[发明专利]一种基于光学超表面的多光谱偏振成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于光学超表面的多光谱偏振成像系统及方法。该系统包括多光谱偏振成像模块、成像透镜和黑白相机。所述多光谱偏振成像模块由滤光片、矢量衍射超表面结构组合而成。本发明将多光谱偏振成像模块和成像透镜组合，将具有不同波长不同偏振态的光信息分区域成像在黑白相机上，通过对相机上的图像强度数据进行后处理，获取待测样品的波长和偏振态信息。本发明可以简单快捷的实现多光谱和全偏振成像，具有结构紧凑，体积小，获取待测样品的成像信息全面的优点。

技术领域

本发明涉及偏振成像领域，尤其涉及一种基于光学超表面的多光谱偏振成像系统及方法。

背景技术

光波具有振幅、相位、偏振、波长等物理特性，获取目标的偏振和多光谱信息可以对测量的目标有更清晰的认识，比如：物体的表面形貌、特性、材质等，从而实现成像质量的提升。目前偏振成像和多光谱成像在医疗内窥、航天探测、军事安全等领域有着重要应用。传统的集成化偏振多光谱成像方法主要有两种：（1）分时扫描技术，通过旋转滤光片轮的方式分时对不同偏振态和波长通道进行探测，该方法耗时长。（2）分焦面技术，在像平面上分区域排列不同的偏振和波长探测阵列，从而同时获得偏振多光谱信息，该方法目前只能获取代表偏振信息的斯托克斯参量中的前三个参量，偏振信息不全。此外，传统偏振成像往往需要使用不同的光路，具有频繁更换光学元件、体积大，结构复杂的缺点。

超表面是人工制作的具有亚波长特征尺度的平面光学元件，可以对电磁波的振幅、相位、偏振等特性进行有效调控，可实现全斯托克斯参量的成像，偏振信息全面。然而，目前已报道的基于超表面的全斯托克斯参量的成像为单一波长工作，丢失了光谱信息。此外，超表面结构具有体积小，质量轻，易集成，可大面积加工的优势。本发明基于超表面元件，提出了一种可同时获取多光谱和全斯托克斯参量信息的方法。

发明内容

为了克服现有多光谱偏振成像的不足，本发明的目的在于提供一种基于光学超表面的多光谱偏振成像系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光学超表面的多光谱偏振成像系统，该系统包括由滤光片、矢量衍射超表面结构组合而成的多光谱偏振成像模块；所述多光谱偏振成像模块置于成像系统的光瞳位置；

所述矢量衍射超表面结构采用对不同偏振态光波具有差异化响应的周期单元结构组成，所述滤光片与矢量衍射超表面结构中心对准、贴合，待测样品经滤光片提取其波长信息，通过矢量衍射超表面结构将具有不同波长不同偏振态的光信息在周期结构的衍射作用下，经由成像透镜分区域成像在黑白相机上，通过对黑白相机上的图像强度分布进行数据后处理，获取待测样品的光谱和偏振态信息。

进一步地，多光谱偏振成像系统工作模式是透射式或反射式。

进一步地，所述矢量衍射超表面由基底与基底上的纳米结构单元形成的周期阵列构成，纳米结构具有各向异性，具体是矩形柱、光栅、椭圆孔或椭圆柱结构，对偏振敏感。

进一步地，根据工作模式，所述矢量衍射超表面结构材料分为反射式材料和透射式材料；所述反射式材料为金属材料，包括铝、金和银；所述透射式材料为介质或半导体材料，包括二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅和锗。

进一步地，所述矢量衍射超表面结构具有宽带工作特性，通过调节纳米结构的几何尺寸、方向转角以及在所在周期单元中的相对位置，实现振幅、相位、偏振态的调控；矢量衍射超表面结构的相位编码方式为迂回相位。

进一步地，所述矢量衍射超表面结构的周期单元结构采用正交排列放置的铝纳米棒周期衍射结构。

进一步地，滤光片可窄带透过多个波长，通过镀膜设计成单个滤光片透过多个波段，或将多个不同波长透过的滤光片进行分块组合实现。

进一步地，使用成像系统对待测样品进行成像前，需要使用已知多光谱数据和斯托克斯参量数据的标准样品对各波长通道和各斯托克斯参量的成像强度值进行预标定。