基于超构光栅透镜的单片偏振相机：超构表面在偏振成像领域迈向实用化

近日，暨南大学物理与光电工程学院李向平、邓子岚教授团队与苏州山河光电科技有限公司合作，成功研发了一款基于超构光栅透镜（Meta-grating-lens）的毫米级单片偏振相机。该相机仅利用单片超构光栅透镜器件，可一次性捕获同一物体的多个偏振图像，并结合偏振态重构算法实现全斯托克斯偏振成像。利用改进型矢量Gerchberg-Saxton（GS）算法与光线追迹优化，所设计的偏振相机实现了14°视场角内低偏振测量误差（<1.32%）的像素级偏振成像，同时有效抑制零级衍射噪声，显著提升了超构表面集成偏振相机的实用性，标志着超构表面光学在偏振成像领域向实用化迈出了关键一步。该成果以Meta-grating-lens–based monolithic polarization camera为题，发表在《Science Advances》上。

研究背景

偏振，即光振动的方向，包含了大量人眼无法直接感知的光与物质相互作用信息，对物质的检测和识别具有重要作用。常规相机或成像系统只能探测光的位置、强度和波长信息，因此需要加入多个偏振片、波片等器件才能获取完整的偏振信息。这些额外器件使得传统偏振成像系统结构复杂、体积庞大且价格昂贵，极大限制了偏振成像在生物检测、自动驾驶、消费电子等小型化和低成本应用场景的使用。超构表面作为一种新兴的纳米光子平台，可通过亚波长结构精确、高效地调控光场偏振和波前，实现高集成度的多维光场感知，在成像与传感系统小型化、集成化、以及降低成本方面具有显著的优势，也为紧凑型偏振相机的开发提供了可能。

研究亮点

本研究核心创新在于提出了一种矢量超构光栅透镜（MGL），将光束分离、偏振分析和成像功能集成于单层超构表面。关键技术突破包括：

- 大视场与高效率：衍射角优化设计使成像视场角达到14°，平均聚焦效率>60%，零级衍射噪声低于2.3%，全视场内接近衍射极限成像质量。

- 精细像素与实时成像：偏振响应具有较高角度容差（二向色性变化<2%），支持像素级全斯托克斯参数重建。相机帧率可达23 fps，处理延迟仅10毫秒，满足实时动态场景监测需求。

- 紧凑结构：相机尺寸仅为9.2mm × 9.2mm × 4.81mm（与CMOS图像传感器尺寸直接相关），可直接集成于商用传感器前端，无需复杂对齐。

- 高适配性：该偏振成像系统可在设计上灵活调整各子图的偏振态，并按实际应用场景需求适配不同的CMOS图像传感器。

基于超构表面光栅的偏振相机工作原理、设计结果、超构表面纳米结构，以及相机实物等。

实验验证：从应力检测到面部反欺诈

研究团队通过多项实验验证了基于超构表面光栅的偏振相机的功能和实用性。在全斯托克斯成像测试中，相机成功捕获了聚碳酸酯片在应力下的双折射现象：未加压时，偏振参数图像均匀；施加压力后，DoLP（线偏振度）和DoCP（圆偏振度）图像出现周期性明暗条纹，清晰反映应力分布。此外，对塑料瓶底的成像还显示出偏振涡旋特征，可用于深度重建。在面部反欺诈应用中，相机通过分析活体人脸与打印图片的偏振特征，实现了高效区分。所有情况下，原始成像数据中均观察不到零级串扰，表明此超构光栅透镜具备优异的设计与加工工艺。

全斯托克斯偏振成像实验结果，包括对线偏振器、聚碳酸酯片、塑料瓶等不同材质和外形物体的偏振响应分析。

基于超构表面光栅的偏振相机的人脸反欺诈效果。真实人脸和打印照片的融合图像的纹理差异可清晰区分，χ²距离达0.9199，表明这种物理驱动的偏振特征提取优于传统强度图像分析方法，可有效抵御3D模型欺骗。

总结与展望

这款单片偏振相机将偏振路由、偏振分析和高精度成像三种功能融合在一层超构表面中，实现了真正意义上的高集成、微型化、高性能、全Stokes偏振成像系统。该系统在近红外波段14°视场角内偏振测量误差小于1.32%，平均偏振二向色性变化小于2%、聚焦效率超过60%，且零级噪声抑制到2.3%以内。更重要的是，该偏振成像系统可在设计上灵活调整各成像子图的偏振态，并按实际应用场景需求适配不同的图像传感器，不再受制于市场上有限的几种偏振传感芯片。随着超构表面技术的不断发展和成熟，这类偏振相机或将成为智能手机、AR/VR设备、机器人视觉、医疗检测、自动驾驶等系统的标准组件，推动偏振光学从实验室走向日常生活。