微偏振阵列、分焦面偏振探测器和衬底

本技术涉及偏振探测技术，具体涉及一种应用于分焦面偏振探测器中的能够提高消光比的微偏振阵列、该分焦面偏振探测器和能够应用于微偏振阵列的衬底。

背景技术：

1、作为获取光的偏振信息的技术，目前已知一种分焦面(dofp)偏振探测技术。其中将偏振片制备成探测器像元大小，按照一定规律排布为微偏振阵列配置在光学系统的后焦平面上，即，由微偏振阵列的各个单元偏振片将焦平面“分割”。而且，微偏振阵列被集成到探测器表面，这种集成了微偏振阵列的探测器也被称为分焦面偏振探测器。

2、分焦面偏振探测技术与搭载偏振转轮的分时偏振探测相比，具有体积小、可实时拍摄、偏振精度高等优点；与具有多个探测器的分振幅偏振探测相比，具有结构简单、功耗低、探测器信噪比高等优点。因此，这种偏振探测形式一经提出便得到了科研界和工程领域的广泛关注，同时在偏振导航、生物医学成像、图像去雾和材料应力检测等领域得到了广泛的应用。

3、然而，虽然分焦面偏振探测有许多优点，且已经拥有商用的探测器和仪器，但目前人们主要使用的偏振探测手段依旧是分时和分振幅偏振探测。其根本原因在于偏振片的消光比，即横电波与横磁波透过偏振片透射率的比值。

4、高精度的偏振探测需要对系统进行偏振定标，当选择高消光比的偏振片作为系统的偏振元件时，可以忽略偏振器件对偏振精度的影响。传统的基于布儒斯特角的偏振片，其消光比可超过10000，但这种偏振片很难做到像元量级并制备成微偏振阵列。因此微偏振阵列往往选择基于超表面结构的亚波长金属光栅阵列。而目前大量文献记述的分焦面偏振探测器的消光比不超过100，仅sony制造的分焦面偏振cmos(imx250mzr/imx250myr)的消光比在可见光的一段波长范围内超过400。但这依旧不能满足一些高偏振精度探测领域，如大气遥感的需求。

5、为了提升分焦面偏振探测器的消光比，科研人员做了大量的工作。主要从改变光栅材料、减小光栅周期、提升光栅高宽比和改变光栅结构等几个方面进行了研究。虽然大面积的光栅偏振片的消光比得到了提升，但相同参数的小面积的微偏振阵列的消光比依然不超过100。

6、这种现象的原因是微偏振阵列的光学串扰和探测器的电子学串扰。光学串扰是由衍射效应引起的。具体而言，微偏振阵列的每个光栅单元与像元尺寸一一对应，一般为几微米到几十微米。这个尺寸会使衍射效应变得非常明显。当一束偏振光入射到微偏振阵列的表面时，由于各像元上方的光栅单元的透射偏振按规律分布而不同，一部分像元上方的光栅表现出高透射，一部分表现出低透射。由于衍射效应的存在，通过高透射区域的光栅的光会逐渐扩散成大于像元尺寸的光斑，使得低透射区光栅下方对应的像元接受到旁边像元的能量，从而导致消光比下降。此外，一般的微偏振阵列的厚度为几百个纳米，而其长宽却是毫米甚至厘米量级。这样过大的长宽与厚度之比使得微偏振阵列不具备自支撑的能力，需要根据工作波段而制备在相应的厚衬底上面。而越厚的衬底会导致光斑扩散的面积越大，从而增大了光学串扰导致消光比进一步下降。这就是为什么虽然优化了光栅参数，但却不能提升分焦面偏振探测器消光比的原因。

7、此外，探测器的电子学串扰主要由探测器的结构设计和加工工艺所决定。这一部分虽然很难消除，但如果没有光学串扰，则可通过校正的方法减小电子学串扰对消光比的影响。所以减小、消除微偏振阵列的光学串扰是提升分焦面偏振探测器消光比最有效的方法。

技术实现思路

1、如上所述，现有的分焦面偏振探测器由于微偏振阵列的光学串扰和探测器的电子学串扰，存在消光比低的问题。

2、本实用新型的目的在于，提供一种能够消除因衍射带来的光学串扰从而提高消光比的微偏振阵列，进而能够提供一种应用了该微偏振阵列的提高了消光比的分焦面偏振探测器，和能够应用于微偏振阵列以及其他分焦面阵列光学器件中的衬底。

3、具体而言，本实用新型的微偏振阵列在衬底中设置了由金属片构成的金属网格(反射片网格)，利用金属的高反射率、低趋肤深度特性，将通过微偏振阵列的光严格限制在固定区域，从而有效地消除了因衍射带来的光学串扰，提高了消光比。此外，不仅能够抑制正入射光带来的光学串扰，同时也能够消除斜入射光带来的偏振误差。

4、更具体而言，本实用新型提供一种微偏振阵列，包括位于光入射侧的微偏振阵列本体和位于光出射侧的衬底，其中，所述微偏振阵列本体包括多个光栅单元，多个所述光栅单元在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上二维排列，各所述光栅单元按照各自的透射偏振方向按一定规律排布的方式配置，所述衬底包括基材和设置在基材中的由多个第一反射片和多个第二反射片构成的反射片网格，各所述第一反射片在所述第一方向以及与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向上延伸，以所述第二方向为厚度方向且在所述第二方向上排列，各所述第二反射片在所述第二方向和所述第三方向上延伸，以所述第一方向为厚度方向且在所述第一方向上排列，在沿所述第三方向观察的情况下，所述衬底中由多个所述第一反射片和多个所述第二反射片划分出的各区域的位置和大小与各所述光栅单元对应。

5、并且，各所述光栅单元是包括多个等间距排列的金属线栅偏振片，各所述光栅单元中的所述金属线的延伸方向包括0°、45°、90°和135°。

6、或者，在所述衬底中，所述反射片网格在所述第三方向上贯穿所述基材，并且所述反射片网格和所述基材在所述第三方向上的长度相等。

7、或者，所述基材使所述微偏振阵列的工作波段的光透射，所述反射片使所述微偏振阵列的工作波段的光反射。

8、或者，所述微偏振阵列被应用于分焦面偏振探测器中，在沿所述第三方向观察的情况下，由多个所述第一反射片和多个所述第二反射片划分出的各区域的位置和大小、各所述光栅单元的位置和大小以及所述分焦面偏振探测器中的光电探测器的各个像元的位置和大小彼此对应。

9、或者，在沿所述第三方向投影的情况下，各所述第一反射片和各所述第二反射片的投影区域被填满在各所述光栅单元的投影区域的间隙中。

10、或者，各所述第一反射片和所述第二反射片是与所述金属线相同材料的金属片。

11、本实用新型还提供一种分焦面偏振探测器，其被设置在光学系统的焦平面上，包括位于光入射侧的所述微偏振阵列和位于所述微偏振阵列的光出射侧的光电探测器，所述微偏振阵列被集成于所述光电探测器，在沿所述第三方向观察的情况下，所述微偏振阵列的所述衬底中由多个所述第一反射片和多个所述第二反射片划分出的各区域的位置和大小、各所述光栅单元的位置和大小以及所述光电探测器的各个像元的位置和大小彼此对应。

12、本实用新型还提供一种衬底，其被应用于分焦面阵列光学器件中，所述分焦面阵列光学器件用于配置在光学系统的焦平面上，具有对焦平面进行分割的多个光学元件，所述多个光学元件在第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上二维排列，所述衬底包括基材和设置在基材中的由多个第一反射片和多个第二反射片构成的反射片网格，各所述第一反射片在所述第一方向以及与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向上延伸，以所述第二方向为厚度方向且在所述第二方向上排列，各所述第二反射片在所述第二方向和所述第三方向上延伸，以所述第一方向为厚度方向且在所述第一方向上排列，在沿所述第三方向观察的情况下，所述衬底中由多个所述第一反射片和多个所述第二反射片划分出的各区域的位置和大小与各所述光学元件对应。

13、并且，各所述第一反射片和所述第二反射片是金属片。

14、或者，所述分焦面阵列光学器件是分焦面超表面器件或光谱器件，所述光学元件是超表面元件或滤波元件。

15、实用新型效果

16、于是，本实用新型通过采用带金属网格的衬底的设计，能够消除因衍射效应引起光学串扰而导致的消光比下降。与传统的微偏振阵列相比，即使采用相同参数的微偏振阵列，在使用了带金属网格的衬底后，消光比可提升至少一个数量级，从而能够以简单的结构来有效地提升偏振精度和偏振分辨率。而且，该带金属网格的衬底对各种像元尺寸和各种像元间距的图像传感器均没有限制，使用者可根据实际需求而灵活设计。

17、并且，带金属网格的衬底不仅适用于微偏振阵列，也能够适用于其他分焦面阵列光学器件例如分焦面超表面器件和光谱器件，同样地用于提升消光比和分辨率。