罗海波;刘燕德;兰乐佳;叶双辉
【摘 要】偏振成像是一项具有巨大应用价值的前沿技术,近年得到了业内人士的广泛关注.文章介绍了偏振成像的原理、特点、应用以及国内外研究现状,还介绍了几种常用的实现方法及其优缺点,最后对当前偏振成像的主流方法——分焦平面法的关键技术进行了讨论.%Polarization imaging is an advanced technology with increasing applications and it has attracted wide atlention in recent years. In this paper, theories, characteristics, applications and the research status of polarization imaging are introduced. The implementation of several common methods and their advantages and disadvan-tages are also explored. Finally, the key technologies of division of focal plane polarimeters which is the current mainstream method of polarization imaging are analyzed.
【期刊名称】《华东交通大学学报》
【年(卷),期】2017(034)001防尘机箱
【总页数】6页(P8-13)
【关键词】成像;偏振成像;分焦平面法;插值;非均匀性校正
【作 者】罗海波;刘燕德;兰乐佳;叶双辉
【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110016;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013
甲基化学式发光材料
【正文语种】中 文
生产H
【中图分类】TP391
偏振是光波的基本属性之一,其中蕴含着被测物的众多特征信息。由于人眼对偏振信息不敏感,所以一般情况下人眼所获得的信息主要来自于光的强度和光谱信息,而忽略了光的偏振所反映的被测物信息。偏振成像是在原有的成像系统上增加偏振检测装置,通过测量光线不同方向的偏振分量,进而得到被测光线的部分或全部偏振状态信息,通常用Stokes矢量[1]或Mu eller矩阵来表征被测光线的偏振状态。通过对这些偏振信息图像的分析和计算,可以进一步得到更多的偏振参数图像,如偏振度、偏振角、椭圆率角、偏振传输特性、去偏特性等,其结果可用于分析被测物的形状、粗糙度、介质特性甚至生物化学等各项特征信息[2]。通过将偏振信息和强度信息融合，还可以达到增强目标的目的，能提供更多维度的目标信息，可有效提高对隐身、伪装目标的探测识别能力，还可以抑制雾霾、烟尘以及诱饵等干扰。 偏振成像是一项具有巨大应用价值的前沿技术，近年得到了业内人士的广泛关注。典型的偏振成像方法有分时法（DoT）[3]，分振幅法（DoAM）[4]，分孔径法（DoAP）[5]以及分焦平面法（DoFP）[6－7]。分时法采用步进旋转偏振片，在不同的时刻分别获得4个方向的光强响应，从这4个光强响应中就能解算出景物光波的偏振态信息，这种方法因为是在不同的时刻得到不同方向的光强响应，故只适合于对静态场景成像。分振幅法利用分束镜、偏振分束器或沃尔斯通棱镜等分束光学器件结合成像透镜及多个成像探测器组成多个偏振探测通道，获取得到同一目标场景的多幅图像，在每个通道中放置不同方向的偏振片以获取目标不同偏振方向的强度图，再利用数据约简矩阵得到目标的Stokes矢量图。分振幅法具有可同时成像，数据处理简单等优点，然而由于需要分成多个子光学系统，采用多个成像探测器记录多幅偏振强度图像，所以体积较大。且当各通道采用的光学系统和成像
探测器的参数存在差异时，会引入额外的偏振测量误差。分孔径法是指采用孔径分割的方法将整个系统分成多个子孔径，每个子孔径分别采用不同的偏振元件，以获取不同偏振态的强度图。这种方法通常在系统孔径处采用离轴的方法放置4个成像透镜阵列形成4个通道，每个通道放置不同方向的偏振检测原件以获取不同偏振方向的强度图，最终得到Stokes矢量图。4个偏振通道共享一个前置物镜，通过合理安排，将4个偏振通道的图像成像在1个探测器上。分孔径偏振成像系统具有结构紧凑，数据处理方便等优点。但由于系统采用的分孔径分光系统一般为离轴或偏心系统，给设计和装调带来了一定的困难。而且像面上像点之间的配准误差会引入偏振测量误差。分焦平面法将偏振元件集成到焦平面上，焦平面1个像元对应1个微偏振元件，其工作原理如图1所示。图1（a）是分焦平面偏振成像探测器结构示意图，在成像探测器焦平面上加工或粘贴一层微纳结构偏振阵列，每4个像元1组，分别敏感不同方向的偏振矢量。在偏振成像解算时，利用当前像元及其周围像元的响应直接或间接得到该像元对不同方向的偏振分量或偏振态，进而解算出Stokes矢量，完成偏振成像解算。分焦平面法可以同时获取入射光不同方向的偏振分量或偏振态，故既可对静态场景成像又可对动态场景成像，而且结构紧凑，体积小，是当前偏振成像的研究热点，也是未来偏振成像的主流方向。本文介绍了偏振成像在若干领域的应用，并对分焦平面偏振成像的关键技术进行了讨论。
偏振成像在生物医学、材料学、遥感、大气光学、海洋探测、军事等领域都有重要的应用。偏振成像可以增强目标与背景的对比度,直接利用矢量图像或通过矢量彼此间的简单比值可以提高对场景细节的分辨能力,但更常见的是利用偏振度、偏振角等信息增强图像中目标的细节和形状信息。中科院安徽光机所研制的多波段偏振相机可以获取4个波段的Stokes矢量[8]，他们利用研制的多波段偏振相机对混凝土建筑物和路面等目标进行了识别实验，实验结果表明，偏振图像在获取目标纹理特征和表面状态信息等方面具有明显的优势[9]，利用偏振角图像还能表现出目标不同表面取向的细节特征[10]。张绪国等在实验室条件下对主动式的偏振成像研究表明,反射率相近的物体在偏振度图像中得到了明显的区分,将强度图像和偏振度图像作对比,可以提高不同材料之问的分辨能力,尤其适用于人造目标在自然背景下的识别[11]。
在生物医学领域,常见的应用是测量细胞或组织的Mueller矩阵,用于研究其生物特征或病理学诊断。由于生物组织不同结构间的偏振特性不同,利用Mueller矩阵显微镜可以进行生物组织结构方面的研究,如进行皮肤-肌肉组织的Mueller矩阵断层扫描,研究其轴向上的偏振特性分布,或进行真皮组织、骨组织结构研究等。在病理学诊断领域,可以通过偏振图像进行无接触、无痛和无损伤的病变诊断,尤其适用于皮肤和眼部的诊断。
偏振成像可实现对地偏振遥感,植物叶片、海洋、土壤、岩石等地物都会反射太阳光并在其中叠加偏振信息,因此偏振地物遥感在多种测量领域都有重要应用。由于海洋背景散射光的偏振度较大,因此偏振成像可以用于海洋生物学和海洋水体研究,如用于环保领域的海面漏油检测。在对地遥感中,河流和湖泊由于对周围景物的反射而使得在强度图中不易分辨,但采用偏振成像方法却可以较好地对其进行区分。此外,还可以通过偏振遥感对土壤、雪地和植被进行检测,还可利用偏振度图像检测植物叶片含水量,进行农业研究和监测等。
在军事应用方面，英国国防科技实验室于2002年利用红外偏振技术开展扫雷实验，图2为传统成像和偏振成像的对比图，由图中可以看出，红外偏振成像技术在遮蔽目标检测效果方面明显优于传统红外成像技术。
2011年，美国空军实验室（AFRL）在Wingmaster靶场开展了对空偏振成像目标跟踪实验，试验中对两种材质的小型遥控飞机在不同背景（包含天空、树林、跑道、草地）下进行长波红外偏振成像实验，图3为成像结果对比，由图中可以看出，在几乎所有的杂乱背景下，长波红外偏振成像更能凸显目标，长波红外偏振图像与长波红外图像相比,最大虚警率由0.52降为0.01，信杂比提升了3.4～35.6倍。
2008年，美国雷神公司研制了LWIR（HgCdTe）和MWIR（InSb）分焦平面红外偏振探测系统，达到了实时偏振探测要求，偏振光栅消光比达到100以上。2008年，美国在红石兵工厂、陆军研究发展工程中心（ARDEC）下属的精确武器实验室（PAL）、洛马公司的先进技术中心等地开展了分孔径型偏振成像探测设备的武器效能实验，具备实战能力，可能已装备陆军。2010年，美国研制出基于反射/透射结构的可见光全偏振成像原理样机，2011年突破单波长全偏振成像的技术瓶颈，实现在较窄波段上全偏振图像的实时获取。2011年，美国亚利桑那大学联合其他几所大学进行了一种新型的偏振成像探测机理研究，即基于宽带偏振光栅的白光通道型偏振成像。该技术能较好地获取Stokes参数，有助于提高图像质量。2011年，美国圣地亚国立实验室和亚利桑那大学联合研制了多光谱红外偏振成像仪，工作波段覆盖短波红外和中波红外，并细分了1.51，2.32，3.51，4.17 μm 4个光谱，属于Stokes偏振成像仪。2012年，美军空军研究实验室（AFRL）开发了基于如图4所示的新型圆偏振滤光镜的偏振成像技术，该滤光片能同时获得圆偏振光和线偏振光，主要应用于增强“穿云透雾看穿战场”的能力，基于该方法的宽波段全偏振实时成像技术具有重要的军事应用潜力。2014年，美国4D公司制备了四方向的微偏振阵列组件，在此基础上研制成功商业化的可见光偏振相机（如图5所示），该微偏振阵列的工作波段为0.3～3 μm，该技术有望应用于低成本的红外偏振成像系统。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议