一种获取全偏振参数的微偏振片阵列、制备方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了提供一种获取全偏振参数的微偏振片阵列、制备方法及其应用，该微偏振片阵列包括多个2x2大小的微偏振片单元，每一个微偏振片单元包括设置在同一平面且紧密结合的0。偏振片、45°偏振片、偏振片和圆偏偏振片，每一个微偏振片单元从左上角顺时针开始依次为0。偏振片、45°偏振片、圆偏偏振片和90°偏振片。该微偏振片阵列易于加工，具有良好的偏振透光性能，且集成度高。
【专利说明】-种获取全偏振参数的微偏振片阵列、制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学器件及应用【技术领域】，具体涉及一种获取全偏振参数的微偏振片 阵列、制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 为了获取目标偏振信息量，已发展了多种偏振成像技术，目前最普遍应用的是基 于机械转轮式的偏振成像装置。它通过旋转偏振片和波片时序采集多个偏振角度下的图 像。该种方式实现简单直接，但时序型的工作方式使其无法获得运动目标的偏振图像，因此 无法在运动载体上实现目标检测。
[0003] 偏振成像技术不断发展，最为先进的偏振成像装置为分焦平面成像设备。它直接 在探测器的像元阵列前放置微型偏振片阵列，4个角度的微偏振片为一个单元，具有实时偏 振探测的能力，系统微型化的特点明显。美国的4D Technology公司制造出了微偏振片阵 列，该微偏振片阵列由4x4像素的单元在空间上重复排列而成。集成该微偏振片阵列的相 机，具有实时成像、宽光谱响应范围、大视场角、高消光比、低像素间串扰的特点。但是，由于 该微偏振片阵列仅由四个线性偏振角度的偏振片组成，无法获得场景的圆偏参数。
[0004] 专利申请号为"201210585559. 6"、名称为"一种实现全偏振成像的微偏振调制阵 列"的专利中提出的微偏振调制阵列，可以获得场景的线偏和圆偏参数，但是由于由微相位 延迟器阵列和偏振片组成，其中微相位延迟器阵列由第一晶体光栅和第二晶体光栅组成。 该三层结构的阵列结构较复杂，入射光经过第一晶体光栅、第二晶体光栅和偏振片的滤光 后，光强的衰减降低了成像质量。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种易于加工， 具有良好的偏振透光性能，且集成度高的获取全偏参数的微偏振片阵列。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，一种获取全偏振参数的微偏振 片阵列，包括多个2x2大小的微偏振片单元，每一个微偏振片单元包括设置在同一平面且 紧密结合的0°偏振片、45°偏振片、偏振片和圆偏偏振片，每一个微偏振片单兀从左上角 顺时针开始依次为0°偏振片、45°偏振片、圆偏偏振片和90°偏振片。
[0007] 进一步地，该0°偏振片、45°偏振片和90°偏振片为亚波长光栅结构偏振片，包 括透明基底和光栅，光栅设置于基底上，光栅包括相间排列的凸起和凹槽，所述凸起的表层 涂覆有金属层。
[0008] 进一步地，该光栅的厚度d为160nm，光栅中凸起的宽度a为100nm，光栅中相邻的 凸起之间的距离b为100nm。
[0009] 进一步地，该圆偏偏振片包括叠加在一起的波片层和偏振片层，波片层为圆偏偏 振片的顶层；波片层的对角线方向为快轴，快轴与波片层的横向中轴线的夹角α的度数为 45。。
[0010] 本发明还提供了一种获取全偏振参数的微偏振片阵列的制备方法，其特征在于， 该方法如下：
[0011] (1)在氟化钙基底上蒸镀一层厚度为160nm的金属铝层，氟化钙基底的面积等于 微偏振片阵列的面积；
[0012] (2)在步骤（1)中的铝层上均匀涂布一层厚度为528nm的光刻胶；
[0013] (3)通过电子束曝光步骤⑵中的涂布的光刻胶上直写出栅条结构；
[0014] (4)将步骤（3)中所得的中间产品显影后利用反应离子束刻蚀，将不同方向的栅 条结构转移至铝层上；
[0015] (5)在去胶机中用氧等离子体去除掉步骤（4)中所得的中间产品上的多余的光刻 胶，即得A;
[0016] (6)取步骤（5)中所得的A，将用亚波长光栅制备的波片层放置在偏振片层上，即 得微偏振片阵列。
[0017] 本发明还提供了一种获取全偏振参数的微偏振片阵列在分焦平面偏振成像的应 用，具体过程为：
[0018] 首先将所述微偏振片阵列放置在相机传感器前，并保证微偏振阵列与相机像元空 间上对准场景中目标发出光线穿过相机透镜经过探测器前的全偏微偏振片阵列，全偏微偏 振片阵列的一个单元对应传感器上的2x2大小的像元单元，在传感器上同时获得场景的偏 振图像；然后在传感器获得的图像中，提取不同位置相同偏振角度的像素点组成一幅低分 辨率图像；最后根据计算Stokes矢量的方法，经过计算得出场景的线偏振度，偏振角及圆 偏振度。
[0019] 本发明一种获取全偏振参数的微偏振片阵列具有以下的优点：
[0020] (1)该全偏微偏振片阵列使用亚波长金属光栅制作，易于加工，消光比大，集成度 商。
[0021] (2)将该全偏微偏振片阵列放置在相机传感器前，这种分焦平面成像方式集成度 高，能够获取运动物体的线性偏振参数和圆偏参数，推广了偏振成像探测技术的应用范围。
[0022] (3)该种排列方式的全偏微偏振片阵列通过集成线性偏振片和圆偏振片，不仅具 有线性偏振探测能力，而且具有圆偏探测能力。圆偏探测能够有效穿透烟、云、雾等介质，为 复杂介质中的目标检测提供了可能。
[0023] (4)本发明中通过设计特定的金属光栅参数，该全偏微偏振片阵列能够在 400nm?780nm整个可见光范围内均具有良好的偏振透光性能，线偏和圆偏探测能力出色。
[0024] (5)该全偏微偏振片阵列中，每个单元中排列的0度、45度、90度及圆偏微偏振片， 利用这几种参数计算偏振参数的方法简单，实时性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明中微偏振片阵列的排列方式图；
[0026] 图2是本发明中微偏振片单元中微偏振片的结构示意图；
[0027] 图3是本发明中圆偏偏振片的结构示意图；
[0028] 图4是本发明中4x4微偏振片阵列；
[0029] 图5是本发明中线性偏振片的加工流程图；
[0030] 图6是本发明实施例中在氟化钙基底上蒸镀一层厚度为160nm的金属铝层的中间 广品图；
[0031] 图7是本发明实施例中在铝层上均匀涂布一层厚度为528nm的光刻胶的中间产品 图；
[0032] 图8是本发明实施例中通过电子束曝光在光刻胶上直写出栅条结构的中间产品 图；
[0033] 图9是本发明实施例中显影后利用反应离子束刻蚀，将不同方向的栅条结构转移 至铝层上的中间产品图；
[0034] 图10是本发明实施例中权利要求5中的步骤（5)中所得的产品的结构示意图；
[0035] 图11是本发明实施例中在去胶机中用氧等离子体去除掉多余的光刻胶，所得A的 结构示意图；
[0036] 图12是本发明中微偏偏振片阵列与传感器像素的空间关系图；
[0037] 图13是本发明中分焦平面成像方式偏振参数实时显示流程图；
[0038] 图14是本发明中微偏振片阵列传感器上的成像图；
[0039] 图15是本发明中传感器获得图像经过抽取后得到的图像：1。。，145。，1 9。。，1@。
【具体实施方式】
[0040] 实施例
[0041] 如图1、2和3所示，本发明一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，包括多个2x2大 小的微偏振片单兀A，每一个微偏振片单兀A包括设置在同一平面的0°偏振片1、45°偏振 片2、90°偏振片3和圆偏偏振片4,0°偏振片1与45°偏振片2相邻且位于同一行，90° 偏振片3和圆偏偏振片4相邻且位于同一行，0°偏振片1与90°偏振片3相邻且位于同一 列，45°偏振片2与圆偏偏振片4相邻且位于同一列。0°偏振片1、45°偏振片2和90° 偏振片3为亚波长光栅结构偏振片，包括透明基底5和光栅6,光栅6设置于基底5上，光栅 6包括相间排列的凸起和凹槽，所述凸起的表层涂覆有金属层。光栅6的厚度d为160nm， 光栅6中凸起的宽度a为100nm，光栅6中相邻的凸起之间的距离b为100nm。圆偏偏振片 4包括叠加在一起的波片层7和偏振片层8,波片层7为圆偏偏振片4的顶层；波片层7的 对角线方向为快轴bl，所快轴b与波片层的横向中轴线al的夹角α的度数为45°。
[0042] 如图5所示，为一种获取全偏振参数的微偏振片阵列的制备方法的流程，其特征 在于，该方法如下：
[0043] (1)在氟化钙基底上蒸镀一层厚度为160nm的金属铝层，氟化钙基底的面积等于 微偏振片阵列的面积；如图6所示，为得到的中间产品；
[0044] (2)在步骤（1)中所述的铝层上均匀涂布一层厚度为528nm的光刻胶（光刻胶型 号：ZEP520、甩胶速率：5500r/m、曝光剂量：240uc)，胶层厚度正比于光刻胶与金属铝的刻 蚀速率比值；如图7所示，为得到的中间产品；
[0045] (3)通过电子束曝光（电子束直写设备型号Jeol 6300)在步骤（2)中所述的光 刻胶上直写出栅条结构，控制电子束曝光的方向，直写出不同方向的金属栅条；如图8所 示，未得到的中间产品；
[0046] (4)显影后利用反应离子束刻蚀（刻蚀气体采用与的混合气体、气压：2Pa、刻蚀时 间：50s)，将步骤（3)中所述的金属栅条结构转移至铝层上；如图9所示，为得到的中间产 品；
[0047] (5)将步骤（4)中所得的中间产品在去胶机中用氧等离子体去除掉多余的光刻 胶，即得A ;如图10所示，为得到的中间产品；
[0048] (6)取步骤（5)中所得的A，将用亚波长光栅制备的波片层放置在偏振片层（8) 上，即得微偏振片阵列，微偏振片金属光栅周期T为200nm，占空比为0. 5。如图11所示，为 得到的最终产品。
[0049] 本发明中采用亚波长光栅制备的波片层的过程为：取光栅周期0. 188um，占空比 〇. 80,光栅深度0. 88um，介质折射率为1，基底材料的中心波长折射率1. 95,考虑介质色散。 实验表明，在波长变化范围为0. 38um?0. 78um实现相位延迟精度± 2度以内，光透过率也 都在94%以上，两偏振光透射率最大差值小于5%。提高了入射光的利用效率。最终将制 作好的1/4波片放置到微偏振单元中的圆偏偏振片上，且波片的快轴与参考方向成45度夹 角。
[0050] 本发明一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，将其应用于分焦平面偏振成像，通 过把圆偏微偏振阵列放置在相机传感器前，并保证微偏振阵列与相机像元空间上对准，如 图12所示，通过相机内置的DSP对图像进行处理并计算偏振参数，并在相机上以图像方式 实时显示。具体过程如图13所示：
[0051] 场景中目标发出光线穿过相机透镜经过探测器前的圆偏微偏振片阵列，圆偏微偏 振片阵列的一个单元对应传感器上的2x2大小的像元单元，在传感器上同时获得场景的偏 振图像如图14。传感器获得图像分辨率为640X480。以图4中4x4大小的偏振阵列为例。 其次，在传感器获得的图像中，提取不同位置相同偏振角度的像素点组成一幅低分辨率图 像如图15所示。，像素大小为160X120。提取过程如图15。最后，经过计算得出场景的线偏 振度，偏振角，及圆偏振度。
[0052] 本实施例中米用的是一种适用于远红外波段（8_12um)的微偏振片阵列传感 器。阵列大小为640X480,每个微偏偏振片的尺寸为25um X 25um，微偏偏振片阵列尺寸为 16_ X 12_。把该微偏振片阵列放置在远红外成像传感器前。该远红外传感器分辨率为 640X480,像元大小为25umx25um。可以看出，微偏振片阵列与传感器在尺寸及大小上完全匹 配。
【权利要求】
1. 一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，其特征在于，包括多个2x2大小的微偏振片 单元（A)，每一个所述微偏振片单元（A)包括设置在同一平面且紧密结合的0°偏振片（1)、 45°偏振片（2)、90°偏振片（3)和圆偏偏振片（4)，每一个所述微偏振片单兀（A)从左上 角顺时针开始依次为0°偏振片（1)、45°偏振片（2)、圆偏偏振片（4)和90°偏振片（3)。
2. 根据权利要求1所述的一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，其特征在于，所述0° 偏振片（1)、45°偏振片（2)和90°偏振片（3)为亚波长光栅结构偏振片，均包括透明基底 (5)和光栅（6)，所述光栅（6)设置于基底（5)上，所述光栅（6)包括相间排列的凸起和凹 槽，所述凸起的表层涂覆有金属层。
3. 根据权利要求2所述的一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，其特征在于，所述光 栅（6)的厚度d为160nm，所述光栅（6)中凸起的宽度a为100nm，所述光栅（6)中相邻的 凸起之间的距离b为100nm。
4. 根据权利要求1、2或3所述的一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，其特征在于，所 述圆偏偏振片（4)包括叠加在一起的波片层（7)和偏振片层（8)，所述波片层（7)为圆偏偏 振片（4)的顶层；所述波片层（7)的对角线方向为快轴（bl)，所述快轴（b)与波片层的横 向中轴线（al)的夹角α的度数为45°。
5. -种如权利要求1至4所述的任 种获取全偏振参数的微偏振片阵列的制备方 法，其特征在于，该方法如下： (1) 在氟化钙基底上蒸镀一层厚度为160nm的金属铝层，氟化钙基底的面积等于微偏 振片阵列的面积； (2) 在步骤（1)中所述的铝层上均匀涂布一层厚度为528nm的光刻胶； (3) 通过电子束曝光步骤（2)中的涂布的光刻胶上直写出栅条结构； (4) 将步骤（3)中所得的中间产品显影后利用反应离子束刻蚀，将不同方向的栅条结 构转移至铝层上； (5) 在去胶机中用氧等离子体去除掉步骤（4)中所得的中间产品上的多余的光刻胶， 即得A; (6) 取步骤（5)中所得的A，将用亚波长光栅制备的波片层放置在偏振片层（8)上，即 得微偏振片阵列。
6. -种如权利要求1至4任一所述的一种获取全偏振参数的微偏振片阵列，其特征在 于，将其应用于分焦平面偏振成像，具体过程为： 首先将所述微偏振片阵列放置在相机传感器前，并保证微偏振阵列与相机像元空间上 对准场景中目标发出光线穿过相机透镜经过探测器前的全偏微偏振片阵列，全偏微偏振片 阵列的一个单元对应传感器上的2x2大小的像元单元，在传感器上同时获得场景的偏振图 像；然后在传感器获得的图像中，提取不同位置相同偏振角度的像素点组成一幅低分辨率 图像。
【文档编号】G02B5/30GK104216135SQ201410453014
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】赵永强, 李 杰 申请人:西北工业大学