超表面赋能双通道单像素偏振成像技术取得重要突破

    在光学成像领域，单像素成像凭借其显著的成本效益与强环境适应性，已成为生物医学检测、遥感探测等多个前沿研究领域的重点关注方向。然而，传统偏振单像素成像系统通常需通过多次测量方可获取不同偏振通道的信息，不仅耗时久，且存在系统结构复杂、空间占用率高的技术瓶颈。近日，北京理工大学黄玲玲团队与中国科学院物理所携手合作，在国际知名期刊《Laser&PhotonicsReviews》发表一项创新性研究成果，提出基于偏振复用超表面的双通道单像素偏振成像技术，成功实现单次测量下双正交偏振通道的高质量成像，为破解传统技术局限提供了全新的技术路径。

    核心创新：超表面介导的偏振复用与空间编码机制
    该技术的核心突破在于将超表面的亚波长调控特性与偏振复用技术深度融合，构建了高效集成的单像素成像系统。超表面作为具备亚波长尺度微纳结构的功能器件，可对入射光的偏振、振幅等关键光学特性进行灵活精准调控。研究团队通过优化设计四种不同结构尺寸的超原子单元，实现了对入射光的2比特编码，为偏振通道的精准区分与独立成像提供了关键支撑。
    与传统技术需通过切换偏振片完成多通道测量的模式不同，该方案创新性地采用空间位移机制实现偏振通道的并行编码。携带未知偏振信息的物体光束入射至超表面后，通过平移台控制超表面进行水平与垂直方向的位移，使不同偏振通道对应的图像在各自的空间振幅掩模下完成独立编码。这种设计将偏振选择与空间编码功能有机融合，仅需单次测量即可同步获取两个正交偏振通道的强度信息，大幅简化了系统结构，同时显著降低了时间成本与空间占用。

    实验设计：精密装置构建与系统性验证
    为验证技术可行性，研究团队构建了完备的实验装置。该装置由激光光源、缩比成像透镜组、偏振相关调制掩模（超表面）、平移台及CCD探测器组成。具体工作流程为：激光光源照射成像物体后，经透镜L1和L2进行缩比处理，将物体投影至超表面；平移台驱动超表面移动以实现掩模切换；最终通过透镜L3将调制后的光聚焦到CCD探测器（作为单像素探测器）完成信号采集。扫描电子显微镜（SEM）测试结果证实，四种设计的超原子结构均实现成功制备，为实验的有序推进提供了可靠的硬件保障。
    实验过程中，研究团队分别对偏振无关目标（字母"G"）与偏振相关目标（上下弯曲箭头）开展系统性测试。结果表明，通过SPI算法对采集到的混合信号进行处理后，可精准重建x偏振和y偏振方向的图像，采用伪彩色编码技术进一步清晰界定了不同偏振通道的成像结果。针对真实物体的实验验证更充分体现了技术的实用价值：重建图像的空间分辨率达到4.38微米，偏振对比度（PC）取值覆盖0（各向同性）至1（完全偏振）的完整范围，能够精准表征目标的偏振各向异性，且主导偏振分量角度的识别精度满足实际应用需求。

    技术优势与应用前景
    相较于传统偏振单像素成像技术，该创新方案具备三大核心优势：其一为高效性，通过单次测量完成双偏振通道成像，显著提升数据采集效率；其二为精简性，借助超表面的多功能集成特性，省去传统系统中的多个偏振元件与复杂光路，有效缩减系统体积并控制成本；其三为高精度，4.38微米的空间分辨率可满足多数高端成像场景需求，而偏振特性的精准表征进一步拓展了成像维度，为目标识别提供更丰富的信息支撑。
    该技术在多个高端领域具备广阔的应用前景：在光学检测领域，可实现对微纳器件偏振特性的快速精准表征，为器件性能优化提供技术支持；在目标识别领域，通过偏振维度的额外信息补充，能够有效提升复杂环境下的目标区分能力，增强识别可靠性；在航空遥感领域，精简的系统结构与高效的成像能力，可满足航空平台的载荷约束要求与快速探测需求。此外，该技术还为生物医学成像、量子光学等领域的偏振相关研究提供了全新的技术工具与研究思路。

    此次北京理工大学与中国科学院物理所的合作研究，通过超表面技术与单像素成像的创新性融合，成功打破了传统偏振成像的技术瓶颈。随着微纳加工工艺的持续进步与算法的迭代优化，该技术有望进一步提升分辨率与成像速度，在更多实际应用场景中实现落地转化，为光学成像技术的创新发展提供新的动力。