高動態範圍生物激發偏振成像儀

正文

高動態範圍生物激發偏振成像儀(yi)

摘要：偏振是光的三個(ge) 基本特性之一，另外兩(liang) 個(ge) 是顏色和強度，但大多數脊椎動物，包括人類，對這種光形態是盲目的。相比之下，許多無脊椎動物，包括昆蟲、蜘蛛、頭足類動物和口足類動物，已經進化到用高動態範圍光敏細胞檢測偏振信息，並在視覺引導行為(wei) 中利用這些信息。在本文中，我們(men) 提出了一種高動態範圍極化成像傳(chuan) 感器的靈感來自於(yu) 螳螂蝦的視覺係統。我們(men) 的生物靈感成像儀(yi) 在配備對數光電二極管的384 × 288像素上實現140 dB動態範圍和61 dB Max信噪比。與(yu) 有源像素傳(chuan) 感器相反，單個(ge) 像素中的光電二極管在反向偏置模式下工作，並產(chan) 生高達~ 60 dB的動態範圍，我們(men) 的像素通過在正向偏置模式下操作單個(ge) 光電二極管具有對數響應。這種新型像素電路與(yu) 由250納米高× 75納米寬鋁納米線組成的像素偏振濾波器整體(ti) 集成，可實現每秒30幀的快照偏振成像。該傳(chuan) 感器可用於(yu) 許多汽車和遙感国产成人在线观看免费网站，其中增強偏振信息的高動態範圍成像可在霧霾或多雨條件下提供關(guan) 鍵信息。

1. 引言

偏振成像可以為(wei) 我們(men) 提供關(guan) 於(yu) 周圍shi界的豐(feng) 富信息---光的偏振可以像記憶泡沫一樣，“記住”光在先前的光學相互作用中遇到的介質或者物體(ti) 的固有屬性。這種模式的光編碼信息，包括（3D）形狀，表麵粗糙度，材料或者組織結構組成等。盡管大自然並不賦予人眼分辨偏振光的能力，但是大量的動物已經進化出了在視覺引導的行為(wei) 中辨別和利用偏振光的能力。例如，沙漠螞蟻利用天空的偏振特性，在長時間隨機覓食後直接回家。鳥類也利用對天空的偏振特性來校準它們(men) 的磁場羅盤，同時螳螂蝦和劍尾魚身上的極化模式提供了相同的交流渠道。

在動物王國的各種視覺係統中，螳螂蝦的視覺係統已經進化成為(wei) 複雜的係統之一，能夠探測16個(ge) 光譜通道和4個(ge) 線性偏振通道，2個(ge) 圓偏振通道。此外，單個(ge) 光感受器對入射光強有對數反應，使得這些生物具備了高動態範圍成像能力。有了這種複雜的成像能力，螳螂蝦被認為(wei) 是淺水捕食者之一就不足為(wei) 奇了。其典型的 視覺係統一直是幾個(ge) 仿生顏色和偏振成像係統研究動力。盡管這些生物成像傳(chuan) 感器已經實現了許多生物醫學和遙感国产成人在线观看免费网站，但由於(yu) 使用了帶有反向偏壓光電二極管的傳(chuan) 統有源像素傳(chuan) 感器，其成像動態範圍被限製為(wei) ~ 60 dB。

由於(yu) 偏振光現象的性質，高動態範圍在各種偏振国产成人在线观看免费网站中是必要的，如在鏡麵反射中，天體(ti) 成像和偏振光顯微鏡中等。例如，在汽車工業(ye) 中，高動態範圍相機用於(yu) 捕捉照明容易發生幾個(ge) 數量級變化的場景，例如離開車庫或者隧道的過程中。增加一個(ge) 並不昂貴的高動態範圍偏振計在導航決(jue) 策過程中為(wei) 汽車計算機提供關(guan) 於(yu) 道路環境的偏振信息對汽車工業(ye) 是非常有益的，以類似的方式，生物醫學領域中有嚴(yan) 格的照明指南，特別是在手術過程中。要想將偏振計集成到手術流程中揮發偏振優(you) 勢，就必須能夠在高動態照明條件下獲得重要且有意義(yi) 的偏振數據。

目前偏振成像傳(chuan) 感器是通過將偏振光學與(yu) 偏振盲光電探測器陣列相結合來實現的，這取決(jue) 與(yu) 所選的成像結構，光強在時間，光振幅或焦平麵區域內(nei) 的偏振調製。從(cong) 這些不同的架構中，仿生和焦平麵劃分旋光儀(yi) 的研究成果因其魯棒性，緊湊性和單芯片集成，可以在單個(ge) 快照中同時獲取所有相關(guan) 的數據平麵得到激增。因此，這些偏振儀(yi) 已廣泛的国产成人在线观看免费网站於(yu) 許多領域，包括3D形狀重建，霧霾條件下增強對比度，材料檢測，癌症檢測，韌帶應力識別和水下地理定位等。

盡管偏振探測器已被添加到各種成像的傳(chuan) 感器中，但是這些偏振在非偏振相關(guan) 指標（幀率、分辨率、噪聲和動態範圍）上仍然比不上它們(men) 的表親(qin) 彩色數字相機。這些光電限製阻礙了偏振国产成人在线观看免费网站的有效性，並zui終減緩了偏振技術的工業(ye) 集成国产成人在线观看免费网站。偏振技術麵臨(lin) 的缺點之一就是目前偏振計所提供的瞬時動態範圍有限。

圖1.我們(men) 的仿生高動態範圍偏振相機與(yu) 它的生物對口，螳螂蝦小目的圖解比較。(a)螳螂蝦的複眼分為(wei) 三個(ge) 形態部分:兩(liang) 個(ge) 半球和一個(ge) 中帶部分。外周半球的橫紋肌通過雙向微絨毛的交替堆疊對兩(liang) 個(ge) 正交方向的線偏振光敏感。微絨毛在兩(liang) 個(ge) 半球之間旋轉45°，用於(yu) 分析偏振光的四個(ge) e矢量方向。(b)對數偏振成像儀(yi) 框圖。該成像儀(yi) 由384 × 288像素陣列組成，其中每個(ge) 光電二極管完全由納米線偏振濾波器覆蓋。(c)對數有源像元示意圖。光電二極管正向偏置，通過對數壓縮光電二極管在輸出電壓下的電流來實現高動態範圍。(d)納米線偏振濾光片的掃描電子顯微照片。構成每個(ge) 像素濾波器的納米線高250nm，寬75nm，占空比為(wei) 50%。比例尺為(wei) 20 μm。

為(wei) 了解決(jue) 當前偏振成像儀(yi) 的這些缺點，本文設計，製作並檢測了基於(yu) 螳螂蝦視覺係統的高動態範圍偏振儀(yi) （圖 1 ）。與(yu) 有源像素傳(chuan) 感器相比，單個(ge) 像素中的光電二極管在反向偏置模式下工作，並產(chan) 生高達60 dB的動態範圍，這裏的像素通過在正向偏振模式下操作光電二極管具有對數相應，成像儀(yi) 采用180納米cmos技術製作，空間分辨率384 × 288像素，動態範圍為(wei) 140 dB，信噪比(SNR)為(wei) 61 dB，工作速度為(wei) 30幀/秒(fps)。單芯片偏振測量是通過鋁納米線偏振濾波器陣列與(yu) 自定義(yi) 的對數COMS光電探測器陳列的整體(ti) 集成來實現的。該傳(chuan) 感器可用於(yu) 許多汽車和遙感国产成人在线观看免费网站，其中增強偏振信息的高動態範圍成像可在霧霾或者多雨條件下提供關(guan) 鍵信息。

本文的對數偏振成像傳(chuan) 感器的框圖，其對數像素結構的示意圖，以及納米線偏振濾波器的掃描電子顯微照片如圖1中所示。該傳(chuan) 感器由384 × 288像素陣列組成，像素間距為(wei) 30 μm，采用CMOS 180nm工藝製作。一旦成像儀(yi) 在傳(chuan) 統半導體(ti) 晶元廠製造完成，偏振濾光片就會(hui) 通過伊利諾伊大學香檳分校優(you) 化的納米製造程序進行整體(ti) 集成。在集成過程的zui後，像素化偏振濾波器偏移45°的2 × 2模式在整個(ge) 成像陣列上重複。單個(ge) 像素包含由250 nm高和75 nm寬的鋁納米線組成的偏振濾波器，占空比為(wei) 50%(如圖1)。CMOS像素和鋁納米線的單片集成使得能夠在單個(ge) 快照中捕獲成像環境的偏振特性的單片偏振成像儀(yi) 得以實現。

本文通過對數偏振相機所捕獲的共配高動態範圍場景強度和偏振信息的樣本圖像如圖2所示。該場景包括一個(ge) 由三個(ge) 偏置60°的偏振濾波器組成的偏振目標，一個(ge) 錐形矽錠，一個(ge) 黑色塑料馬，一個(ge) 大功率LED手電筒放在偏振目標後麵。圖2(a)顯示了本文的傳(chuan) 感器在線性化(即原始對數數據)之前捕獲的場景強度圖像，來演示單個(ge) 打印中的黑色和高亮部分的細節。這個(ge) 場景的動態範圍為(wei) 94.3 dB，主要是由黑色塑料馬和LED手電筒之間的照度差實現的。圖2(b)顯示了線性偽(wei) 彩色圖中場景的DoLP，其中紅色和藍色區域分別表示完全偏振光和非偏振光。類似地，圖2(c)顯示了圓形假彩色地圖中場景的AoP，其中紅色和藍色區域分別表示水平(0˚或180˚)和垂直(90˚)偏振光。由於(yu) 其固有的材料特性，目標內(nei) 的每個(ge) 偏振濾光片都顯示出均勻的高DoLP和AoP，它們(men) 各自的顏色與(yu) 它們(men) 的方向相匹配。具有高折射率的矽錠表現出與(yu) 其形狀相符的有趣偏振特性:在高天頂角表麵上，矽錠具有高度偏振，並且由於(yu) 表麵方位角的變化，矽錠在其錐形中心周圍表現出連續的AoP變化。以類似的方式，黑馬盡管強度值低，但顯示適合其形狀特征的DoLP和AoP簽名。

圖2：由對數偏振相機捕獲的樣本圖像顯示其高動態範圍和偏振能力。該場景包括一個(ge) 偏振目標，一個(ge) 錐形矽錠，一個(ge) 黑色塑料馬，和一個(ge) 大功率LED手電筒。(a)強度圖像，動態範圍為(wei) 94.3 dB，主要由黑塑料馬與(yu) LED手電筒的照度差決(jue) 定;(b)線性偽(wei) 彩色圖中場景的DoLP，其中紅色和藍色區域分別表示全偏振光和非偏振光;(c)圓形偽(wei) 彩色地圖中的場景AoP，其中紅色和藍色區域分別表示水平和垂直偏振光。(b)和(c)顯示了矽錠和黑塑料馬上與(yu) 其形狀一致的極化特性。

結果表明，本文的緊湊，低功耗，單芯片對數偏振成像係統在高動態範圍場景下具有較高的偏振靈敏度。本文的偏振成像儀(yi) 可以實時捕獲共配的高動態範圍偏振數據幀。光電特性表明，通過在正向偏置模式下操作光電二極管，我們(men) 的成像儀(yi) 實現了瞬時動態範圍為(wei) 140 dB，信噪比為(wei) 61 dB，分別比文獻中報道的高數字大了約600倍和約5倍。本文的技術和偏振儀(yi) 之間的比較見表1。像素化納米線偏振濾光片的加入產(chan) 生了高偏振靈敏度，適用於(yu) 從(cong) 遙感到生物醫學成像等苛刻的国产成人在线观看免费网站。

表1：偏振傳(chuan) 感器綜述與(yu) 比較

昊量光電的光電流測試係統具有顯微矢量光場調控部件，利用DMD（數字微鏡陣列）和SLM（空間光調製器）（如圖3）實現激發光不同區域&位置-占空比和強度不同以及不同區域相位（偏振態）的控製。可同對整個(ge) 器件同時進行激發，幫助上述違章中的數字陣列偏振傳(chuan) 感器實現不同形狀，不同占空比，不同相位以及不同偏振態的光電流測量，評估器件靈敏度還能將陣列分布的信息混雜成單點。擁有VIS NIR MIR多種單波長光源選配，可以在麵內(nei) &麵外磁場、低溫腔室、以及特殊氣氛下使用。與(yu) 此同時還具有超強的開發能力，有光束整形、波長合束、空間調製、頻率調製、寬譜光源&選頻等多種光源方式，可實現熒光光譜、拉曼光譜、熒光壽命、透射光譜、器件泵浦探測、光子反聚束多種探測模式，在原位超低溫、磁場、電化學、放射性材料等多種條件下均可使用。

圖6：DMD（數字微鏡陣列）和SLM（空間光調製器）

在本文中，提出了一種仿生高動態範圍偏振成像傳(chuan) 感器。該傳(chuan) 感器以兩(liang) 種方式模擬了螳螂蝦的視覺係統:(1)它利用了四個(ge) 不同的像素偏振濾波器，偏移45°，並集成了光敏元件;(2)底層光電二極管以正偏模式工作，對入射光子產(chan) 生對數響應。通過整體(ti) 結合這兩(liang) 項進步，我們(men) 創建了一個(ge) 快照偏光計，工作速度為(wei) 30 fps，動態範圍為(wei) 140 dB。傳(chuan) 統CMOS成像傳(chuan) 感器通過在反向偏置模式下操作單個(ge) 像素的光電二極管，在入射光子通量和輸出數字值之間提供線性關(guan) 係，這與(yu) 傳(chuan) 統CMOS成像傳(chuan) 感器不同，能夠創建具有對數響應和61 dB的特殊信比的成像儀(yi) 。由於(yu) 其小巧的尺寸和潛在的低於(yu) 10美元的低製造成本，這種圖像傳(chuan) 感器可以成為(wei) 許多汽車或遙感国产成人在线观看免费网站中不可或缺的一部分。昊量光電的矢量光場調控可有效的幫助數字陣列器件不同形狀，不同占空比，不同相位以及不同偏振態的光電流測量，還能將陣列分布的信息混雜成單點。具有超強的開發能力和複雜實驗條件的適用性。

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