水下偏振光成像传感器：性能与应用

本文主要探讨了水下探测海洋动物颜色和偏振信息的技术，聚焦于一种用于探测部分偏振光的成像传感器的设计与性能分析。这项研究发表在《光学表达》(OpticsExpress) 2010年第18卷，具有显著的应用价值，如提高光学散射环境下目标对比度、水下深度成像、环境污染物识别、生物医学中的皮肤癌检测和视网膜手术成像。 该传感器的核心设计是利用铝纳米线光学滤波器结合CCD成像阵列，这能够有效捕捉部分偏振光的特性。传感器的关键性能指标包括高信噪比（45dB），快速的帧率（40帧/秒）以及相对较低的功耗（300mW）。部分偏振光的探测涉及三个关键参数：入射角（反映物体形状）、物体材料的折射率，这些信息有助于深入理解目标的物理特性。 文章首先介绍了背景，强调了在光学散射和水下成像中的优势，以及在常规环境中的应用潜力，如化学异构体分类和指纹检测。部分偏振光成像传感器采用了四个线偏振滤波器（每个45°偏移）配合CCD/CMOS成像元件，能通过标准数字图像处理算法恢复图像信息。 然而，运动带来的影响导致了偏振信息提取的精度问题，从而影响了帧率。为了克服这个问题，作者提出了一个高分辨率的分焦平面偏振成像传感器，将铝纳米线偏振滤波器与集成的CCD成像元件（如硅探测器）相结合。这个设计确保了滤光效率（消光比大于20），并减少了相邻像素间的干扰。 具体到光学测量，传感器的响应度、线偏振度、偏振角和消光比得到了详细评估。例如，对于4个像素，线偏振度的最大值达到64%，最小值仅为1.1%，这表明传感器对不同偏振光的敏感度差异显著。线性和均方根值的误差控制在极低水平，分别为0.2%和0.08°（偏振角）以及0.5%和0.02°（线偏振度）。 消光比的测量结果显示，在特定波长下（如625±5nm和515±5nm），传感器有良好的性能，最大消光比分别达到了58±1.2和44±0.7，这证实了其在复杂光照环境中的出色性能。 这篇文章提供了关于部分偏振光成像传感器在水下探测中的关键设计原理、性能优化以及在实际应用中的挑战和解决方案，对于海洋生物学、环境监测和医学领域具有重要的科研价值。