用于增强现实/虚拟现实、人脸识别、生物医学成像和基础研究等领域。

物体的颜色，即散射光的频率，通常取决于入射到物体上的光的颜色。同样地，散射光的偏振也取决于照射到物体上的光的偏振。Mueller矩阵成像的工作原理是控制入射光的偏振，它是目前最完整的偏振成像方法，揭示了使用传统的技术无法获得的信息。然而，在实践中很难实现，因为它需要复杂的设备，使用多个旋转板和偏振器来捕获一系列图像，然后将这些图像组合起来产生矩阵。

在不同的光线下观察甲虫：（A）金龟子甲虫对圆偏振光表现出独特的反应，当右圆偏振光（RCP）和左圆偏振光（LCP）照射下，利用标准数码相机拍摄的甲虫外壳图像。（B）使用本研究中开发的Mueller矩阵成像系统拍摄的手性甲虫的原始图像，显示了外壳的大小和形状及其特征线等空间分辨特征。

新型单次曝光偏振成像系统由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）电气工程系的Federico Capasso及其同事开发，要比传统的系统简单得多。新系统的核心是两个超构表面——由微小介电结构阵列制成的人工设计的超薄光学元件。这些结构的行为有点像原子，被称为“超构原子（meta-atoms）”，彼此之间的距离小于入射光的波长。

当光穿过两个超构表面时，光的性质（例如振幅、相位和偏振）会发生变化。“第一个超构表面产生偏振结构光，其中的偏振被设计成以独特的模式在空间上变化。”Aun Zaidi解释道，他曾是Capasso实验室的博士生，现在是苹果公司的光学科学家和工程师。“当这种偏振光反射或透过被照明的物体时，轮廓光束的偏振会发生变化。这种变化被第二个超构表面捕获并分析，从而在一次曝光拍摄中构建最终图像。”

Aun Zaidi补充道：“纳米工程超构表面极大地简化了偏振成像系统的设计。事实上，该系统没有任何移动部件或体偏振光学元件，可用于实时医学成像、材料表征、机器视觉和目标检测等领域。我们的紧凑型系统甚至可能会释放偏振成像在一系列现有和新兴应用中的巨大潜力，包括增强现实/虚拟现实系统，以及智能手机中的人脸识别和眼球追踪。”

据麦姆斯咨询报道，近期，该研究团队在Nature Photonics期刊上描述的新技术可能会在需要紧凑型和单次曝光偏振成像的应用中被证明是有用的。Aun Zaidi说道：“在生物医学中，这些应用包括在显微镜下对活组织样本进行成像、偏振内窥镜成像、视网膜扫描以及癌性肿瘤的无创或微创成像。”

Aun Zaidi补充道，“由于其卓越的时间分辨率和灵活性，该技术还可以用于生成大型数据集，用于在机器学习分类应用中训练神经网络。除此之外，它对于基础科学也可能很重要，例如在强电场和磁场存在的情况下检测真空的时变双折射（如量子电动力学理论），以研究光的三维偏振态，以及短波长（X射线）和长波长（太赫兹）偏振测量的研究。我们计划将研究工作扩展到这些令人兴奋的新方向。”

审核编辑：刘清