基于超构光栅透镜的集成偏振相机

传统成像系统主要捕捉物体反射或透射的光强度信息，而人眼几乎无法感知的光的偏振状态，却能提供物体表面纹理、粗糙度乃至三维轮廓等额外信息，这对低对比度目标检测、生物显微成像、三维成像和天文观测等众多应用至关重要。过去几十年，人们研发了分时（DoT）、分焦平面（DoFP）、分振幅（DoA）和分孔径（DoAP）等四种偏振成像方法，但这些方法依赖 bulky 的光学元件和天然各向异性材料，难以实现系统微型化和芯片级集成。

超表面技术通过将偏振敏感功能集成到超紧凑平台，为替代传统 bulky 光学系统带来了革命性潜力，尤其是能单次获取全斯托克斯参数的快照式偏振成像方案，对实时动态场景监测意义重大。基于超表面的微偏振器阵列可构建紧凑型 DoFP 系统，但需定制图像传感器，且超表面图案与光电探测器像素的对准精度要求极高，导致制造成本高昂且难以规模化。而基于超表面的偏振分束器和偏振选择金属透镜常用于构建 DoAP 系统，虽成本较低、易于制造，但现有实现方案需额外 bulky 透镜元件，视场有限且偏振像素较粗糙。

本研究提出了一种超表面光栅透镜（MGL）策略，构建了具有大视场和细粒度偏振像素的单片集成 DoAP 偏振成像系统。MGL 将矢量超光栅和聚焦金属透镜的功能融合，在单层超表面中集成了分束、偏振分析和成像任务（图 1A）。通过将这种多功能单片超表面作为无需对准的改装件集成在商用图像传感器前，构建了指甲大小的紧凑型全斯托克斯偏振相机（图 1B）。

研究结合光线追迹优化和 Mueller 点扩散矩阵（MPSM）设计策略，使 MGL 具有角稳健的偏振响应（偏振二向色性（PD）变化<2%）和全视场内低偏振测量误差（<1.32%），视场达 14°。该偏振相机的四个偏振成像通道可直接捕捉入射光的不同偏振投影分量，在近红外光谱中实现了实时偏振成像，平均聚焦效率达 61.3%。

实验验证了该相机的性能：对透明塑料物体的偏振成像能清晰展示应力诱导的双折射现象，通过全斯托克斯偏振参数（如偏振度（DoP）、线偏振度（DoLP）、圆偏振度（DoCP）和偏振角（AoP））可分析材料的应力分布和内部结构；在人脸反欺诈应用中，利用 DoCP 信息结合偏振-强度融合图像的 RGB 纹理特征分析，能有效区分真人脸和伪造人脸（如打印照片），且成像帧率达 23 fps，满足实时应用需求。

这种单片集成偏振相机在自主导航、生物医学诊断甚至紧凑型 Mueller 矩阵成像系统等领域具有广阔应用前景。未来可通过减小周期、选择更高衍射级次等方法进一步扩大视场，结合逆设计等技术提升聚焦效率和 PD，推动其在消费电子、机器视觉等领域的应用。