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法律状态信息
法律状态
2022-06-03
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明涉及偏振和多光谱成像领域，尤其涉及一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置。
背景技术
与传统的强度成像相比，全斯托克斯偏振和多光谱成像由于可以获得物体表面细节和材料组成等更丰富的信息而受到广泛关注，已成功应用于遥感、生物、医学等领域。传统的偏振/光谱成像系统采用分离和体积庞大的组件来实现不同偏振态/光谱成分的获取，导致系统体积大，响应慢，并且通常很难将偏振成像和光谱成像这两种功能结合到一个系统中。受益于纳米技术的进步，具有优异的性能和易于集成的优点的各种超表面被应用于平面成像、获取偏振/光谱成分等领域，例如超透镜成像，手性圆偏振成像，偏振控制/转换和检测，以及光谱操控。基于微/纳米结构超表面的像素式偏振或多光谱成像(即焦平面分割，DoFP，Division of Focal Plane)技术已经有了广泛的研究，其中像素式线偏振器和圆偏振器或彩色滤光片被直接集成到电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)上。Shogenji等人提出了一种像素式的多光谱成像系统，其中采用集成了多个干涉滤光片阵列的CMOS，实现了7个可见光光谱通道。此外，由于光谱透射率的窄带宽，硅纳米线和银纳米立方体作为滤光片也被应用于多光谱成像中。1999年，Nordin等人提出了一种像素式偏振成像系统，将多个不同取向的像素式纳米线栅直接集成在CCD上，以提取不同方向的线偏振信息。在线偏振成像基础上，通过在线偏振器件中加入圆偏振器件，像素式全斯托克斯偏振成像系统得到了进一步的发展，其中圆偏振器可以通过线性偏振器加双折射波片(如液晶)或线性偏振器+硅纳米结构超表面实现。但是此类方法需要多层结构和复杂的套刻制备过程。在近红外波段，一种集成了具有圆偏振二向色性Z形手性纳米结构和各向异性纳米光栅的单层像素式超表面被用于全斯托克斯偏振成像，其中不同的圆偏振信息是从二维Z形纳米结构的固有手性中获得的。然而，在所有上述像素式DoFP方法中，光学分辨率受到CCD像素数量的显著影响，原因在于总像素被分配到了不同的偏振态或光谱成分的图像中，其中光学分辨率、光谱分辨率和偏振态分辨率三者之间存在权衡。并且，由于所采用的偏振器的固有特性，这些系统中的能量效率也限制在50％，其中非偏振光入射到对应于特定偏振分量(无论是线性偏振(LP，Linear Polarization)还是圆偏振(CP，Circular Polarization))的偏振器上的透射率为50％。此外，受限于偏振器(特别是圆偏振器)的带宽，这些全斯托克斯偏振成像器件的工作带宽通常很窄，原因在于波片的相关相位延迟或纳米结构的共振是与波长紧密相关的。2018年，一种超像素式的全斯托克斯成像超表面被提出以取代上述DoFP方法中的像素化偏振器件。入射到超表面每个像素上的两个正交偏振态光波可以同时被聚焦到两个方向的、不同的CCD像素上，避免了其中一个偏振态的能量损失。然而，每幅偏振图像的光学分辨率仍然受到分配的CCD像素总数的限制。
近年来基于超表面的集成了双功能的偏振-光谱测量技术也得到了广泛研究。一种由不同尺寸金属纳米块并排而成的反射式多单元等离激元超表面被用于实现全斯托克斯偏振和光谱检测，其中具有不同偏振态的入射光被不同的子单元反射到不同的空间位置，由于离轴色散，光谱信息可以同时获得。值得注意的是，由于纳米块的不同排列产生不同的局部等离激元相位，不同偏振态的光波被不同的子单元反射，这与DoFP成像方法中基于偏振器有着本质的区别。不过这种方法存在金属的固有损失，并且由于反射设计，难以将超表面与CCD或COMS集成。2016年，具有成像能力的多光谱手性超透镜被用于可见光波段的圆偏振-光谱成像。超透镜由两组以Pancharatnam-Berry相位(几何相位)方式排列的TiO
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，其特征在于：单片式全介质空间复用超透镜(SMM)由三组空间复用离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，三组所述子超透镜分别同时对三个正交偏振态基工作；任一所述子超透镜的有效孔径为整个SMM的1/3，三组所述子超透镜以稀疏孔径的方式排列形成SMM。
本发明一个较佳实施例中，所述SMM由生长有单晶Si的蓝宝石晶片上旋涂电子束抗蚀剂薄膜制备。
本发明一个较佳实施例中，所述电子束抗蚀剂薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。
本发明一个较佳实施例中，所述电子束抗蚀剂薄膜中的超透镜图案通过电子束曝光制备。
本发明一个较佳实施例中，所述SMM上的Si纳米柱图案在C4F8、SF6和O2的混合气体中通过电感耦合等离子体(ICP)蚀刻获得。
本发明一个较佳实施例中，三组所述子超透镜分别同时对0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP正交偏振基工作。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明中每个子超透镜的光学分辨率均达到整个全孔径超透镜的衍射极限，线偏振光和圆偏振光的平均偏振消光比和全斯托克斯参数(S
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例使用FSPS-SMM进行偏振-光谱成像的物像关系；
图2是本发明的优选实施例的空间复用FSPS-SMM的俯视图，包含三个子超透镜，每个子超透镜按照12个扇形的组成稀疏孔径，并旋转交织组成整个SMM；
图3是本发明的优选实施例像平面上不同偏振态和波长的图像位置，光谱图像“A”由不同的颜色表示；
图4是本发明的优选实施例的矩形和椭圆形硅纳米柱的晶胞示意图；
图5是本发明的优选实施例的不同偏振态的物像关系和像平面上像位置；
图6是本发明的优选实施例的全孔径、稀疏孔径和等效小孔径透镜的沿x轴MTF强度分布；
图7是本发明的优选实施例的对应于三对偏振态(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子透镜的相位分布；
图8是本发明的优选实施例的矩形Si纳米柱的3D图和俯视图；
图9是本发明的优选实施例的椭圆Si纳米柱的3D图和俯视图；
图10是本发明的优选实施例的在不同波长下，实验的PSF及其与理论的比较；第一行：理论，第二行：实验，第三行：沿x轴的强度分布；
图11是本发明的优选实施例的USAF分辨率测试板第4组的实验图像；
图12是本发明的优选实施例的USAF分辨率测试板第5组的实验图像；
图13是本发明的优选实施例制备的FSPS-SMM在波长1550nm下使用不同偏振态光波入射的实验PSF；
图14是本发明的优选实施例的在1400nm至1700nm的波长范围内测量斯托克斯参数，步长为50nm；
图15是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM的ER；
图16是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM的三个子超透镜的实验衍射效率；
图17是本发明的优选实施例制造的FSPS-SMM在0°线偏振入射光下的实验色散曲线；
图18是本发明的优选实施例整个超透镜的光学显微镜图像；
图19是对应于0°/90°线偏振的子超透镜的30°视角的SEM图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；
图20是对应于45°/135°线偏振的子超透镜的30°视角的SEM图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；
图21是对应于RCP/LCP的子超透镜的30°视角的图像，插图为放大的SEM图像的俯视图；
图22是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的矩形Si纳米柱的透射系数和相移；
图23是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的椭圆Si纳米柱的透射系数和相移；
图24是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的矩形Si纳米柱中磁场的归一化强度分布图，白色虚线是Si纳米柱的边界；
图25是本发明的优选实施例的在0°和90°线偏振光入射时，不同尺寸的椭圆Si纳米柱中磁场的归一化强度分布图，白色虚线是Si纳米柱的边界；
图26是本发明的优选实施例在不同椭圆偏振态和不同波长入射，由制备的FSPS-SMM对莲花目标成像的全斯托克斯图像；
图27是本发明的优选实施例在1400-1700nm的波长范围内，制备的FSPS-SMM对水膜覆盖的莲花目标产生的光谱强度图像；
图28是本发明的优选实施例制备的FSPS-SMM在不同波长下对的熔融石英块(左)和钢尺(右)组合生成的全斯托克斯图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于单片式全介质空间复用超透镜的宽带全斯托克斯偏振-光谱成像装置，单片式全介质空间复用超透镜SMM由三组空间复用的离轴子超透镜组成，在1400nm至1700nm的近红外宽带波长范围内，分别同时对三个正交偏振基(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)工作。每个子超透镜的有效孔径只有整个超透镜的1/3，并以稀疏孔径的方式排列形成整个SMM，因此每个子超透镜的光学分辨率达到整个全口径超透镜的衍射极限。物体发出/反射的不同偏振态的光波(波长为设计波长)被三组子超透镜同时成像在设计的像平面上，由于子透镜离轴的设计带来的固有色散，不同波长的光波同样会成像在相应的不同位置上从而形成光谱图像。
图1给出了所提出的使用空间复用超透镜的全斯托克斯偏振-光谱图像系统的示意图。来自物体“A”的三对正交偏振态(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的光波同时在设计的像平面上分别成像，由于离轴SMM的固有色散，不同波长的光谱图像同时在成像相应的像平面，如图3所示。图像“A”中使用的颜色代表不同的波长。对应于三对正交偏振态(即0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子超透镜具有相同的焦距但不同的离轴方向，并旋转交织形成整个SMM，如图2所示，其中每个子超透镜为由12个扇型组成的稀疏孔径超透镜。尽管每个子超透镜的有效面积仅为整个孔径的1/3，但是每个子超透镜的光学分辨率仍然等于整个全孔径超透镜的光学分辨率，使得空间复用的稀疏孔径设计实现了高光学分辨率成像，这对所有那些传统的像素式DoFP偏振/光谱成像方法具有明显的优势。每个子超透镜的晶胞结构是由简单的椭圆或矩形硅纳米柱实现的，每个硅纳米柱具有单独设计的不同尺寸、方位角和相同的高度，从而实现同时对一对正交偏振光波的相位的独立调控。每个子超透镜都具有高的效率，因为一对正交偏振光波都可以同时被成像到像平面上。在传统的偏振成像器件中，一对正交偏振光波中只有某一个偏振态可以透射，而另一个被反射掉，即能量效率最高为50％。本文中，一对正交偏振光通过离轴设计的SMM在空间上被同时分离成像，即两个正交偏振态可以同时聚焦或成像到像平面上的不同位置。每个子超透镜的设计原理是基于入射光与纳米结构的相互作用，即同一个纳米结构上对不同偏振态光波在透射或反射光波中产生不同的振幅、相位和偏振调制。在所提出的FSPS-SMM设计中，对每个子超透镜的晶胞中的硅纳米柱(即椭圆形或矩形)的几何形状、尺寸和方位角分别进行独立设计。图4显示了所提出的FSPS-SMM的晶胞中典型的Si纳米柱(即矩形和椭圆形)的3D示意图。
图5说明了FSPS-SMM的详细成像原理，其中超透镜孔径为1.26mm，焦平面为z＝20mm。位于坐标O(x
其中坐标(x
图6显示了全孔径、稀疏孔径和等效小孔径沿x轴MTF分布，其中小孔径超透镜的面积与稀疏子超透镜中具有纳米结构的总面积相同，即等效直径为0.7275mm。可以看出，稀疏孔径的空间截止频率与衍射极限处的全孔径相同，约为36lp/mm，而等效小孔径超透镜的MTF在～22lp/mm处截止，稀疏孔径排列的光学分辨率相较于等效小孔径提高了1.64倍。虽然稀疏孔径的MTF值低于全孔径，如图6，但稀疏孔径的MTF是连续的，在整个频率范围内没有零点，这意味着高分辨率图像可以通过复原方法获得，且不会造成大量信息损失。稀疏孔径设计的每个子透镜的有效面积仅为全孔径的1/3，这表明高度集成的空间复用超表面具有在高光学分辨率方面的潜在应用。对应于三对偏振光波(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)的三个子超透镜的相位分布如图7所示，由式1分别计算得出，并旋转交织以形成所提出的整个FSPS-SMM。
图7中所示的三对正交偏振态相对应的FSPS-SMM的相位可以通过位于蓝宝石(Al
如图22和图23所示，矩形(图8)或椭圆形(图9)Si纳米柱的不同尺寸不仅可以实现高透射系数，更重要的是，对于0°和90°线偏振光均可以实现多个全覆盖0-2π的相位调控。这意味着每个Si纳米柱可以作为一个局部各向异性“波片”，并为所提出的FSPS-SMM的设计提供素材。纳米柱的相位调控机制源于硅纳米柱内不同的类波导模式，这取决于硅纳米柱的几何形状和尺寸。在0°和90°线偏振光入射下，图24和图25分别显示了在设计波长1550nm的不同尺寸的矩形(图8)和椭圆形(图9)Si纳米柱的晶胞内磁场强度的归一化分布，其中白色虚线是Si纳米柱的边界。从图24和图25可以看出，这些磁场沿z轴显示出不同的归一化强度分布，并且被限制在不同尺寸的Si纳米柱内，沿y轴和z轴的磁场的各向异性特征可以在0°和90°线偏振光入射的不同的类波导模式中也可以看到。
基于不同尺寸和形状的Si纳米柱对不同入射偏振态的不同的透射系数和相位响应，同时对任意一对正交偏振光工作的高效SMM可以被设计，如0°/90°线偏振、45°/135°线偏振和左/右旋圆偏振。如图22和图23所示，对应于一对正交0°/90°线偏振光的相位调控是不同的，并且可以由一个Si纳米柱实现同时独立调控，这意味着对一对正交线偏振光同时工作的离轴高效子超透镜的两个偏振态对应的相位分布ψ(x,y)，可以由一套纳米结构产生的两个独立相位调控实现。所需相位ψ(x,y)与Si纳米柱的结构尺寸之间的映射关系可以在图22和图23的数据库中选择。将Si纳米柱阵列旋转到特定的方位角(θ)，可以很容易地实现对应于其他对正交线偏振光的子超透镜(即光的线性偏振方向和Si纳米柱的方位角相同，例如本文中的45°/135°)。
通过调控每个单独的Si纳米柱的尺寸/形状和方位角，Si纳米柱也可以实现同时对一对正交圆偏振光(通常为椭圆偏振(EP，Elliptical Polarization))的高效和独立调控，其中每个Si纳米柱的方位角为椭圆偏振光的调控提供了新的自由度。同时独立对一对正交椭圆偏振光调控的机理可以通过纳米结构与入射偏振态的相互作用来理解。对于具有旋转方位角(θ)的无损纳米柱，如图8和图9所示，琼斯矩阵M可以写为
其中T和R(θ)表示旋转方位角为0°的纳米柱的琼斯矩阵和方位角为θ的旋转矩阵。在一对正交椭圆偏振光(
其中上标“T”表示转置。在无损和正交条件下，式4中的矩阵M是酉矩阵。为了求解式4(即得到纳米柱的琼斯矩阵M)，式4可以改写为非齐次线性方程组Am＝b的形式，如下
在正交条件下，式5是可解的，并且由于所提出的Si纳米柱的对称几何形状(即矩形和椭圆形)，所以矩阵M是对称的酉矩阵(即M
实施例：
超透镜的制备和成像：
实验制备了所提出的高度集成的空间复用FSPS-SMM的透镜参数为：直径1.26mm，焦平面z＝20mm，并进行了相应的实验证明。在生长有1500nm单晶Si的蓝宝石晶片(SOS)上旋涂(4000r/min)约200nm厚的电子束抗蚀剂(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA，PolymethylMethacrylate)薄膜。PMMA中的超透镜图案是通过电子束曝光(EBL,Electron BeamLithography)在10kV电压和24.3pA电流下以130μC/cm
为了验证制备的FSPS-SMM的高分辨率特性，测量了FSPS-SMM在不同波长下的PSF(采用0°线偏振光入射)，并与理论值进行了比较。图10显示了在1400nm到1700nm的不同波长下的实验PSF和沿x轴的PSF强度分布及其与理论值的比较(T：理论；E：实验)。实验PSF图像是在对应于不同波长的焦点处捕获的。在图10中可以看出，由制备的FSPS-SMM成像的所有实验PSF都与理论计算非常吻合。图11和12显示了由制备的FSPS-SMM成像的美国空军(USAF)分辨率测试板的实验图像，这些图像是经过交替方向乘子算法(ADMM，AlternatingDirectionMethod ofMultipliers)复原的图像。实验中使用USAF分辨率测试板中第4组的第3部分到第6部分和第5组的第1部分到第2部分，两条相邻的白/黑线之间的距离分别为49.6μm、44.2μm、39.4μm、35μm，31.2μm和27.8μm。在图12中可以看出，通过制备的FSPS-SMM成像的第5组的第1部分可以被分辨，这非常接近整个全孔径超透镜的衍射极限(31.1μm@1550nm，直径＝1.26mm，焦点平面z＝20mm，离轴距离＝5.44mm，1.22×λ/2/NA)，明显高于等效小孔径超透镜的衍射极限(53.7μm@1550nm，等效直径0.73mm)。
图13显示了入射波长为1550nm时，制备的FSPS-SMM对六个不同偏振态(0°/90°-LP、45°/135°-LP和RCP/LCP)入射光产生的PSF。正如预期的那样，接近零的PSF出现在相对于入射光是正交的偏振态所对应的位置，如图13中，在0°线偏振光入射时，在90°线偏振对应的成像位置处，PSF接近0。在1400nm到1700nm的波长范围内，相应的斯托克斯参数被计算并绘制在图14中，波长步长为50nm。斯托克斯矢量S＝[S
全斯托克斯偏振-光谱成像可以由制备的FSPS-SMM实现，其中以透射式莲花靶标为成像对象，由波长为1400nm、1550nm和1700nm的三种不同偏振态的平行光照明，如图26所示。在图5所示的像平面上得到6个偏振态对应的6幅图像，然后可以计算出实验图像的全斯托克斯参数(S
在非偏振光照射下，通过制备的FSPS-SMM在1400nm、1550nm和1700nm三个波长下，拍摄了熔融石英块和钢尺组合(斜入射照明，～40°)近镜面反射的高分辨率全斯托克斯图像如图28所示。从图28可以看出，在非偏振光照射下，S
本文提出了一种工作波长范围从1400nm到1700nm的基于单片式宽带全介质空间复用超透镜的全斯托克斯偏振-光谱成像技术。与所有报道的传统的低光学分辨率和低能量效率的单功能全斯托克斯偏振或单功能多光谱成像方法相比，所提出的单片式全斯托克斯偏振-光谱成像技术通过单套纳米结构实现对任意一对正交偏振光的独立调控，避免了传统方法中50％的能量损失和多种纳米结构组合的要求。高分辨率全斯托克斯图像是通过空间复用稀疏孔径超透镜获得的，其中三组子超透镜对应三对正交偏振态，并旋转交织组成整个超透镜。每个子超透镜的光学分辨率达到整个全孔径超透镜的衍射极限，虽然每个子超透镜的有效面积仅为整个超透镜的1/3。线偏振和圆偏振光波的平均偏振消光比和全斯托克斯参数(S
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
