用像素化超表面波片和均匀偏振器成像的系统和方法与流程

本说明书总体上涉及用于对光进行成像的系统和方法，更具体地，涉及用于利用像素化超表面波片和均匀的非像素化偏振器对光进行成像的系统和方法。

背景技术：

1、相机测量一个或多个感兴趣光谱区域内的光学强度。偏振测量是对光的偏振或矢量性质的测量，并且可以提供仅从强度无法获得的信息。为了创建具有偏振信息的图像，光从场景中被过滤或分割成组成偏振态的代表性集合。特定区域中的光的偏振态可以通过其斯托克斯(stokes)参数来定义，该参数表示到标准化偏振态集合的时间平均投影。斯托克斯参数经常用作偏振成像的基态。

2、偏振成像的实现方式包括时间、振幅、孔径和焦平面的分割，这些是由如何分离不同偏振的图像光并将图像光发送到图像传感器来定义的。时间分割使用可切换偏振光学器件来拍摄在不同时间检测到的一系列偏振图像。振幅分割使用偏振光学器件将成像光分裂到多个图像传感器。孔径分割使用通常体积庞大的偏振光学器件阵列来在空间上分离偏振。这些方法需要额外的开关、光学器件和/或传感器，这增加了复杂性和成本。焦平面分割通过焦平面或图像传感器处的小型化偏振光学器件分割成像光，并用同一图像传感器的不同部分记录表示不同偏振的图像。

3、传统的偏振成像方法需要像素化偏振器，这依赖于复杂的制造工艺并且有时具有低性能。当前使用像素化偏振器的全斯托克斯图像传感器还需要波片、偏振器和检测器之间的精确的像素到像素配准。这导致对对准精度的严格要求，这对于像素越来越小的现代图像传感器来说变得越来越困难。

4、因此，需要改进的图像感测系统和方法。具体地，期望降低图像感测系统的部件的制造难度、增加可靠性以及以其他方式改进偏振的图像处理。

技术实现思路

1、本公开的第一方面包括一种包括微透镜阵列的偏振相机。偏振相机进一步包括像素化波片，该像素化波片被定位成接收穿过微透镜阵列的光；像素化波片包括超像素阵列，该超像素阵列包括双折射结构。每个超像素包括第一至少一个子像素和第二至少一个子像素，第一至少一个子像素包括四分之一波片(qwp)，第二至少一个子像素包括半波片(hwp)。偏振相机进一步包括用于接收来自像素化波片的光的非像素化偏振器，以及被配置为检测从非像素化偏振器接收的光的检测器。

2、本公开的第二方面包括上述方面的相机，具有包括超材料的像素化波片。

3、本公开的第三方面包括上述方面中任一方面的相机，其中超材料包括限定结构性双折射的高折射率亚波长结构。

4、本公开的第四方面包括上述方面中任一方面的相机，进一步包括设置在微透镜阵列与像素化波片之间的均匀波片。

5、本公开的第五方面包括第四方面的相机，其中均匀波片向像素化波片接收的光施加均匀双折射。

6、本公开的第六方面包括上述方面中任一方面的相机，其中每个超像素进一步包括第三至少一个子像素，该第三至少一个子像素包括不具有净双折射的零波片，使得接收到的光的入射偏振态不改变。

7、本公开的第七方面包括上述方面中任一方面的相机，其中每个超像素包括四个子像素，并且波片子像素为(1)zwp、(2)快轴相对于偏振器透射轴以22.5度定向的hwp，(3)快轴相对于偏振器透射轴以45度定向的qwp，以及(4)快轴相对于偏振器透射轴以45或135度定向的hwp。该相机进一步包括耦合至检测器的计算设备，其中该计算设备被配置为根据以下等式确定超像素阵列的第一超像素的斯托克斯参数：s0＝ia′+id′，s1＝ia′-id′，s2＝2ib′-ia′-id′，s3＝2ic′-ia′-id′，其中ia'包括第三至少一个子像素处的强度，ic'包括第一至少一个子像素中的第一者处的强度，ib'包括第二至少一个子像素中的第一者处的强度，id'包括第二至少一个子像素中的第二者处的强度，s0包括第一偏振坐标的斯托克斯参数，s1包括第二偏振坐标的斯托克斯参数，s2包括第三偏振坐标的斯托克斯参数，并且s3是第四偏振坐标的斯托克斯参数。

8、本公开的第八方面包括上述方面中任一方面的相机，其中每个超像素包括六个子像素，其中子像素波片是(1)zwp，(2)快轴相对于偏振器透射轴以22.5度定向的hwp，(3)快轴相对于偏振器透射轴以45度定向的qwp，(4)快轴相对于偏振器透射轴以67.5度定向的hwp，(5)快轴相对于偏振器透射轴以135度定向的qwp，以及(6)快轴相对于偏振器透射轴以45或135度定向的hwp，进一步包括：耦合至检测器的计算设备，其中该计算设备被配置为用于根据以下等式确定超像素阵列的第一超像素的斯托克斯参数：s0＝ia+if，s1＝ia-if，s2＝ib-id，s3＝ic-ie，其中ia包括第三至少一个子像素处的强度，ib包括第一至少一个子像素中的第一者处的强度，ic包括第一至少一个子像素中的第二者处的强度，id包括第二至少一个子像素中的第一者处的强度，ie包括第二至少一个子像素中的第二者处的强度，if包括第二至少一个子像素中的第三者处的强度，s0包括第一偏振坐标的斯托克斯参数，s1包括第二偏振坐标的斯托克斯参数，s2包括第三偏振坐标的斯托克斯参数，并且s3是第四偏振坐标的斯托克斯参数。

9、本公开的第九方面包括上述方面中任一方面的相机，其中非像素化偏振器包括非像素化金属栅格。

10、本公开的第十方面包括上述方面中任一方面的相机，进一步包括设置在微透镜阵列与像素化波片、像素化波片与非像素化偏振器、或者非像素化偏振器与检测器中的至少一者之间的滤色器。

11、本公开的第十一方面包括上述方面中任一方面的相机，其中zwp、qwp和hwp在滤色器的预定带宽内是消色差的。

12、本公开的第十二方面包括上述方面中任一方面的相机，其中第一至少一个子像素包括快轴相对于偏振器透射轴以45或135度定向的qwp，并且第二至少一个子像素包括快轴相对于偏振器透射轴以22.5、45、67.5、112.5、135或157.5度定向的hwp。

13、本发明的第十三方面包括一种用于偏振相机的部件堆叠，包括：像素化波片，该像素化波片被定位成接收光，该像素化波片包括超像素阵列，该超像素阵列包括双折射结构，其中每个超像素包括：包括qwp的第一至少一个子像素和包括hwp的第二至少一个子像素；非像素化偏振器，用于接收来自像素化波片的光；以及滤色器，其中qwp和hwp在滤色器的预定带宽内是消色差的。

14、本公开的第十四方面包括上述方面中任一方面的部件堆叠，其中非像素化偏振器包括均匀图案化偏振器。

15、本公开的第十五方面包括上述方面中任一方面的部件堆叠，其中像素化波片包括超材料。

16、本公开的第十六方面包括上述方面中任一方面的部件堆叠，进一步包括均匀波片，均匀波片定位成使得像素化波片接收来自均匀波片的光，其中均匀波片向由像素化波片接收的光施加均匀双折射。

17、本公开的第十七方面包括上述方面中任一方面的部件堆叠，其中每个超像素进一步包括第三至少一个子像素，该第三至少一个子像素包括不具有净双折射的零波片，使得接收到的光的入射偏振态不改变。

18、本公开的第十八方面包括一种用于偏振相机的部件堆叠的像素化波片，包括：超像素阵列，其中每个超像素包括：包括qwp的第一至少一个子像素和包括hwp的第二至少一个子像素。

19、本发明的第十九方面包括上述方面中任一方面的像素化波片，其中qwp被配置为在垂直于和平行于第一至少一个子像素的快轴的线性偏振态之间赋予π/2的相位差；hwp被配置为在垂直于和平行于第二至少一个子像素的快轴的线性偏振态之间赋予π的相位差；qwp包括相对于偏振器透射轴和上述方面中任一方面的像素化波片以45或135度定向的快轴，并且hwp包括相对于偏振器透射轴以22.5、45、67.5、112.5、135或157.5度定向的快轴。

20、本公开的第二十方面包括上述方面中任一方面的像素化波片，其中每个超像素进一步包括第三至少一个子像素，该第三至少一个子像素包括不具有净双折射的零波片，使得接收到的光的入射偏振态不改变。