无处遁形液晶微偏振阵列助力偏振成像
推行
偏振成像能够经过对对象偏振讯息举办探测解析，以提升对象在繁杂靠山下目方位判断才力，使得在保守强度成像系统下“不行见”的对象变成“看来”，在处境监测、遥感、生物医学、军事探测等范围都具备相当大的运用潜力。偏振成像系统可分为分时型、分焦面型、分孔径型和分振幅型。基于对动态目方位探测需求，今朝偏振成像系统正朝向快分时和同时偏振成像的方位发展。因而，分焦平面型偏振成像系统，由于其布局紧凑、实用于可挪动基座的机载平台和可时刻动态图象收罗的上风，成为当下的研讨热门。
分焦面偏振成像的旨趣是：将微偏振阵列集成在普遍相机的传感器上，别离讨取对象光中的不同偏振方位的强度记号，反向解算出其Stokes矢量，从而取得对象光场中偏振度、偏振角等讯息。看来，微偏振阵列器件是分焦平面型偏振成像系统的中枢元件。打算制做微偏振阵列的关键题目在于，何如哄骗以低成本、低难度建立具备高精度、高功用的偏振器件，如许才华将偏振成像的上风在各行各业取得充足的表现。
当前，哄骗金属线栅、超表面阵列布局来完结对偏振状况的调制已被遍及研讨，但这些器件布局较为繁杂，面对加工精度请求高、运用波段控制、消光比低等题目，孕育偏振衡量精度和成像品质下落。液晶微偏振阵列（LiquidCrystalsMicropolarizerarray，LCMParray）有着打算精巧、工艺简洁、功用褂讪等奇特上风，希望完结高性价比、高精确度的偏振衡量与成像，为基于分焦面的偏振成像供应了有力援助。
不日，华夏科学院长春色学精细机器与物理研讨所穆全全研讨员团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，华文中枢期刊）年第3期颁发了题为“用于偏振成像的液晶微偏振阵列研讨发展”的综述文章，并当选做当期封面文章。
该文章讲解了在线偏振成像以及全Stokes偏振成像中，液晶偏振阵列的不同器件结讲和办事旨趣，议论了液晶微偏振阵列与偏振探测本领相贯串的发展趋向和运用中面对的挑战。
图1：《液晶与显示》年第3期封面
1.运用于线偏振成像的液晶微偏振阵列研讨发展偏振成像最先是从哄骗扭转偏振片，来猎取场景中的线偏振讯息起头发展的。因而最后始的分焦平面阵列的打算思绪，也是哄骗各类微纳加工权谋将偏振片微型化，孕育偏振方位不同的线偏振片阵列，如金属线栅阵列。在线偏振衡量和成像中，常常应用0°、90°、45°和°的微偏振片孕育偏振阵列，哄骗探测到的四个偏振态，能够筹划收支射光的Stokes矢量的前三个份量，从而取得其线偏振度（Degreeoflinearpolarization，DoLP）和偏振角（Angleofpolarization,AoP）讯息。哄骗液晶孕育的线偏振片阵列，能够分为染料摄取型LCMP和偏振旋光型LCMP。
图2:(a)0°、45°、90°和°微偏振片孕育的偏振阵列示妄念(b)0°、45°、90°和°的线偏振态在Poincaré球上的示妄念
图源：液晶与显示，,37(3):.Fig.4
1.1基于染料摄取的液晶微偏振阵列
二向色性染料同液晶分子同样可视为棒状的分子。当它做为搀杂的客体，会与主体的液晶分子沿特定方位协同摆列。入射光相对于染料分子长轴方位雷同的震荡份量会被剧烈摄取，起到线偏振片的功效。基于此旨趣，年香港科技大学赵晓锦等人哄骗光控取向本领制备了0°、90°、45°和°的染料摄取型液晶微偏振片阵列。其赶上的长处在于厚度薄，褂讪性好。但由于二向色染料的束缚，它的消光比和透过率较低且能够遮蔽的波段规模也极端控制。图3：(a)正性染料分子办事旨趣示妄念(b)基于二向色性染料搀杂的“宾主效应”液晶偏振片示妄念
图源：(a)液晶与显示，,37(3):.Fig.1(b)OpticsExpress,,19:.Fig.1
1.2基于偏振旋光的液晶微偏振阵列
歪曲摆列的液晶具备偏振旋光性格，入射的线偏振光会跟从液晶分子的歪曲方位产生偏振扭转。在出射面处安顿一平行于液晶指向矢的线偏振片，可孕育歪曲液晶偏振片，改革初始偏振片的偏振方位。经过调解打算液晶层的歪曲角度、厚度及双折射系数以知足摩根前提，便可在相当宽的波段规模内都能很好地完结线偏振扭转功效。这为线偏振片的阵列化供应了打算思绪。基于此，年，华夏科学院长春色学精细机器与物理研讨所张士元等人打算并制备了一种实用于看来光波段线偏振成像的四畴歪曲液晶微偏振阵列。相较于具备90°以至°高歪曲的打算，该歪曲液晶微偏振阵列经过左、右双向歪曲布局低沉歪曲角度，同时增大液晶的双折射并举办厚度优化，以取得更高的偏振效率。试验讲明，对于线偏振度和线偏振角衡量的过错别离小于1.15%和0.65°，能够知足偏振探测的精度需求。图4：四畴歪曲液晶微偏振阵列布局示妄念
图源：OpticsExpress,,29:.Fig.1
2.运用于全Stokes成像的液晶微偏振阵列研讨发展比年来，研讨人员渐渐发觉金属、碳颗粒和植物表面能够在特定的方位带有很强的圆偏振性格，当平均粒径在波长量级或更大的散射介质时，圆偏振光比线偏振光具备更好的保偏性格。圆偏振光的这些性质，对鞭策去雾遥感、消防、水下潜艇探测、跟踪本领的发展具备重粗心义。因而在偏振成像中，完结对包罗线与圆偏振讯息同时在内的全Stokes讯息的探测具备紧急意义。
2.1简洁全Stokes液晶微偏振阵列比拟于线偏振成像而言，全Stokes偏振成像包罗了前者没有的圆偏振讯息，补全了包罗偏振度（Degreeofpolarization,DoP）和圆偏振度（Degreeofcircularpolarization，DoCP）在内的一块入射光偏振讯息，因而请求必需包罗圆偏振敏锐的元件。从Stokes矢量的界说启程，最简洁的方法便是将线偏振阵列中的此中一个方位的线偏振片变成圆偏振片，孕育简洁全Stokes微偏振阵列。
图5：简洁全Stokes微偏振阵列探测的偏振状况在Poincaré球上的示妄念
图源：OpticsExpress,,22:.Fig.1
年，香港科技大学赵晓锦等人的课题组提议了第一种可完结全Stokes探测的液晶微偏振阵列。该微偏振阵列布局高明哄骗了液晶的不同性格：哄骗液晶的旋光性，贯串均一方位的线栅偏振片，完结了对0°及90°线偏振光的探测；哄骗液晶的电控笔直摆列对偏振功效不孕育影响，完结了对45°偏振光的探测；哄骗液晶平行摆列时的双折射性格，完结了对右旋圆偏振光的探测。但由于该阵列使历时需求电控，因而需求刻蚀阵列化的ITO电极，而且在举办阵列化光控取向时还需举办像素瞄准，增进了制备难度，对实践运用孕育了不便。
图6：香港科技大学赵晓锦课题组提议的液晶微偏振阵列布局示妄念
图源：OpticsExpress,,18:.Fig.3
年，美国亚利桑那大学GrahamMyhre等人提议了?哄骗两液晶会合物膜来完结简洁全Stokes微偏振阵列的办法，并胜利集成在了CCD相机中。第一层是哄骗了液晶平行摆列时的双折射性格，完结位相的变动；第二层哄骗了搀杂二色性染料的液晶会合物偏振片阵列，对光的偏振状况举办探测。两个膜层的组合完结了0°、45°、90°线偏振以及右旋圆偏振光的探测。
该布局无需电控，防止了对电极的刻蚀，也更简洁集成到相机中。但该微偏振阵列的两层液晶会合物的取向不同，需求建立缓冲层以防止层间取向侵犯，同时还需求举办两次阵列化瞄准，这同样为制备操纵带来必要艰难。
图7：美国亚利桑那大学GrahamMyhre课题组提议的液晶微偏振阵列(a)布局示妄念(b)探测的偏振状况示妄念
图源：(a)OpticsExpress,,20:.Fig.9(b)液晶与显示，,37(3):.Fig.15
2.2优化的全Stokes液晶微偏振阵列由于简洁的Stokes微偏振阵列探测的为三个线偏振及一个圆偏振，在Poincaré球上散布不平均，衡量过错较大。为了提升偏振衡量精度，提升系统的抗噪性，年，美国亚利桑那大学Wei-LiangHsu等人在GrahamMyhre办事的根基上，提议了哄骗平行摆列液晶波片阵列与平均的偏振片组合孕育优化的椭圆偏振片阵列。
相较于简洁的全Stokes微偏振阵列，由于只要要一个阵列化取向层，防止了制做经过中的像素级其它反复瞄准，大大低沉了微偏振阵列的缺点密度；同时，由于用于探测的四个椭圆偏振态在Poincaré球上平均散布，哄骗优化的全Stokes微偏振阵列举办偏振衡量的精度和信噪比也显著提升。
图8：(a)优化的微偏振片阵列布局及探测偏振态示妄念(b)优化的全Stokes微偏振阵列探测的偏振状况在Poincaré球上的示妄念
图源：OpticsExpress,,22:.(a)Fig.1,(b)Fig.2
2.3对全Stokes液晶微偏振阵列宽波段优化的摸索由于平行摆列的液晶会合物波片仅对简洁波长知足响应的最优化推迟量，对这类优化的全Stokes微偏振阵列的宽波段运用孕育了必要的艰难。为了使得液晶微偏振阵列面向宽波段的运用途景，年，美国亚利桑那大学XingzhouTu等人提议了一种采用多层平行液晶重叠的布局。这在理论上是可行的，但多层布局面对需求屡次举办像素级瞄准的暴光取向、建立多个缓冲层以防止层间取向侵犯等题目，这将大大提升了缺点密度，孕育器件品质下落、以至无奈应用的状况，尚有待进一步摸索。
图9：能够完结消色差的全Stokes微偏振阵列的多层平行液晶重叠布局示妄念
图源：OpticsExpress,,25:.Fig.4
3.归纳与预测液晶微偏振阵列有着工艺简洁、平均度高、打算精巧、功用褂讪、成本便宜等奇特上风。经过阵列化光控取向完结一种或几种液晶摆列方法的组合，可用于完结线偏振或全Stokes衡量及成像，极具发展潜力。
来日对于液晶微偏振阵列的研讨将更多地集合于对其宽波段的优化打算。另一方面，针对不同运用途景中线偏振度和圆偏振度的成份占比，能够对液晶微偏振阵列举办订制优化，知足对特定场景的高精度偏振成像。在对物体空间与偏振讯息同步探测方面，近晶相液晶的自组装微布局的关联研讨，也为分焦平面偏振成像的完结供应了新思绪。
论文讯息
张士元,孙子珺,穆全全,等.用于偏振成像的液晶微偏振阵列研讨发展[J].液晶与显示,,37(3):-.
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