Science子刊 | 新型光传感器

江苏激光联盟导读：

据悉，来自美国北卡罗来纳州立大学和韩国先进科技学院的研究人员们受到螳螂虾眼睛启发，开发了称为SIMPOL的新型光传感器，能够在单个像素中进行快照高光谱和偏振感测。该研究成果昨日发表在Science Advances上，题目为"Mantis shrimp-inspired organic photodetector for simultaneous hyperspectral and polarimetric imaging," appears in the journal Science Advances".

光谱偏振成像(Spectral polarization imaging, SPI)是一种四维测量技术，可获取场景的空间、光谱和偏振信息。这种最先进的成像方法有可能彻底改变从农业和医学到国防和太空探索的许多领域。尤其是，SPI在生物医学成像（例如诊断人类癌组织）中起着至关重要的作用。光谱成像量化了组织氧化和黑色素分布的变化。相比之下，偏振成像可减少来自空气/组织界面的表面和镜面反射，并能提高表面下细节的可见性。结合这两种方式，可以使健康组织与患病或受损组织区分开，且灵敏度高于单独的每种测量方式。除了需要用于光调制的厚双折射元件以及光谱仪的通道SPI方法之外，当前的检测器级SPI策略还需要时间数据收集或使用空间上分离的检测元件进行快照成像。前者容易出现暂时的图像重合失调，从而严重降低图像质量。后者解决了时间失配，但由于其四个在空间上分离的偏振敏感探测器，导致了固有的空间失配。这增加了图像传感器的尺寸和成本，并引入了空间采样误差，尤其是在场景边缘附近。

虽然有目前有大的设备能够捕捉高光谱和偏振图像，但智能手机大小的成像技术遇到了重大挑战。例如，手机摄像头技术的设计会导致最终图像中不同波长的光的对准出现非常小的误差。结果对于拍摄一般照片来说并不是什么大问题，但是对于科学图像分析却是有问题的。当相机可以捕获更多颜色时（与高光谱技术一样），问题就更加恶化了。为了在快照配置中用单个像素实现同时的光谱和偏振传感，来自美国北卡罗来纳州立大学和韩国先进科技学院的研究人员们引入了一种螳螂虾眼睛启发式有机光电探测器设计，可实现与动物视觉系统相同的许多自由度。该新型传感器可以小到装在智能手机上，并能够进行高光谱和偏振成像。

新的光传感器的创造者灵感来自螳螂虾的眼睛，它们非常擅长准确捕捉细微的颜色渐变。因此，研究人员创造了一种模仿螳螂虾眼的有机电子传感器。它被称为受口足类动物启发的多光谱和偏振(SIMPOL, Stomatopod Inspired Multispectral and POLarization)传感器。而且，stomatopod是螳螂虾的别称。

该传感器可以同时记录四个光谱通道和三个偏振通道。相比之下，智能手机中使用的电荷耦合器件只有三个光谱成像传感器，可以检测红色、绿色和蓝色；和只有两个偏振通道。此外，SIMPOL原型可以在一个点上测量四个颜色通道和三个偏振通道，而电荷耦合器件(Charge-coupled Device, CCD)依赖于分布在几个点上的成像传感器。

图1. 螳螂虾眼和生物启发探测器。

▲图解：(A) 螳螂虾（O. Scyllarus）的图像, (B) 口足动物眼的正视图, (C) 横纹肌的双向横截面, (D)中频带的矢状横截面。R1至R8的颜色不同，以区分其光谱灵敏度。(E) SIMPOL传感器的结构。虚线箭头表示衰减器的传输轴。(F) 折叠式延迟器元件和每个折叠式延迟器的设计光谱延迟。

SIMPOL探测器具有螳螂虾眼的许多功能，其优点是所有光学模态（光谱和偏振）都可以在单个像素中同时实现。图1E中示出了示例性SIMPOL传感器。它由六个半透明的P-OPV（OPV1至OPV6）和一个堆叠在OPV2下方的线性偏振器（LP）组成。另外，OPV3至OPV6与双折射折叠式延迟器FR1至FR4顺序地交替。

图2. 折叠式缓速器的实验装置

研究人员使用单像素SIMPOL传感器实验性地执行了光谱和偏振成像。这里采用的成像技术是在整个目标上进行空间光栅扫描，而研究人员的SIMPOL传感器保持静止。完整的实验设置如图3和图4所示。传感器结构由六个OPV检测器（OPV1至OPV6）和四个FR滤波器（FR1至FR4）组成。如图1E所示，确定了OPV偏振轴的方向。相对于x轴，OPV1定向为0°，OPV2定向为45°，OPV3至OPV6定向为90°。此外，红色、蓝色、绿色和黄色FR滤镜分别放置在OPV3，OPV4，OPV5和OPV6的前面。这种配置使得可以使用OPV3至OPV6来检测四个光谱通道，以及使用OPV1（I0），OPV2（I1）来检测三个全色偏振强度，以及从OPV3到OPV6（I2）的检测强度之和。这提供了三个强度I0，I1和I2，它们在偏振计中名义上等于I0，I45和I90。但是，考虑到结构的串联特性，应用了更复杂的数据缩减技术。

图3. SIMPOL成像设置和偏振成像。

▲图解：(A) SIMPOL单像素相机的实验设置，(B) 总强度S0, (C) S1/S0重建，(D) S2/S0重建, (E) DoLP, (F) AoP和 (G) 感知上均匀的偏振色映射Viridis。

图4. SIMPOL传感器的实验设置

除了偏振成像结果外，研究人员同时还从OPV3到OPV6采集了四张独特的光谱图像。结果示于图5(A至D)。每对FR-OPV对那些铅笔显示高亮度，其光谱响应与FR的光谱响应重叠。相反、较暗的铅笔区域表示铅笔的光谱响应与FR的响应不一致或接近。例如，对于OPV4图像，可以看出青色铅笔相对于其他铅笔显示出更高的亮度，这表明其光谱与487纳米蓝色FR滤镜的中心波长重合。此外，我们结合了图5中的四个光谱通道（A到D）以形成目标的彩色合成图像，如图5E所示。如前所述，此处采用的技术基于真实色彩合成方案，并且具有与每个光谱带关联的相关系数度量。

图5光谱和偏振成像组合。

▲图解：来自(A) OPV3，(B) OPV4，(C) OPV5和 (D) OPV6的光谱图像。(E) 来自OPV检测器的彩色合成，以及(F) 与偏振图像组合的彩色图像，其中偏振由箭头表示。对(G)绿色，黄色和红色铅笔以及(H)青色、蓝色、洋红色和橙色铅笔的铅笔光谱进行测量和SIMPOL重建。

总之，这种生物激发的光谱偏振传感器被称为SIMPOL的传感器可以模拟螳螂虾的视觉系统。该结构基于将P-OPV与聚合物延迟器集成，以实现多光谱和偏振传感的显著自由度。建模表明，这种设计方法能够测量400至750纳米的超过15个光谱通道。实验证明，该生物激发传感器可以检测四个光谱通道，光谱分辨率高达16.9纳米FWHM，并可以提供高光谱重建精度，平均RMSE为2.17%。此外，该传感器可以检测三个偏振通道，并以低至0.59%的RMSE进行偏振重建。这种传感器有可能对有机半导体作为光电探测器的应用产生重大影响，推动能够沿单一光轴进行超光谱和偏振成像的紧凑型单片有机探测器的发展。SIMPOL检测器在需要同时测量光谱和偏振数据的成像应用中特别有益，并且需要小的传感器尺寸，同时具有高效的偏振和光谱性能。

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