高動(dòng)態(tài)范圍生物激發(fā)偏振成像儀

正文

高動(dòng)態(tài)范圍生物激發(fā)偏振成像儀

摘要：偏振是光的三個(gè)基本特性之一竹挡，另外兩個(gè)是顏色和強(qiáng)度，但大多數(shù)脊椎動(dòng)物立膛，包括人類揪罕，對(duì)這種光形態(tài)是盲目的。相比之下宝泵，許多無脊椎動(dòng)物好啰，包括昆蟲、蜘蛛儿奶、頭足類動(dòng)物和口足類動(dòng)物框往，已經(jīng)進(jìn)化到用高動(dòng)態(tài)范圍光敏細(xì)胞檢測(cè)偏振信息，并在視覺引導(dǎo)行為中利用這些信息闯捎。在本文中椰弊，我們提出了一種高動(dòng)態(tài)范圍極化成像傳感器的靈感來自于螳螂蝦的視覺系統(tǒng)。我們的生物靈感成像儀在配備對(duì)數(shù)光電二極管的384 × 288像素上實(shí)現(xiàn)140 dB動(dòng)態(tài)范圍和61 dB Max信噪比瓤鼻。與有源像素傳感器相反秉版，單個(gè)像素中的光電二極管在反向偏置模式下工作，并產(chǎn)生高達(dá)~ 60 dB的動(dòng)態(tài)范圍茬祷，我們的像素通過在正向偏置模式下操作單個(gè)光電二極管具有對(duì)數(shù)響應(yīng)清焕。這種新型像素電路與由250納米高× 75納米寬鋁納米線組成的像素偏振濾波器整體集成，可實(shí)現(xiàn)每秒30幀的快照偏振成像祭犯。該傳感器可用于許多汽車和遙感應(yīng)用秸妥，其中增強(qiáng)偏振信息的高動(dòng)態(tài)范圍成像可在霧霾或多雨條件下提供關(guān)鍵信息。

1. 引言

偏振成像可以為我們提供關(guān)于周圍shi界的豐富信息---光的偏振可以像記憶泡沫一樣沃粗，“記住”光在先前的光學(xué)相互作用中遇到的介質(zhì)或者物體的固有屬性粥惧。這種模式的光編碼信息，包括（3D）形狀最盅，表面粗糙度突雪，材料或者組織結(jié)構(gòu)組成等。盡管大自然并不賦予人眼分辨偏振光的能力檩禾，但是大量的動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出了在視覺引導(dǎo)的行為中辨別和利用偏振光的能力挂签。例如，沙漠螞蟻利用天空的偏振特性盼产，在長(zhǎng)時(shí)間隨機(jī)覓食后直接回家。鳥類也利用對(duì)天空的偏振特性來校準(zhǔn)它們的磁場(chǎng)羅盤勺馆，同時(shí)螳螂蝦和劍尾魚身上的極化模式提供了相同的交流渠道戏售。

在動(dòng)物王國(guó)的各種視覺系統(tǒng)中侨核，螳螂蝦的視覺系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化成為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，能夠探測(cè)16個(gè)光譜通道和4個(gè)線性偏振通道灌灾，2個(gè)圓偏振通道搓译。此外，單個(gè)光感受器對(duì)入射光強(qiáng)有對(duì)數(shù)反應(yīng)锋喜，使得這些生物具備了高動(dòng)態(tài)范圍成像能力些己。有了這種復(fù)雜的成像能力，螳螂蝦被認(rèn)為是淺水捕食者之一就不足為奇了嘿般。其典型的 視覺系統(tǒng)一直是幾個(gè)仿生顏色和偏振成像系統(tǒng)研究動(dòng)力段标。盡管這些生物成像傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多生物醫(yī)學(xué)和遙感應(yīng)用，但由于使用了帶有反向偏壓光電二極管的傳統(tǒng)有源像素傳感器炉奴，其成像動(dòng)態(tài)范圍被限制為~ 60 dB逼庞。

由于偏振光現(xiàn)象的性質(zhì)，高動(dòng)態(tài)范圍在各種偏振應(yīng)用中是必要的瞻赶，如在鏡面反射中赛糟，天體成像和偏振光顯微鏡中等。例如砸逊，在汽車工業(yè)中璧南，高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)用于捕捉照明容易發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)變化的場(chǎng)景，例如離開車庫(kù)或者隧道的過程中师逸。增加一個(gè)并不昂貴的高動(dòng)態(tài)范圍偏振計(jì)在導(dǎo)航?jīng)Q策過程中為汽車計(jì)算機(jī)提供關(guān)于道路環(huán)境的偏振信息對(duì)汽車工業(yè)是非常有益的穆咐，以類似的方式，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有嚴(yán)格的照明指南字旭，特別是在手術(shù)過程中对湃。要想將偏振計(jì)集成到手術(shù)流程中揮發(fā)偏振優(yōu)勢(shì)，就必須能夠在高動(dòng)態(tài)照明條件下獲得重要且有意義的偏振數(shù)據(jù)遗淳。

目前偏振成像傳感器是通過將偏振光學(xué)與偏振盲光電探測(cè)器陣列相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的拍柒，這取決與所選的成像結(jié)構(gòu)，光強(qiáng)在時(shí)間屈暗，光振幅或焦平面區(qū)域內(nèi)的偏振調(diào)制拆讯。從這些不同的架構(gòu)中，仿生和焦平面劃分旋光儀的研究成果因其魯棒性养叛，緊湊性和單芯片集成种呐，可以在單個(gè)快照中同時(shí)獲取所有相關(guān)的數(shù)據(jù)平面得到激增。因此弃甥，這些偏振儀已廣泛的應(yīng)用于許多領(lǐng)域爽室，包括3D形狀重建，霧霾條件下增強(qiáng)對(duì)比度淆攻，材料檢測(cè)阔墩，癌癥檢測(cè)嘿架，韌帶應(yīng)力識(shí)別和水下地理定位等。

盡管偏振探測(cè)器已被添加到各種成像的傳感器中啸箫，但是這些偏振在非偏振相關(guān)指標(biāo)（幀率耸彪、分辨率、噪聲和動(dòng)態(tài)范圍）上仍然比不上它們的表親彩色數(shù)字相機(jī)忘苛。這些光電限制阻礙了偏振應(yīng)用的有效性蝉娜，并zui終減緩了偏振技術(shù)的工業(yè)集成應(yīng)用。偏振技術(shù)面臨的缺點(diǎn)之一就是目前偏振計(jì)所提供的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍有限扎唾。

圖1.我們的仿生高動(dòng)態(tài)范圍偏振相機(jī)與它的生物對(duì)口召川，螳螂蝦小目的圖解比較。(a)螳螂蝦的復(fù)眼分為三個(gè)形態(tài)部分:兩個(gè)半球和一個(gè)中帶部分稽屏。外周半球的橫紋肌通過雙向微絨毛的交替堆疊對(duì)兩個(gè)正交方向的線偏振光敏感扮宠。微絨毛在兩個(gè)半球之間旋轉(zhuǎn)45°，用于分析偏振光的四個(gè)e矢量方向狐榔。(b)對(duì)數(shù)偏振成像儀框圖坛增。該成像儀由384 × 288像素陣列組成，其中每個(gè)光電二極管完全由納米線偏振濾波器覆蓋薄腻。(c)對(duì)數(shù)有源像元示意圖收捣。光電二極管正向偏置，通過對(duì)數(shù)壓縮光電二極管在輸出電壓下的電流來實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍庵楷。(d)納米線偏振濾光片的掃描電子顯微照片罢艾。構(gòu)成每個(gè)像素濾波器的納米線高250nm，寬75nm尽纽，占空比為50%咐蚯。比例尺為20 μm。

為了解決當(dāng)前偏振成像儀的這些缺點(diǎn)弄贿，本文設(shè)計(jì)春锋，制作并檢測(cè)了基于螳螂蝦視覺系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)范圍偏振儀（圖 1 ）。與有源像素傳感器相比差凹，單個(gè)像素中的光電二極管在反向偏置模式下工作期奔，并產(chǎn)生高達(dá)60 dB的動(dòng)態(tài)范圍，這里的像素通過在正向偏振模式下操作光電二極管具有對(duì)數(shù)相應(yīng)危尿，成像儀采用180納米cmos技術(shù)制作呐萌，空間分辨率384 × 288像素，動(dòng)態(tài)范圍為140 dB谊娇，信噪比(SNR)為61 dB肺孤，工作速度為30幀/秒(fps)。單芯片偏振測(cè)量是通過鋁納米線偏振濾波器陣列與自定義的對(duì)數(shù)COMS光電探測(cè)器陳列的整體集成來實(shí)現(xiàn)的。該傳感器可用于許多汽車和遙感應(yīng)用渠旁，其中增強(qiáng)偏振信息的高動(dòng)態(tài)范圍成像可在霧霾或者多雨條件下提供關(guān)鍵信息攀例。

本文的對(duì)數(shù)偏振成像傳感器的框圖船逮，其對(duì)數(shù)像素結(jié)構(gòu)的示意圖顾腊，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。該傳感器由384 × 288像素陣列組成挖胃，像素間距為30 μm杂靶，采用CMOS 180nm工藝制作比勉。一旦成像儀在傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶元廠制造完成臼氨，偏振濾光片就會(huì)通過伊利諾伊大學(xué)香檳分校優(yōu)化的納米制造程序進(jìn)行整體集成胯府。在集成過程的zui后奕巍，像素化偏振濾波器偏移45°的2 × 2模式在整個(gè)成像陣列上重復(fù)辟拷。單個(gè)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孵坚，占空比為50%(如圖1)贫导。CMOS像素和鋁納米線的單片集成使得能夠在單個(gè)快照中捕獲成像環(huán)境的偏振特性的單片偏振成像儀得以實(shí)現(xiàn)易阳。

本文通過對(duì)數(shù)偏振相機(jī)所捕獲的共配高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景強(qiáng)度和偏振信息的樣本圖像如圖2所示蔚舀。該場(chǎng)景包括一個(gè)由三個(gè)偏置60°的偏振濾波器組成的偏振目標(biāo)饵沧，一個(gè)錐形硅錠，一個(gè)黑色塑料馬赌躺，一個(gè)大功率LED手電筒放在偏振目標(biāo)后面狼牺。圖2(a)顯示了本文的傳感器在線性化(即原始對(duì)數(shù)數(shù)據(jù))之前捕獲的場(chǎng)景強(qiáng)度圖像，來演示單個(gè)打印中的黑色和高亮部分的細(xì)節(jié)礼患。這個(gè)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍為94.3 dB是钥，主要是由黑色塑料馬和LED手電筒之間的照度差實(shí)現(xiàn)的。圖2(b)顯示了線性偽彩色圖中場(chǎng)景的DoLP缅叠，其中紅色和藍(lán)色區(qū)域分別表示完全偏振光和非偏振光悄泥。類似地，圖2(c)顯示了圓形假彩色地圖中場(chǎng)景的AoP肤粱，其中紅色和藍(lán)色區(qū)域分別表示水平(0?或180?)和垂直(90?)偏振光弹囚。由于其固有的材料特性，目標(biāo)內(nèi)的每個(gè)偏振濾光片都顯示出均勻的高DoLP和AoP狼犯，它們各自的顏色與它們的方向相匹配余寥。具有高折射率的硅錠表現(xiàn)出與其形狀相符的有趣偏振特性:在高天頂角表面上，硅錠具有高度偏振悯森，并且由于表面方位角的變化宋舷，硅錠在其錐形中心周圍表現(xiàn)出連續(xù)的AoP變化。以類似的方式瓢姻，黑馬盡管強(qiáng)度值低祝蝠，但顯示適合其形狀特征的DoLP和AoP簽名。

圖2：由對(duì)數(shù)偏振相機(jī)捕獲的樣本圖像顯示其高動(dòng)態(tài)范圍和偏振能力。該場(chǎng)景包括一個(gè)偏振目標(biāo)绎狭，一個(gè)錐形硅錠细溅，一個(gè)黑色塑料馬，和一個(gè)大功率LED手電筒儡嘶。(a)強(qiáng)度圖像喇聊，動(dòng)態(tài)范圍為94.3 dB，主要由黑塑料馬與LED手電筒的照度差決定;(b)線性偽彩色圖中場(chǎng)景的DoLP蹦狂，其中紅色和藍(lán)色區(qū)域分別表示全偏振光和非偏振光;(c)圓形偽彩色地圖中的場(chǎng)景AoP誓篱，其中紅色和藍(lán)色區(qū)域分別表示水平和垂直偏振光。(b)和(c)顯示了硅錠和黑塑料馬上與其形狀一致的極化特性凯楔。

結(jié)果表明窜骄，本文的緊湊，低功耗摆屯，單芯片對(duì)數(shù)偏振成像系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景下具有較高的偏振靈敏度邻遏。本文的偏振成像儀可以實(shí)時(shí)捕獲共配的高動(dòng)態(tài)范圍偏振數(shù)據(jù)幀。光電特性表明虐骑，通過在正向偏置模式下操作光電二極管准验，我們的成像儀實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍為140 dB，信噪比為61 dB富弦，分別比文獻(xiàn)中報(bào)道的高數(shù)字大了約600倍和約5倍沟娱。本文的技術(shù)和偏振儀之間的比較見表1。像素化納米線偏振濾光片的加入產(chǎn)生了高偏振靈敏度腕柜，適用于從遙感到生物醫(yī)學(xué)成像等苛刻的應(yīng)用济似。

表1：偏振傳感器綜述與比較

昊量光電的光電流測(cè)試系統(tǒng)具有顯微矢量光場(chǎng)調(diào)控部件，利用DMD（數(shù)字微鏡陣列）和SLM（空間光調(diào)制器）（如圖3）實(shí)現(xiàn)激發(fā)光不同區(qū)域&位置-占空比和強(qiáng)度不同以及不同區(qū)域相位（偏振態(tài)）的控制盏缤∨榇溃可同對(duì)整個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行激發(fā)，幫助上述違章中的數(shù)字陣列偏振傳感器實(shí)現(xiàn)不同形狀唉铜，不同占空比台舱，不同相位以及不同偏振態(tài)的光電流測(cè)量，評(píng)估器件靈敏度還能將陣列分布的信息混雜成單點(diǎn)潭流。擁有VIS NIR MIR多種單波長(zhǎng)光源選配竞惋，可以在面內(nèi)&面外磁場(chǎng)、低溫腔室灰嫉、以及特殊氣氛下使用拆宛。與此同時(shí)還具有超強(qiáng)的開發(fā)能力，有光束整形讼撒、波長(zhǎng)合束浑厚、空間調(diào)制股耽、頻率調(diào)制、寬譜光源&選頻等多種光源方式钳幅，可實(shí)現(xiàn)熒光光譜物蝙、拉曼光譜、熒光壽命敢艰、透射光譜诬乞、器件泵浦探測(cè)、光子反聚束多種探測(cè)模式盖矫，在原位超低溫丽惭、磁場(chǎng)击奶、電化學(xué)辈双、放射性材料等多種條件下均可使用。

圖6：DMD（數(shù)字微鏡陣列）和SLM（空間光調(diào)制器）

在本文中柜砾，提出了一種仿生高動(dòng)態(tài)范圍偏振成像傳感器湃望。該傳感器以兩種方式模擬了螳螂蝦的視覺系統(tǒng):(1)它利用了四個(gè)不同的像素偏振濾波器，偏移45°痰驱，并集成了光敏元件;(2)底層光電二極管以正偏模式工作证芭，對(duì)入射光子產(chǎn)生對(duì)數(shù)響應(yīng)。通過整體結(jié)合這兩項(xiàng)進(jìn)步担映，我們創(chuàng)建了一個(gè)快照偏光計(jì)废士，工作速度為30 fps，動(dòng)態(tài)范圍為140 dB蝇完。傳統(tǒng)CMOS成像傳感器通過在反向偏置模式下操作單個(gè)像素的光電二極管官硝，在入射光子通量和輸出數(shù)字值之間提供線性關(guān)系，這與傳統(tǒng)CMOS成像傳感器不同短蜕，能夠創(chuàng)建具有對(duì)數(shù)響應(yīng)和61 dB的特殊信比的成像儀氢架。由于其小巧的尺寸和潛在的低于10美元的低制造成本，這種圖像傳感器可以成為許多汽車或遙感應(yīng)用中不可或缺的一部分朋魔。昊量光電的矢量光場(chǎng)調(diào)控可有效的幫助數(shù)字陣列器件不同形狀岖研，不同占空比，不同相位以及不同偏振態(tài)的光電流測(cè)量警检，還能將陣列分布的信息混雜成單點(diǎn)孙援。具有超強(qiáng)的開發(fā)能力和復(fù)雜實(shí)驗(yàn)條件的適用性。

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