高动态范围生物激发偏振成像仪

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高动态范围生物激发偏振成像仪

摘要：偏振是光的三个基本特性之一，另外两个是颜色和强度，但大多数脊椎动物，包括人类，对这种光形态是盲目的。相比之下，许多无脊椎动物，包括昆虫、蜘蛛、头足类动物和口足类动物，已经进化到用高动态范围光敏细胞检测偏振信息，并在视觉引导行为中利用这些信息。在本文中，我们提出了一种高动态范围极化成像传感器的灵感来自于螳螂虾的视觉系统。我们的生物灵感成像仪在配备对数光电二极管的384 × 288像素上实现140 dB动态范围和61 dB Max信噪比。与有源像素传感器相反，单个像素中的光电二极管在反向偏置模式下工作，并产生高达~ 60 dB的动态范围，我们的像素通过在正向偏置模式下操作单个光电二极管具有对数响应。这种新型像素电路与由250纳米高× 75纳米宽铝纳米线组成的像素偏振滤波器整体集成，可实现每秒30帧的快照偏振成像。该传感器可用于许多汽车和遥感应用，其中增强偏振信息的高动态范围成像可在雾霾或多雨条件下提供关键信息。

1. 引言

偏振成像可以为我们提供关于周围shi界的丰富信息---光的偏振可以像记忆泡沫一样，“记住”光在先前的光学相互作用中遇到的介质或者物体的固有属性。这种模式的光编码信息，包括（3D）形状，表面粗糙度，材料或者组织结构组成等。尽管大自然并不赋予人眼分辨偏振光的能力，但是大量的动物已经进化出了在视觉引导的行为中辨别和利用偏振光的能力。例如，沙漠蚂蚁利用天空的偏振特性，在长时间随机觅食后直接回家。鸟类也利用对天空的偏振特性来校准它们的磁场罗盘，同时螳螂虾和剑尾鱼身上的极化模式提供了相同的交流渠道。

在动物王国的各种视觉系统中，螳螂虾的视觉系统已经进化成为复杂的系统之一，能够探测16个光谱通道和4个线性偏振通道，2个圆偏振通道。此外，单个光感受器对入射光强有对数反应，使得这些生物具备了高动态范围成像能力。有了这种复杂的成像能力，螳螂虾被认为是浅水捕食者之一就不足为奇了。其典型的 视觉系统一直是几个仿生颜色和偏振成像系统研究动力。尽管这些生物成像传感器已经实现了许多生物医学和遥感应用，但由于使用了带有反向偏压光电二极管的传统有源像素传感器，其成像动态范围被限制为~ 60 dB。

由于偏振光现象的性质，高动态范围在各种偏振应用中是必要的，如在镜面反射中，天体成像和偏振光显微镜中等。例如，在汽车工业中，高动态范围相机用于捕捉照明容易发生几个数量级变化的场景，例如离开车库或者隧道的过程中。增加一个并不昂贵的高动态范围偏振计在导航决策过程中为汽车计算机提供关于道路环境的偏振信息对汽车工业是非常有益的，以类似的方式，生物医学领域中有严格的照明指南，特别是在手术过程中。要想将偏振计集成到手术流程中挥发偏振优势，就必须能够在高动态照明条件下获得重要且有意义的偏振数据。

目前偏振成像传感器是通过将偏振光学与偏振盲光电探测器阵列相结合来实现的，这取决与所选的成像结构，光强在时间，光振幅或焦平面区域内的偏振调制。从这些不同的架构中，仿生和焦平面划分旋光仪的研究成果因其鲁棒性，紧凑性和单芯片集成，可以在单个快照中同时获取所有相关的数据平面得到激增。因此，这些偏振仪已广泛的应用于许多领域，包括3D形状重建，雾霾条件下增强对比度，材料检测，癌症检测，韧带应力识别和水下地理定位等。

尽管偏振探测器已被添加到各种成像的传感器中，但是这些偏振在非偏振相关指标（帧率、分辨率、噪声和动态范围）上仍然比不上它们的表亲彩色数字相机。这些光电限制阻碍了偏振应用的有效性，并zui终减缓了偏振技术的工业集成应用。偏振技术面临的缺点之一就是目前偏振计所提供的瞬时动态范围有限。

图1.我们的仿生高动态范围偏振相机与它的生物对口，螳螂虾小目的图解比较。(a)螳螂虾的复眼分为三个形态部分:两个半球和一个中带部分。外周半球的横纹肌通过双向微绒毛的交替堆叠对两个正交方向的线偏振光敏感。微绒毛在两个半球之间旋转45°，用于分析偏振光的四个e矢量方向。(b)对数偏振成像仪框图。该成像仪由384 × 288像素阵列组成，其中每个光电二极管完全由纳米线偏振滤波器覆盖。(c)对数有源像元示意图。光电二极管正向偏置，通过对数压缩光电二极管在输出电压下的电流来实现高动态范围。(d)纳米线偏振滤光片的扫描电子显微照片。构成每个像素滤波器的纳米线高250nm，宽75nm，占空比为50%。比例尺为20 μm。

为了解决当前偏振成像仪的这些缺点，本文设计，制作并检测了基于螳螂虾视觉系统的高动态范围偏振仪（图 1 ）。与有源像素传感器相比，单个像素中的光电二极管在反向偏置模式下工作，并产生高达60 dB的动态范围，这里的像素通过在正向偏振模式下操作光电二极管具有对数相应，成像仪采用180纳米cmos技术制作，空间分辨率384 × 288像素，动态范围为140 dB，信噪比(SNR)为61 dB，工作速度为30帧/秒(fps)。单芯片偏振测量是通过铝纳米线偏振滤波器阵列与自定义的对数COMS光电探测器陈列的整体集成来实现的。该传感器可用于许多汽车和遥感应用，其中增强偏振信息的高动态范围成像可在雾霾或者多雨条件下提供关键信息。

本文的对数偏振成像传感器的框图，其对数像素结构的示意图，以及纳米线偏振滤波器的扫描电子显微照片如图1中所示。该传感器由384 × 288像素阵列组成，像素间距为30 μm，采用CMOS 180nm工艺制作。一旦成像仪在传统半导体晶元厂制造完成，偏振滤光片就会通过伊利诺伊大学香槟分校优化的纳米制造程序进行整体集成。在集成过程的zui后，像素化偏振滤波器偏移45°的2 × 2模式在整个成像阵列上重复。单个像素包含由250 nm高和75 nm宽的铝纳米线组成的偏振滤波器，占空比为50%(如图1)。CMOS像素和铝纳米线的单片集成使得能够在单个快照中捕获成像环境的偏振特性的单片偏振成像仪得以实现。

本文通过对数偏振相机所捕获的共配高动态范围场景强度和偏振信息的样本图像如图2所示。该场景包括一个由三个偏置60°的偏振滤波器组成的偏振目标，一个锥形硅锭，一个黑色塑料马，一个大功率LED手电筒放在偏振目标后面。图2(a)显示了本文的传感器在线性化(即原始对数数据)之前捕获的场景强度图像，来演示单个打印中的黑色和高亮部分的细节。这个场景的动态范围为94.3 dB，主要是由黑色塑料马和LED手电筒之间的照度差实现的。图2(b)显示了线性伪彩色图中场景的DoLP，其中红色和蓝色区域分别表示完全偏振光和非偏振光。类似地，图2(c)显示了圆形假彩色地图中场景的AoP，其中红色和蓝色区域分别表示水平(0˚或180˚)和垂直(90˚)偏振光。由于其固有的材料特性，目标内的每个偏振滤光片都显示出均匀的高DoLP和AoP，它们各自的颜色与它们的方向相匹配。具有高折射率的硅锭表现出与其形状相符的有趣偏振特性:在高天顶角表面上，硅锭具有高度偏振，并且由于表面方位角的变化，硅锭在其锥形中心周围表现出连续的AoP变化。以类似的方式，黑马尽管强度值低，但显示适合其形状特征的DoLP和AoP签名。

图2：由对数偏振相机捕获的样本图像显示其高动态范围和偏振能力。该场景包括一个偏振目标，一个锥形硅锭，一个黑色塑料马，和一个大功率LED手电筒。(a)强度图像，动态范围为94.3 dB，主要由黑塑料马与LED手电筒的照度差决定;(b)线性伪彩色图中场景的DoLP，其中红色和蓝色区域分别表示全偏振光和非偏振光;(c)圆形伪彩色地图中的场景AoP，其中红色和蓝色区域分别表示水平和垂直偏振光。(b)和(c)显示了硅锭和黑塑料马上与其形状一致的极化特性。

结果表明，本文的紧凑，低功耗，单芯片对数偏振成像系统在高动态范围场景下具有较高的偏振灵敏度。本文的偏振成像仪可以实时捕获共配的高动态范围偏振数据帧。光电特性表明，通过在正向偏置模式下操作光电二极管，我们的成像仪实现了瞬时动态范围为140 dB，信噪比为61 dB，分别比文献中报道的高数字大了约600倍和约5倍。本文的技术和偏振仪之间的比较见表1。像素化纳米线偏振滤光片的加入产生了高偏振灵敏度，适用于从遥感到生物医学成像等苛刻的应用。

表1：偏振传感器综述与比较

昊量光电的光电流测试系统具有显微矢量光场调控部件，利用DMD（数字微镜阵列）和SLM（空间光调制器）（如图3）实现激发光不同区域&位置-占空比和强度不同以及不同区域相位（偏振态）的控制。可同对整个器件同时进行激发，帮助上述违章中的数字阵列偏振传感器实现不同形状，不同占空比，不同相位以及不同偏振态的光电流测量，评估器件灵敏度还能将阵列分布的信息混杂成单点。拥有VIS NIR MIR多种单波长光源选配，可以在面内&面外磁场、低温腔室、以及特殊气氛下使用。与此同时还具有超强的开发能力，有光束整形、波长合束、空间调制、频率调制、宽谱光源&选频等多种光源方式，可实现荧光光谱、拉曼光谱、荧光寿命、透射光谱、器件泵浦探测、光子反聚束多种探测模式，在原位超低温、磁场、电化学、放射性材料等多种条件下均可使用。

图6：DMD（数字微镜阵列）和SLM（空间光调制器）

在本文中，提出了一种仿生高动态范围偏振成像传感器。该传感器以两种方式模拟了螳螂虾的视觉系统:(1)它利用了四个不同的像素偏振滤波器，偏移45°，并集成了光敏元件;(2)底层光电二极管以正偏模式工作，对入射光子产生对数响应。通过整体结合这两项进步，我们创建了一个快照偏光计，工作速度为30 fps，动态范围为140 dB。传统CMOS成像传感器通过在反向偏置模式下操作单个像素的光电二极管，在入射光子通量和输出数字值之间提供线性关系，这与传统CMOS成像传感器不同，能够创建具有对数响应和61 dB的特殊信比的成像仪。由于其小巧的尺寸和潜在的低于10美元的低制造成本，这种图像传感器可以成为许多汽车或遥感应用中不可或缺的一部分。昊量光电的矢量光场调控可有效的帮助数字阵列器件不同形状，不同占空比，不同相位以及不同偏振态的光电流测量，还能将阵列分布的信息混杂成单点。具有超强的开发能力和复杂实验条件的适用性。

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