張士元， 孫子珺， 穆全全*， 彭增輝， 劉 華， 劉 暢

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049；3. 東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130033)

1 引 言

傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)通過對目標光強度的探測來獲取信息。除強度信息外，不同物體在對光產(chǎn)生反射、折射或散射等過程中，其偏振特性是存在顯著差異的。通過對目標偏振信息進行分析和成像，可以提高在復(fù)雜背景下識別目標的能力，這將使得在強度成像系統(tǒng)下“不可見”的目標成為“可見”[1]。因此，偏振成像技術(shù)在大氣遙感探測[2-4]、干涉測量[5-6]、生物醫(yī)學(xué)[7-8]、軍事探測[9-10]等領(lǐng)域都具有相當大的應(yīng)用潛力。這激起了國內(nèi)外科研人員對偏振成像技術(shù)的探索，尤其是近十余年來，對偏振成像系統(tǒng)、器件和設(shè)備的研究得到了迅速發(fā)展。

偏振成像系統(tǒng)通過探測目標Stokes矢量來獲取目標全部的偏振特性。Stokes矢量包含4個代表不同偏振態(tài)光強度的參數(shù)S0、S1、S2和S3。其中S0表示總光強度；S1表示為0°、90°線偏振光強之差，S2表示±45°線偏振光強之差，這兩個分量代表了線偏振程度；S3表示為右旋與左旋圓偏振光強之差，代表圓偏振程度。需要對目標不同偏振態(tài)強度進行多次采集才能獲取其完整的偏振信息。

按照偏振信息采集的方式可以將偏振成像系統(tǒng)的工作模式分為分時偏振成像和同時偏振成像[11]。分時偏振型(Division of time polarimeter, DoTP)成像系統(tǒng)一般采用動態(tài)偏振元件，如旋轉(zhuǎn)偏振片、電控液晶調(diào)制器等，這就需要目標場景處于靜止狀態(tài)且光照條件相同來避免成像模糊。同時偏振成像系統(tǒng)，則是在單次曝光下即可獲得目標多幅不同偏振態(tài)的圖像；按照成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為分振幅型(Division of amplitude polarimeter, DoAmP)、分孔徑型(Division of aperture polarimeter, DoAP)和分焦平面型(Division of focal-plane polarimeter, DoFP)3種偏振成像裝置。相比于體積龐大的DoAmP和光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的DoAP，分焦平面型偏振成像系統(tǒng)(DoFP)因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、性能穩(wěn)定和適用于可移動基座的機載平臺等優(yōu)勢，成為當下的研究熱點。

DoFP成像系統(tǒng)的工作原理是：在傳感器焦平面上集成像素級尺度微偏振片，形成與探測器像元一一對應(yīng)的微偏振陣列(Micropolarizer array, MPA)，分別提取目標光中的不同偏振方位的強度信息，反向解算出其Stokes矢量，進而重建出目標光場中偏振度、偏振角等偏振信息[12-15]?？梢?，微偏振陣列是分焦平面型偏振成像系統(tǒng)的核心元件。

目前，工業(yè)級偏振相機中多采用索尼IMX250MZR型CMOS偏振傳感器，其中應(yīng)用的是納米線柵陣列[15]。該元件主要通過光刻或壓印技術(shù)制備。這需要納米量級的加工精度和繁復(fù)的化學(xué)處理工序，成本較高，且容易由于加工失準而造成消光比下降。用于可見光波段偏振成像的納米線柵陣列，其典型參數(shù)，如2014年中科大Zhang等[16-18]利用聚焦離子束刻蝕工藝，要求該陣列矩形柵格周期僅為140 nm，占空比為0.5。另外，該納米線柵單元為一維柵格結(jié)構(gòu)只對線偏振矢量敏感，因此利用該器件僅能求解得到Stokes矢量中前3個分量S0、S1和S2，實現(xiàn)對線偏振信息的探測與成像。

為了實現(xiàn)對目標全部偏振信息的探測，還需要拓展微偏振陣列器件對于圓偏振分量S3的探測能力。目前市售的全Stokes偏振相機，如Bossa - Nova - Vision (SALSA)[19]，其核心是液晶調(diào)制器，通過電壓控制改變液晶元件的相位延遲量或光軸方向來實現(xiàn)不同橢圓度或旋向的偏振調(diào)制狀態(tài)，其本質(zhì)仍是分時型偏振成像系統(tǒng)。而商用分焦平面型全Stokes偏振相機領(lǐng)域尚屬空白。近年來，基于金屬超表面激發(fā)表面等離子激元共振實現(xiàn)圓偏振光檢測的原理，2012年美國空軍實驗室Bachman等[20]，2019年亞利桑那大學(xué)Basiri等[21]，2021年中科院上海光機所Zhang等[22]，先后提出了多種可以實現(xiàn)紅外波段圓偏振響應(yīng)的超表面結(jié)構(gòu)，并制得了可同時探測線偏振和圓偏振的陣列化器件，有潛力應(yīng)用于新一代全Stokes分焦平面型偏振成像系統(tǒng)。但這些器件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同樣面臨加工精度要求高和應(yīng)用波段局限、消光比低等問題，造成偏振測量精度和成像質(zhì)量下降，多數(shù)仍處于實驗階段。

綜上可見，對微偏振陣列的精密微納加工和優(yōu)化設(shè)計嚴重制約了其發(fā)展。隨著液晶光控取向技術(shù)[23-25]的興起，液晶器件由均一的摩擦取向方式逐漸向多疇化的復(fù)雜取向方式發(fā)展，以實現(xiàn)更復(fù)雜的光場調(diào)控功能[25-27]。近年來，基于光控取向技術(shù)的液晶微偏振陣列(Liquid crystal micropolarizer array, LCMP array)被廣泛研究[28-38]。相較于納米線柵陣列和金屬超表面陣列，利用光控取向技術(shù)來制備陣列化液晶器件，將加工精度要求從納米級降低至微米量級；器件加工工序大幅減少的同時還有著均勻度高、設(shè)計靈活、性能穩(wěn)定、成本低廉等獨特優(yōu)勢。本文綜述了近10年來國內(nèi)外科研團隊針對液晶微偏振陣列器件展開的研究，系統(tǒng)性闡述了不同液晶微偏振陣列器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，最后結(jié)合偏振探測技術(shù)的發(fā)展趨勢討論了液晶微偏振陣列器件應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，并展望了其發(fā)展方向。

2 液晶微偏振陣列基本原理

利用微偏振陣列對入射光偏振信息進行同時探測的原理是，陣列中數(shù)個微型的偏振片組成一個超像素，依據(jù)檢出的光強信號反向解算出入射光的Stokes矢量，如公式(1)。

(1)

液晶微偏振陣列，最核心的設(shè)計思路是利用液晶多疇結(jié)構(gòu)將大尺寸的均勻偏振片微型化、陣列化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌∠虻奈⑿推衿募稀Ｒ壕Ф喈牻Y(jié)構(gòu)可利用陣列化光控取向技術(shù)獲得，而每個微疇中的液晶分子依據(jù)其工作特性大致可分為兩類：一類是液晶分子有序排列的特性；另一類則是液晶分子本身的雙折射特性。由于向列相液晶在可見和近紅外波段是不吸光的，因此前者可通過摻雜二向色染料來構(gòu)成賓主型微偏振陣列；后者則是在液晶層對入射光進行偏振調(diào)制后，再附加偏振片進行偏振檢出，來共同構(gòu)成偏振陣列。這一類液晶微偏振陣列，根據(jù)液晶分子的排列方式，又可分為基于扭曲排列得到的偏振旋光型液晶微偏振陣列和基于平行排列得到的相位延遲型液晶微偏振陣列。下面將簡單介紹這3種液晶微偏振陣列的工作原理。

2.1 二色性染料與液晶的賓主效應(yīng)

二向色性染料同液晶分子一樣可視為棒狀各向異性分子。如圖1(a)所示，對于正二色性染料，當入射光電矢量E平行于其分子長軸時，光線基本上被吸收；當入射光電矢量E垂直于其分子長軸時，光線基本上通過[38]。將二向色染料(guest)摻入液晶材料(host)中形成賓主效應(yīng)(GH)器件，其工作原理類似于拉伸聚乙烯醇(polyvinyl-alcohol, PVA)的吸收型偏振片[38-39]，液晶分子只是起到促使染料分子與其指向矢協(xié)同排列的作用，如圖1(b)所示[31]，而染料分子的二色性比、有序參數(shù)、吸收光譜和摻雜比例才是決定器件的整體性能的主要因素。二色性比D是染料分子對光線在與染料長軸平行和垂直兩個方向上的吸收系數(shù)(A∥和A⊥)之比，如式(2)所示；由于分子熱運動，染料分子的排列同樣存在與指向矢偏離的現(xiàn)象，有序參數(shù)Q如式(3)所示。同時，單一一種二色性染料的光譜透過范圍一般是有限的，因而帶有顏色。若希望對一個比較寬的波段都具有二色性吸收的能力，則需要多種不同顏色的染料進行混合[30]，如圖1(c,d)所示，各摻雜的濃度和比例也將影響器件的透過率和消光比EXR，如式(4)所示，其中T∥和T⊥分別為與器件透振軸平行或垂直的線偏振光透過率。

圖1 (a) 正二色性染料的二向色性示意圖； (b) 液晶分子促使二色性染料分子協(xié)同排列[31]； (c) 3種單一的二色性染料的透過率光譜; (d) 3種染料按比例混合后的二色性染料在氯仿中的透過率光譜(G-472∶G-207∶G-241 = 10∶10∶2)[30]。Fig.1 (a) Dichromatic schematic diagram of positive dichroic dye; (b) LC molecules promote the uniform alignment of dichroic dye molecules[31]; (c) Transmission of three single and (d) mixed dichroic dyes (G-472∶ G-207∶G-241=10∶10∶2) in chloroform[30].

(2)

(3)

(4)

基于二色性染料摻雜液晶的賓主效應(yīng)，根據(jù)不同表面取向結(jié)構(gòu)，可以制得多種吸光軸隨空間變化的偏振器件，如吸光軸沿角向或徑向分布的顯偏器(Polarization axis finder, PAF)[40]，實現(xiàn)對線偏振的探測。

2.2 扭曲排列液晶的偏振旋光

扭曲向列相(Twist nematic, TN)液晶層的偏振旋光原理，如圖2(a)所示，在滿足摩根(Mauguin)條件[41-42]時，當入射光電矢量E平行于入射面處的液晶指向矢φin，出射光的電矢量也將平行于出射面處的液晶指向矢φout。Mauguin條件如公式(5)所示：

(5)

其中：u代表Mauguin參數(shù)，Γ、Φ和d分別代表延遲量，扭曲角和液晶層厚度。Δn(λ)代表液晶雙折射，λ是光波長。延遲量如式(6)所示：

(6)

在出射面處放置一與平行于液晶指向矢的線偏振片，即可形成一個線偏振旋轉(zhuǎn)器，假定該偏振片為理想偏振片，則根據(jù)瓊斯矩陣推導(dǎo)得到其透過率公式表達為：

(7)

(8)

當滿足Mauguin條件時，Γ?Φ，可知Φ/X?1，透過率公式近似只保留第一項：

T≈cos2φin，

(9)

此時該器件相當于一個透振軸平行于入射指向矢φin的線偏振片，如圖2(b)所示。對于任意偏振方向的入射光滿足馬呂斯定律(Malus’s law)?？梢?，通過滿足摩根條件的扭曲液晶層，可以改變偏振片的方位，這為線偏振片的陣列化提供了設(shè)計思路。選用合適的偏振片，并通過設(shè)計液晶層的扭曲角度Φ，液晶層厚度d以及使用不同雙折射Δn的液晶材料，即可在相當寬的波段范圍內(nèi)都能很好地實現(xiàn)線偏振旋轉(zhuǎn)功能。

圖2 (a) 90°扭曲TN液晶盒偏振旋光示意圖； (b) 在滿足Mauguin條件的扭曲液晶層出射面處放置一與平行于液晶指向矢的線偏振片，即可形成一個線偏振旋轉(zhuǎn)器，相當于一個透振軸平行于入射指向矢φin的線偏振片。Fig.2 (a) Schematic diagram of 90° TNLC device； (b) A polarization rotator can be formed by placing a linear polarizer parallel to the LC director at the exit plane. When the Mauguin condition is satisfied, the device is equivalent to a linear polarizer with axis parallel to director φin at the entrance plane.

2.3 平行排列液晶的相位延遲

平行排列(Planar alignment, PA)的液晶層可以充當一個相位延遲片，延遲量如公式(6)所示。平行排列的液晶層與一個線偏振器組合，根據(jù)液晶層延遲量和指向矢(光軸)與偏振片夾角θ的不同，可以獲得線偏振片或圓偏振片或橢圓偏振片[33]，如圖3所示。它的優(yōu)勢在于不同于前兩種模式只能實現(xiàn)線偏振探測，不同光軸方向相位延遲片可以拓展對于圓偏振分量S3的探測能力，包括入射光的橢圓度、旋向。不過由于延遲量隨波長的變化，單層平行排列液晶對偏振態(tài)的探測也是隨波長變化的，因此在實際應(yīng)用中還需考慮偏振色差的影響。

圖3 平行排列的液晶層與一個線偏振器組合。當液晶層延遲量為λ/2或液晶指向矢(光軸)與偏振片夾角θ為0°或90°時，該組合構(gòu)成一個線偏振片；當液晶指向矢與偏振片夾角θ為±45°且液晶層延遲量為λ/4時，該組合構(gòu)成一個圓偏振片；其他情況下，該組合構(gòu)成一個橢圓偏振片。Fig.3 Combination between the parallel aligned LC layer and a linear polarizer. When the retardation of the LC layer is λ/2 or the angle θ between the LC director (optical axis) and the polarizer is 0° or 90° the combination forms a linear polarizer. When the angle θ is ±45° and the retardation of the LC layer is λ/4, the combination forms a circular polarizer. In other cases, the combination forms an elliptic polarizer.

基于上述原理，通過陣列化光控取向?qū)崿F(xiàn)一種或幾種方式的組合，進而可以獲得用于線偏振成像和全Stokes偏振成像的液晶微偏振陣列。下面將結(jié)合近年來國內(nèi)外的研究進展進行分類描述，討論不同液晶微偏振陣列的結(jié)構(gòu)、制備工藝和工作原理。

3 應(yīng)用于線偏振成像的液晶微偏振陣列研究進展

偏振成像最早是從利用旋轉(zhuǎn)偏振片[43]實現(xiàn)場景中線偏振的探測開始發(fā)展的。因此最初始的分焦平面陣列的設(shè)計思路也是利用各種微納加工手段將偏振片微型化，形成偏振方向不同的線偏振片陣列，如納米線柵陣列、PVA偏振陣列等。為了滿足更高的信噪比，最優(yōu)配置是偏振片角度均勻分布在0°和180°之間[44]?，F(xiàn)今，主流微偏振陣列中各個微偏振片的角度為0°、90°、45°和135°，這4個偏振探測態(tài)表示為邦加球(Poincaré Sphere)赤道上的4個點，且包圍形成一個正方形，如圖4所示。根據(jù)公式(1)可以計算得到Stokes矢量的前3個分量，用來計算入射光的線偏振度(Degree of linear polarization, DoLP)和偏振角(Angle of polarization, AoP)信息，如下公式所示：

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(11)

圖4 (a) 目前主流的微偏振陣列結(jié)構(gòu)，微偏振片的角度分別為0°、90°、45°和135°；(b) 4個探測偏振態(tài)在Poincaré球上表示為赤道上4個點，且這4點包圍形成一個正方形。Fig.4 (a) Mainstream structure of micropolarizer array. The angle of micropolarizer is 0°, 90°, 45° and 135°, respectively; (b) The four measurements are represented on the Poincaré sphere as four points on the equator and form a square.

3.1 基于二色性染料的賓主型線偏振片陣列

2009年,香港科技大學(xué)Zhao等提出一種基于光敏偶氮染料AD-1的微偏振陣列[45]。該染料分子呈棒狀，旋涂的AD-1薄膜在紫外偏振光照射下，分子長軸取向垂直于紫外光偏振方向，表現(xiàn)出強烈的二色性。通過4次掩膜曝光得到了偏振方向為0°、90°、45°和135°的偏振薄膜陣列。雖然AD-1染料分子可以通過偏振紫外曝光取向的方式直接獲得二向色性，但染料分子的有序度與曝光能量相關(guān)，且在長時間紫外照射后達到飽和，結(jié)果表明AD-1薄膜的偏振透過率、消光比等均受限制。

為提高微偏振陣列的光學(xué)性能，該課題組后續(xù)提出了基于賓主效應(yīng)的可聚合薄膜液晶微偏振陣列[31]，制備方式如圖5所示。該結(jié)構(gòu)使用商用納米線柵陣列作為掩膜，在紫外線偏光的照射下，對涂敷于基板上的磺酸偶氮材料SD1進行陣列化光控取向，對應(yīng)每個0°、90°、45°和-45°的區(qū)域SD1分子長軸垂直于輻照紫外光的偏振方向，分別形成了90°、0°、-45°和45°的表面取向，單個像素尺寸為5 μm；然后旋涂摻有正二色性染料的液晶預(yù)聚物，在表面取向作用下，促使染料分子協(xié)同液晶分子沿其指向矢方向排列；最后再對賓主液晶預(yù)聚物進行光聚合，形成穩(wěn)定的聚合物薄膜。由于染料分子的二向色吸收特性，使得微偏振陣列中每個區(qū)域分別對應(yīng)0°、90°、45°和-45°的吸收型薄膜線偏振片。-45°線偏振光照明下顯微照片如圖6 (a)所示。

圖5 賓主型微偏振陣列的制作工藝流程[31]Fig.5 Fabrication process of guest-host micropolarizer array [31]

據(jù)報道，該薄膜微偏振陣列厚度僅0.95 μm，且具有較高的偏振透過率(T∥> 70%)和較好的有序度(Q≈ 0.85)。但相較納米線柵偏振片偏振效率PE = 0.998 (EXR ≈ 500, @ 545 nm)或吸收型偏振片(EXR > 1 000)，該器件的偏振光學(xué)性能表現(xiàn)不佳，如圖6 (b)所示：在417 ～635 nm波段PE大于0.9 (EXR ≈ 10)，峰值處也僅有0.996 EXR ≈ 250, @ 545 nm)。

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圖6 (a) -45°線偏振光照明下顯微照片； (b) 偏振效率隨波長變化曲線[31]。Fig.6 (a) Micrograph of the fabricated guest-host micropolarizer array, inspected by a linear polarization analyzer along -45°; (b) Spectral measurement of polarization efficiency [31].

賓主型液晶微偏振陣列，其本質(zhì)工作原理與PVA偏振陣列無異，其突出的優(yōu)點在于更輕薄，穩(wěn)定性也更佳。但由于二向色染料的限制，即便通過多種不同顏色的染料進行混合，它的消光比通常只有幾十到100左右，透過率較低且能夠覆蓋的波段范圍也十分局限。亞利桑那大學(xué)Hsu等利用多種紅外二色性染料混合[34]，并制備了圖案化賓主偏振片樣品，但消光比峰值也僅有119 (@937 nm)?？梢妼τ谫e主型液晶微偏振陣列，發(fā)展重點在于寬波段尤其是偏向紅光及紅外波段的高二色比染料的開發(fā)。

3.2 基于滿足Mauguin條件的扭曲排列液晶線偏振片陣列

2009年，香港科技大學(xué)Zhao的團隊提出了基于線偏振片與陣列化液晶單元結(jié)合的一種高分辨率微偏振陣列的制造技術(shù)[28]，如圖7所示，首先在兩個玻璃基板上分別旋涂取向劑SD1；然后通過紫外偏振曝光，在上基板形成0°取向，下基板通過掩膜曝光形成陣列化的0°～90°取向；將兩基板壓制成盒(盒厚5 μm)，使用E7液晶(Δn= 0.225)來滿足Mauguin條件；根據(jù)上下表面的取向狀態(tài)形成液晶平行排列結(jié)構(gòu)及90°扭曲結(jié)構(gòu)；最后在下基板外貼附一0°方位薄膜線偏振片。根據(jù)上一節(jié)的分析，這構(gòu)成了一個0°～90°的線偏振片陣列。如圖8(a)所示，該器件單個像素尺寸可達到2 μm。

圖7 0°～90°扭曲液晶微偏振陣列的制備工藝及取向結(jié)構(gòu)[28]Fig.7 Fabrication process and alignment structure of 0°～90° twisted LC micropolarizer array [28]

據(jù)報道，該器件消光比最高可達約3 200(35 dB, @ 600 nm)。但通過測試可以發(fā)現(xiàn)不同波長，透過率及消光比存在一定差異，如圖8 (b)及表1所示；且相比于平行排列的液晶結(jié)構(gòu)而言，90°扭曲微區(qū)的偏振透過率和消光比略有降低，且波動更明顯。

圖8 (a) 0°～90°扭曲液晶微偏振陣列的顯微照片；(b)不同方位的線偏振入射0°和90°扭曲液晶偏振片的透過率曲線滿足Malus定律[28]。Fig.8 (a) Micrograph of 0°～90° twisted LC micropolarizer array; (b) Transmittances of 0° and 90° twisted LC polarizers following Malus’s law at different wavelength [28].

表1 不同波長下的消光比[28]Tab.1 Extinction ratios at different wavelengths[28]

這是因為基于在Mauguin條件下的扭曲液晶器件只是近似滿足線偏振傳遞，出射光仍有較小的橢圓度殘留造成漏光。假設(shè)使用消光比為無窮大的理想偏振片，根據(jù)瓊斯矩陣可以推得扭曲液晶層的真實的透過率公式[42]：

(14)

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其中T∥和T⊥分別對應(yīng)于入射偏振平行和垂直于入射面處指向矢時扭曲型液晶偏振片的透過率，他們的比值(T∥/T⊥)即為消光比EXR。根據(jù)公式(6)和公式(8)，可知扭曲液晶微偏振陣列的消光比與波長相關(guān)，還與扭曲角以及液晶層延遲量有關(guān)。根據(jù)公式(6)可知為滿足Mauguin條件，一方面要盡量減小扭曲角度Φ，另一方面需要增大液晶的雙折射Δn和液晶層厚度d，以此來盡力降低不同波長下消光比的差異。同時該器件作為一個初始的原型，只能實現(xiàn)對Stokes矢量中S0及S1分量的探測，存在線偏振信息丟失的問題。

2020年，中物院流體物理研究所Wang等提出一種基于液晶微陣列器件的分焦平面型偏振成像裝置的設(shè)計[46]，如圖9(a)所示。其中核心的液晶微偏振陣列采用扭曲結(jié)構(gòu)，液晶分子扭曲方向如圖9(b)所示，一側(cè)基板采用均一水平取向，另一側(cè)基板通過數(shù)字掩膜或機械掩膜曝光形成陣列化的取向結(jié)構(gòu)；在取向膜取向誘導(dǎo)下，每組內(nèi)4個單元中液晶分子分別實現(xiàn)0°，90°，45°，135°扭曲；入射光進入液晶單元模塊時，相對應(yīng)的偏振方向分別實現(xiàn)0°、90°、45°和135°的旋光；結(jié)合出射端偏振片即可得到4個方向的線偏振強度，進而可求解得到Stokes矢量前3個分量。但這種方式構(gòu)成的扭曲液晶微偏振陣列，液晶層中同時存在非扭曲(0°)和高扭曲(135°)的液晶疇，這會帶來一些問題：一方面出于對器件質(zhì)量和壽命的考量，需解決如何進行手性劑摻雜以解決非扭曲和高扭曲液晶疇同時穩(wěn)定共存的問題，以及疇間向錯線可能造成器件質(zhì)量下降的問題；另一方面出于對器件偏振效率的考量，扭曲角度過大不易滿足Mauguin條件，造成135°扭曲疇的偏振消光比下降，從而使器件中不同扭曲疇消光比產(chǎn)生較大差異，對實際偏振測量與成像產(chǎn)生影響。

圖9 (a) 一種基于液晶微陣列器件的分焦平面型偏振成像裝置；(b) 液晶分子排列方式基于兩側(cè)基板的取向[46]。Fig.9 (a)A division of focal-plane imaging polarimeter based on liquid crystal micropolarizer array; (b) Twist direction of the LC molecules is based on photoalignment of the two substrates[46].

圖10 (a) DMD投影光刻系統(tǒng)原理圖及LCMP陣列空盒結(jié)構(gòu)；(b) SD1取向曝光過程示意圖；(c) 使用2倍投影物鏡，13×13個DMD像素拼接制備得到的LCMP陣列的顯微鏡照片。樣品使用67.5°線偏振光照明[38]。Fig.10 (a) Schematic draw of the DMD lithography system and the structure of the empty cell for LCMP array; (b) Photoalignment process of SD1 layer; (c) Micrograph of the LCMP array prepared by stitching 13×13 DMD pixels using a 2× projection objective. The sample was illuminated by 67.5° linearly polarized light[38].

為避免扭曲角度過大造成的偏振消光比下降，2021年，中科院長春光機所Zhang等[38]提出一種雙向扭曲的四疇液晶微偏振陣列，適用于可見光波段的線偏振成像。為了滿足摩根條件，扭曲角分別設(shè)計為±22.5°和±67.5°，采用了該課題組自制的大雙折射液晶LC-4k[47]，并確定了最佳厚度6.6 μm。所提出的扭曲LCMP采用了摩擦-光控混合取向技術(shù)進行制備：沿基板邊緣方向摩擦PI使LC分子沿水平(0°)方向平行排列；光控取向使用線性偏振紫外光(LPUV)輻照SD1來實現(xiàn)。利用DMD投影光刻系統(tǒng)[48]制備得到的LCMP陣列均勻、缺陷少，取向角度準確，如圖10所示。另外，使用不同倍率的投影物鏡和DMD像素拼接，可以實現(xiàn)從幾微米到百微米量級的LCMP像素結(jié)構(gòu)。

經(jīng)測試，±22.5°單扭曲LCMP的消光比約6 000，±67.5°單扭曲LCMP的消光比約1 500 (@ 632.8 nm, He-Ne laser)。利用雙遠心鏡頭的共軛光路結(jié)構(gòu)，搭建了基于該偏振片陣列的模塊化偏振測量系統(tǒng)進行偏振測量和成像實驗，提出了像素對準與定位的方式，降低了LCMP與相機CMOS之間的錯位和串擾的影響。系統(tǒng)經(jīng)標定校正后[33,49]，對于方向不同的線偏振光的DoLP和AoP的測量誤差分別小于1.15%和0.65°，如圖11所示。測量精度較高，可以滿足偏振探測需求。

圖11 測量了488, 546, 633 nm三種單色偏振光的 (a) 線偏振度(DoLP)和(b) 偏振角(AoP)。黑色實線表示模擬值，圓圈和誤差條分別表示所有超像素的平均測量值和標準差。(c)和(d)分別代表了DoLP和AoP理論值與平均測量值之間的差異(Error)[38]。Fig.11 (a)Degree of linear polarization (DoLP) and (b) angle of polarization (AoP) of monochromatic polarized light at 488, 546, 633 nm were measured as a function of rotating a linear polarizer. The black solid lines represent simulated values. The circles and error bars respectively represent the mean measurements and standard deviations of all superpixels. (c) and (d) represent the difference between DoLP and AoP theoretical values and average measurements[38].

綜上，對于實現(xiàn)線偏振成像的液晶微偏振陣列，扭曲型相比于賓主型的優(yōu)勢在于其消光比和透射率主要由引入的線偏振片決定，因此通過選擇合適的偏振片即可實現(xiàn)較高的消光比(>1 000)，并能覆蓋從可見光到紅外的不同波段。但在器件設(shè)計時還需注意，確保在同一液晶層厚度下每個扭曲單元均滿足Mauguin條件來獲得優(yōu)異旋光特性；此外在設(shè)計不同扭曲角度大小同時還需兼顧它們的排列方式[50]，以確保器件的質(zhì)量和壽命，提升圖像重建質(zhì)量。

4 應(yīng)用于全Stokes成像的液晶微偏振陣列研究進展

隨著偏振成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)金屬、碳顆粒和植物表面可以在特定的方向帶有很強的圓偏振特性[51]；基于圓偏振光的旋向隨每次反射變化的原理，從目標物體反射的光可以很容易地與從介質(zhì)反射的光區(qū)分開[52]；另外，當平均粒徑在波長量級或更大的散射介質(zhì)時，圓偏振光比線偏振光具有更好的保偏特性[53]。利用圓偏振光的這些性質(zhì)，可以提高水下圖像的對比度，在霧、灰塵和水噴霧等渾濁模糊物中對物體進行成像，利用散射光確定偏振狀態(tài)并進行目標區(qū)分等，這對推動去霧遙感、消防、水下潛艇探測、跟蹤技術(shù)的發(fā)展具有重大意義[54-57]。

相比于線偏振成像而言，全Stokes偏振成像包含了前者沒有的圓偏振信息，補全了包括偏振度(Degree of polarization, DoP)和圓偏振度(Degree of circular polarization, DoCP)在內(nèi)的全部入射光偏振信息，如公式(16)和(17)所示。

(16)

(17)

4.1 2×2微偏振陣列實現(xiàn)全Stokes偏振成像的原理

根據(jù)公式(1)，為了獲得入射光完整的Stokes矢量，需要對0°、45°、90°和135°方向的線偏振以及右旋和左旋圓偏振分別進行測量。而分焦平面偏振成像系統(tǒng)是以損失分辨率為代價來獲取偏振信息的，因此需要盡量減少測量次數(shù)，即減少陣列中的偏振單元個數(shù)。

為了簡便計算和圖像處理，當前主流偏振相機多采用2×2的微偏振陣列，即對入射光進行4種線偏振方位的測量。這其實對求解線偏振信息而言是冗余的，因為對線偏振的描述只需要Stokes矢量的前3個分量即可，因此通過矩陣計算的方法，最少需進行3次不同線偏振方位的測量[44, 58]。同理，若想通過矩陣反演法獲得Stokes矢量的全部4個分量，則需要進行4次的不同偏振態(tài)的測量，過程如下[1]：

入射光的Stokes矢量Sin經(jīng)過偏振元件M后，出射的Stokes矢量為Sout，偏振元件M可利用4×4的Mueller矩陣表示，如式(18)所示：

(18)

探測器只接受強度信號I，即Stokes矢量的第一個分量Sout,0，2×2微偏振陣列得到4個強度偏振元件對入射光強度的調(diào)制完全依賴于M矩陣的第一行[m00,m01,m02,m03]，因此這一行(1×4矩陣)也被稱為該偏振元件對入射光的分析矢量。對于2×2微偏振陣列，有4個不同的分析矢量；將這些矢量排成一列，即構(gòu)成了該微偏振陣列的4×4測量矩陣W。則入射光經(jīng)過2×2微偏振陣列后得到不同強度的過程具體表示為式(19)：

(19)

其中，上角標i= 1, 2, 3, 4分別代表2×2微偏振陣列中每個偏振元件。當測量矩陣W存在逆矩陣時，利用矩陣反演，如公式(20)，即可求得入射光完整的Stokes矢量Sin。

Sin=W-1·I.

(20)

根據(jù)對微偏振陣列中4個偏振測量元件的配置，可以將可實現(xiàn)全Stokes成像的微偏振陣列分為簡單的全Stokes (Simple full-Stokes)微偏振陣列和優(yōu)化的全Stokes (Optimized full-Stokes)微偏振陣列。

4.2 簡單全Stokes微偏振陣列

圖12 一種簡單的全Stokes微偏振陣列設(shè)計方式的Poincaré球表示[33]；4個偏振測量態(tài)為0°，45°，90°的線偏振和右旋圓偏振，并構(gòu)成了一個四面體。Fig.12 Simple full-Stokes polarimeter design is illustrated on the Poincaré sphere. The dots represent the measurement states of each polarimeter and form a tetrahedron. Simple full-Stokes polarimeter utilizes three linear and one circular micropolarizer (0°, 45°, 90° linear andright-handed circular polarizer here).

最簡單的方式就是將2×2線偏振陣列中的其中一個方位的線偏振片變?yōu)閳A偏振片，用Poincaré球表示為圖12。

圖13 簡單全Stokes微偏振陣列超像素的俯視圖和截面圖[29]Fig.13 Top view andcross-sections of the simple full-Stokes micropolarizer array superpixel [29]

2010年，香港科技大學(xué)Zhao等的課題組提出了第一種可實現(xiàn)全Stokes探測的液晶微偏振陣列[29]，單像素尺寸為10 μm。其結(jié)構(gòu)和制備方法如圖13所示。首先，在偏振方向為45°的納米線柵上沉積并刻蝕陣列化氧化銦錫(Indium tin oxide, ITO)電極，以此作為下基板；然后利用光控材料SD1進行45°、-45°、0°和0°方向的陣列化取向；上側(cè)基板采用SD1進行0°方位的均一取向；使用環(huán)氧熱固膠將上下基板膠合為5 μm的液晶盒，灌注E7液晶后施加電壓。這樣分別形成45°扭曲、-45°扭曲、垂直排列和0°平行排列的結(jié)構(gòu)。

圖14 不同偏振光照明下的簡單全Stokes微偏振陣列的顯微照片[29]。(a) 0°線偏振光；(b) 90°線偏振光；(c) -45°線偏振光；(d) 右旋圓偏振光；(e) 左旋圓偏振光照明。Fig.14 Microphotographs of a fabricated LCMP array illuminated by linearly or circularly polarized input. (a) 0° linearly polarized; (b) 90° linearly polarized; (c) -45° linearly polarized; (d) Right-handed circularly polarized; (e) Left-handed circularly polarized[29].

在不同偏振光照明下，該微偏振陣列的顯微圖片如圖14表示。±45°扭曲的液晶微疇，相當于線偏振旋轉(zhuǎn)器，從而可以實現(xiàn)對0°及90°線偏振光的檢測，如圖12 (a)和(b)，在0°及90°線偏振光照明下，對應(yīng)液晶微疇呈現(xiàn)亮態(tài)；對于電控垂直排列的液晶微疇，由于此時垂直排列液晶層對偏振效果不產(chǎn)生影響，相當于中性密度濾波器，直接利用納米線柵完成對45°偏振光的檢測，如圖14 (c)，在-45°線偏振光照明下，對應(yīng)液晶微疇呈現(xiàn)暗態(tài)；對于0°平行排列液晶微疇，相當于一個相位延遲片，經(jīng)測試，這個區(qū)域在500 nm處滿足四分之一波長延遲，則光軸為0°方向的λ/4波片結(jié)合45°方向的檢偏器，充當一個右旋圓偏振片，如圖14 (d)和(e)，在右旋及左旋圓偏振光照明下，對應(yīng)液晶微疇分別呈現(xiàn)亮態(tài)和暗態(tài)。

經(jīng)測試，在500 nm處測得該微偏振陣列各單疇的偏振消光比約為1 100，且偏振透過率可達到75%；同時對0°、45°、90°和135°方向的線偏振以及右旋和左旋圓偏振的垂直入射光進行了6次Stokes矢量測量，實驗值與理論值的誤差在2.3%以內(nèi)。

該微偏振陣列巧妙地結(jié)合了扭曲排列液晶的線偏振旋光、平行排列液晶的相位延遲以及垂面排列液晶層不改變偏振態(tài)的原理，結(jié)合均勻的偏振片，實現(xiàn)了對Stokes矢量全部分量的測量。但由于該陣列使用時需要電控，因此需要刻蝕陣列化的ITO電極，并且在進行陣列化光控取向時還需進行像素對準，增加了制備難度；同時由于平行排列液晶微疇只對單一波長才滿足λ/4的延遲量，這對實際應(yīng)用造成了不便。

圖15 利用兩層液晶聚合物層實現(xiàn)的簡單全Stokes微偏振陣列結(jié)構(gòu)[32]。(a) 每個液晶延遲層和賓主偏振片組合透過不同的偏振態(tài)；(b) 超像素由0°、45°、右旋圓和90°偏振片組成。Fig.15 Schematic diagram of a simple full-Stokes micropolarizer array with two LC polymer layers[32]. (a) Each LC retarder and guest-host polarizer orientation combination transmits a differing polarization state; (b) Superpixel comprised of a 0°, 45°, right-hand circular, and 90° polarizers.

2012年，美國亞利桑那大學(xué)Myhre等提出了另一種簡單全Stokes微偏振陣列并集成在了CCD相機中[32]。其結(jié)構(gòu)如圖15所示，該方法是設(shè)計了兩層圖案化的液晶聚合物：一層0°、45°、45°和90°的陣列化取向的摻雜二色性染料賓主液晶聚合物膜起到檢偏器的作用(EXR ～ 20, @ 580 nm)；一層0°、45°、0°和0°的陣列化取向的平行排列液晶聚合物膜實現(xiàn)相位延遲；利用兩層液晶聚合物層，從而實現(xiàn)0°、45°、90°線偏振以及右旋圓偏振光的檢測。

照明光源后使用一個中心波長為580 nm、光譜寬度為5 nm的帶通濾波片，通過在0°線偏振片前旋轉(zhuǎn)近λ/4波片(89.1°)來改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)進行Stokes矢量的測量。結(jié)果如圖16所示，黑色和紅色的圓圈分別表示對入射線偏振度(DoLP)和圓偏振度(DoCP)的平均測量值，其中標準差用誤差條標記。實線顯示了0°線偏光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)89.1°的相位延遲的理想波片后得到的偏振態(tài)DoLP和DoCP的理論值。

圖16 (a) 測試光路示意圖[33]；(b) 在580 nm處對不同偏振入射光的DoLP和DoCP的測量結(jié)果[32]。Fig.16 (a) Schematic diagram of the optical setup[33]; (b) DoLP and DoCP are measured as a function of the fast axis orientation of an 89.1° retarder at 580 nm[32].

該微偏振陣列將賓主液晶偏振片與平行排列液晶λ/4波片陣列相結(jié)合，相比Zhao等提出的微偏振陣列，該結(jié)構(gòu)無需電控，避免了對ITO的刻蝕，也更容易集成到相機中。但該微偏振陣列的兩層液晶聚合物的取向不同，需要進行兩次陣列化對準，同時還需要構(gòu)建緩沖層(NOA-81)以避免層間取向干擾，這為制備操作帶來一定難題；另外，平行排列液晶結(jié)構(gòu)只對單一波長起到λ/4的延遲量，探測波段寬度和液晶層厚度誤差都將對圓偏振光的測量精度造成較大影響；并且，由于探測的4個偏振態(tài)在Poincaré球上分布不均勻且只在北半球內(nèi)分布，導(dǎo)致0°到90°方位的右旋偏振態(tài)測量較為準確，而90°到180°方位的左旋偏振光測量誤差較大[33]，如圖16(b)所示，對不同方位的線、圓偏振度的測量最大誤差約為23%，標準差最大接近30%?？梢娦枰獙ξ⑵耜嚵械奶綔y偏振態(tài)進一步優(yōu)化設(shè)計，來提高偏振測量精度。

4.3 優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列

2000年Sabatke等[59]基于對偏振片-旋轉(zhuǎn)波片的DoTP測量矩陣W的奇異值分解來評價全Stokes偏振測量系統(tǒng)的抗噪性，提出利用最小化測量矩陣W的等權(quán)方差來求優(yōu)化的波片的延遲量及方位角。從幾何角度理解來說，測量的每一個偏振態(tài)對應(yīng)Poincaré球上的一個點，它們圍成的體積與器件的信噪比成正比，即體積越大信噪比越大；因此對于2×2微偏振陣列中的4個測量偏振態(tài)應(yīng)該在Poincaré球中構(gòu)成一個內(nèi)接正四面體。最終確定了波片的延遲量為132°、快軸夾角為±15.1°和±51.7°時取得的4個測量偏振態(tài)為最優(yōu)設(shè)計方案，如圖17所示。

圖17 一種優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列設(shè)計的Poincaré球表示。4個測量的橢圓偏振態(tài)在Poincaré球中構(gòu)成一個內(nèi)接正四面體[33]。Fig.17 Optimized full-Stokes polarimeter design is illustrated on the Poincaré sphere. It utilizes four elliptical micropolarizers. The dots represent the measurement states of each micropolarizer and form a regular tetrahedron [33].

基于此優(yōu)化方案，2014年亞利桑那大學(xué)Hsu等在Myhre工作的基礎(chǔ)上，又提出了一種優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列[33]，并集成到CCD相機中。該微偏振陣列的結(jié)構(gòu)和原理如圖18所示：利用平行排列液晶波片陣列與均勻的偏振片組合形成橢圓偏振片陣列，從而實現(xiàn)對4個優(yōu)化橢圓偏振態(tài)的檢測。相較于簡單的全Stokes微偏振陣列，由于只需要一個陣列化取向?qū)樱虼吮苊饬酥谱鬟^程中的像素級別的重復(fù)對準，降低了微偏振陣列的缺陷密度。

圖18 (a)一種優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 每個合成的橢圓微偏振片傳輸不同的橢圓偏振態(tài)。Fig.18 (a) Schematic diagram of the structure of an optimized full-Stokes polarizer array; (b) Each resultant elliptical micropolarizer transmits a different elliptical polarization state.

該器件的陣列化波片層是針對580 nm波長進行優(yōu)化的，因此同樣使用如圖16 (a)的測試光路產(chǎn)生一系列不同偏振態(tài)的入射光對該優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列的偏振測量性能進行檢測。測量結(jié)果如圖19 (a)所示，黑色和紅色的圓圈分別表示對入射光DoLP和DoCP的平均測量值，標準差用誤差條標記，實線代表線偏光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)理想波片時得到的偏振態(tài)的理論預(yù)測值。圖19 (b)和(c)分別表示了對入射偏振態(tài)測量結(jié)果的誤差和標準差，并與簡單的全Stokes微偏振陣列測量的結(jié)果進行了對比。

圖19 (a) 在580 nm處不同偏振入射光的DoLP和DoCP的測量結(jié)果[33]; (b) 優(yōu)化后的橢圓偏振片陣列比簡單的全Stokes設(shè)計[32]具有更少的加工缺陷和更小的誤差; (c) 簡單的全Stokes微偏振陣列[32]在測量空間中使用了不平衡設(shè)計，導(dǎo)致標準偏差有很大的方差；而優(yōu)化后的全Stokes微偏振陣列的DoLP和DoCP標準差均小于0.05。Fig.19 Measurement results of DoLP and DoCP of incident light with different polarization input at 580 nm [33]; (b) Optimized elliptical micropolarizer has fewer fabrication defects which results in less error than the simple full-Stokes design [32]; (c) Simple full-Stokes polarimeter [32] uses an imbalance design in the measurement space, causing large variance in the standard deviation. The standard deviations of DOLP and DOCP of the optimized full-Stokes polarimeter are less than 0.05.

相較于該課題組提出的簡單全Stokes微偏振陣列，優(yōu)化后的器件對不同入射偏振態(tài)的最大誤差從23%減小到7%，標準差從接近30%減小到小于5%，這相當于測量信噪比提高了1.5倍。不過由于平行排列的液晶聚合物波片同樣僅對單一波長滿足相應(yīng)的最優(yōu)化延遲量，對這種優(yōu)化的全Stokes微偏振陣列的寬波段應(yīng)用造成了一定的困難。

4.4 對全Stokes微偏振陣列寬波段優(yōu)化的探索

通過上述對全Stokes微偏振陣列的研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，為了探測線偏振之外的圓偏振分量，需要器件引入對光的延遲量，這多數(shù)是由平行排列液晶結(jié)構(gòu)(液晶波片)承擔(dān)的。但由于液晶的色散，一定厚度下的液晶波片對不同波長的光延遲量總是不同的，如公式(6)所示。這對微偏振陣列的寬波段應(yīng)用造成了一定的困難。因此，國內(nèi)外多個課題組利用多層延遲片堆疊來構(gòu)成消色差波片[60-62]的設(shè)計思路，對全Stokes微偏振陣列寬波段優(yōu)化展開了一系列工作。

比較有代表性的有：2014年，香港科技大學(xué)Zhao等利用中心波長為550 nm的半波延遲和1/4波延遲的雙層平行排列的液晶層，制得了光軸方位為45°和135°的寬波段λ/4波片陣列。據(jù)報道，其像素尺寸最小可達8 μm，可實現(xiàn)400～700 nm范圍內(nèi)對左旋和右旋圓偏振光的寬波段測量[37]。2017年，亞利桑那大學(xué)Tu等提出了一種利用多個雙折射波片組合，通過在Poincaré球面上尋找重疊弧來設(shè)計消色差橢圓偏振片的方法[35]。設(shè)計并制備了包含雙層平行液晶層和線偏振片的消色差橢圓偏振片，在450～ 650 nm波段寬下進行測試，測量值與理論值的誤差小于4%，有望實現(xiàn)優(yōu)化的全Stokes消色差橢圓微偏振陣列，其結(jié)構(gòu)如圖20所示。此外，還設(shè)計了3層和4層平行排列液晶層，在理論上實現(xiàn)了波段范圍400 nm～1 μm的超消色差橢圓偏振器。

圖20 一種DoFP寬帶全Stokes相機的設(shè)計顯示了4個橢圓偏振片。每個層的超像素示意圖在右側(cè)[35]。Fig.20 Design of a DoFP broadband full-Stokes camera shows the array of four elliptical polarizers. The superpixel of each layer is showed on the right [35].

以上兩種方法都是基于多層平行液晶結(jié)構(gòu)達到消色差的相位延遲作用。這在理論上完全可行，但多層結(jié)構(gòu)面臨需要多次進行像素級對準的曝光取向、構(gòu)建多個緩沖層以避免層間取向干擾等問題，這將大幅提高由制備失準引入的缺陷密度，造成器件質(zhì)量下降、甚至無法使用的情況。可見，對全Stokes微偏振陣列的寬波段優(yōu)化還有待進一步探索。

5 總結(jié)與展望

當前，偏振成像系統(tǒng)正朝向?qū)討B(tài)目標的同時偏振成像方向發(fā)展，對成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求也逐步趨向于分焦平面式的小型化和模塊化。因此，亟需高性能的微偏振陣列以滿足對高精度、寬波段的線偏振或全Stokes測量及成像的需求。相比于納米線柵和金屬超表面的微偏振陣列，液晶微偏振陣列有著工藝簡單、均勻度高、設(shè)計靈活、性能穩(wěn)定、成本低廉等獨特優(yōu)勢。本文首先介紹了液晶微偏振陣列中運用的二色性吸收、偏振旋光和相位延遲3種基本原理，然后對近些年來液晶微偏振陣列的發(fā)展做了簡要的歸納總結(jié)，通過陣列化光控取向?qū)崿F(xiàn)一種或幾種液晶排列方式的組合，可用于實現(xiàn)線偏振或全Stokes測量及成像，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

當然，液晶微偏振陣列也存在一些缺點并限制了其進一步應(yīng)用，其中最棘手的便是應(yīng)用波段范圍的限制。可以預(yù)見，未來關(guān)于液晶微偏振陣列方面的研究將更多地集中于對其寬波段的優(yōu)化設(shè)計。不止于多層平行液晶堆疊的消色差波片，還可應(yīng)用其他原理，如膽甾相液晶的選擇性圓反射[63-64]等進行陣列化設(shè)計，力求降低加工精度要求和復(fù)雜程度，便于小型化集成。此外，還可以對高折射液晶、高二色性比染料等材料進行開發(fā)，有望在中、長波紅外的偏振應(yīng)用領(lǐng)域取得一些突破性進展。另一方面，針對不同應(yīng)用場景中線偏振度和圓偏振度的成分占比，可以對液晶微偏振陣列進行訂制優(yōu)化，滿足對特定場景的高精度偏振成像。在對物體空間與偏振信息同步探測方面，近晶相液晶的自組裝微結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究[65]，也為分焦平面偏振成像的實現(xiàn)提供了新思路。