光學(xué)偏振成像技術(shù)的研究、應(yīng)用與進(jìn)展

偏振成像技術(shù)作為一種新型的光學(xué)成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)抑制背景噪聲、提高探測(cè)距離、獲取目標(biāo)細(xì)節(jié)特征和識(shí)別偽裝目標(biāo)等功能。由于成像空間維度的不同，偏振二維成像和偏振三維成像在不同領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。

相比傳統(tǒng)的光學(xué)三維成像技術(shù)，偏振三維成像技術(shù)能夠反映目標(biāo)的材質(zhì)、粗糙度等紋理特征，不依賴背景照度、環(huán)境溫度和對(duì)比度等因素，能夠在特殊環(huán)境中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效探測(cè)。此外，超表面偏振器件在光的偏振轉(zhuǎn)換、旋光、矢量光束的產(chǎn)生等方面的研究為偏振成像系統(tǒng)的便攜化、實(shí)時(shí)化提供可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，太原理工大學(xué)光電工程學(xué)院與西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“光學(xué)偏振成像技術(shù)的研究、應(yīng)用與進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為李智淵，主要從事基于超表面偏振器件的偏振三維成像技術(shù)的研究工作；通訊作者為翟愛(ài)平，主要從事結(jié)構(gòu)光投影三維傳感和散射成像等方面的研究。

文中首先介紹了偏振光成像的基本理論，接著對(duì)偏振成像系統(tǒng)的四種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹和比較分析，然后分別對(duì)偏振二維成像、偏振三維成像和基于超表面偏振器件的偏振探測(cè)及成像的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，最后對(duì)偏振成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)和展望。

偏振成像的基本理論

光的偏振可以用電矢量法、瓊斯矩陣法、Poincare球和Stokes矢量法來(lái)描述。在偏振成像技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，最為常見(jiàn)的是通過(guò)獲取Stokes矢量求取需要的偏振特征參數(shù)。

圖1 反射光與折射光的垂直分量與平行分量示意圖

偏振成像系統(tǒng)

分時(shí)型偏振成像系統(tǒng)由于工作時(shí)需要機(jī)械的旋轉(zhuǎn)偏振片，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)探測(cè)，而分振幅、分孔徑和分焦平面三種偏振成像系統(tǒng)，能一次獲得多幅偏振子圖像，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測(cè)，成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

分時(shí)型偏振成像系統(tǒng)是將連續(xù)旋轉(zhuǎn)的線偏振片置于探測(cè)器前，依次獲得各線偏振方向的圖像，最后計(jì)算得到偏振特征圖像。分振幅型偏振成像系統(tǒng)利用分光元件將反射光分成多個(gè)通道，在每個(gè)通道中實(shí)施不同的偏振調(diào)制方案，利用多個(gè)探測(cè)器分別在各通道同時(shí)獲取同一目標(biāo)場(chǎng)景的多幅圖像。分孔徑型偏振成像系統(tǒng)采用離軸或偏心的多組光學(xué)系統(tǒng)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，即在系統(tǒng)孔徑處，離軸放置四個(gè)成像透鏡形成四個(gè)通道，每個(gè)通道放置偏振元件，通過(guò)一次曝光獲取各偏振分量的強(qiáng)度圖像。分焦平面型偏振成像系統(tǒng)把不同偏振方向的微偏振陣列（MPA）集成于探測(cè)器焦平面（FPA）前，探測(cè)器每一個(gè)感光像元與一個(gè)方向的微偏振片對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單次曝光采集同一目標(biāo)不同偏振方向的圖像，具有高消光比、低損耗、結(jié)構(gòu)緊湊和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前偏振成像的研究熱點(diǎn)，也是未來(lái)偏振成像系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。

偏振二維成像技術(shù)方法及應(yīng)用

基于偏振差分的偏振二維成像技術(shù)

偏振差分成像（PDI）的思想來(lái)源于仿生學(xué)。PDI根據(jù)渾濁介質(zhì)的散射光與目標(biāo)反射光偏振特性的差異對(duì)散射光進(jìn)行抑制，提高了散射介質(zhì)中目標(biāo)的可見(jiàn)性。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)偏振方向相互正交的線偏振圖像進(jìn)行差分得到偏振差分圖像，即Stokes 矢量中的S1。

利用偏振差分的思想實(shí)現(xiàn)圖像去霧也是國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。霧霾條件下，探測(cè)器接收的光主要是散射光和直接透射光，其中散射光是造成圖像退化的主要原因。

基于圖像融合的偏振二維成像技術(shù)

基于圖像融合的偏振成像技術(shù)將強(qiáng)度圖像和偏振特征圖像通過(guò)特定的算法進(jìn)行融合，獲得比原始圖像更豐富的細(xì)節(jié)信息，有效提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度。

偏振圖像的融合可以分為三種，一是基于偽彩色映射的圖像融合。二是基于多尺度變換的圖像融合，多尺度變換的方法有小波變換、支持度變換（SVT）和非下采樣剪切波變換（NSST）等。三是基于深度學(xué)習(xí)的圖像融合。

圖2 （a）基于NSST偏振圖像融合框架圖；（b）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

偏振三維成像原理及方法

偏振三維成像原理：光照射到各向異性的物質(zhì)表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鏡面反射光和漫反射光。根據(jù)反射光成分的不同，偏振三維成像可分為基于鏡面反射光和漫反射光的偏振三維成像。

基于鏡面反射光的偏振三維成像技術(shù)主要包括天頂角的確定和方位角消歧。

基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)不存在天頂角模糊問(wèn)題，因此對(duì)方位角的消歧方法展開(kāi)綜述。主要包括：基于傳統(tǒng)光學(xué)三維成像方法、結(jié)合飛行時(shí)間法（TOF）、結(jié)合多目立體視覺(jué)法和結(jié)合結(jié)構(gòu)光投影和基于深度學(xué)習(xí)的偏振三維成像。

目前，偏振三維成像技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一靜態(tài)目標(biāo)的三維重建。然而，基于鏡面反射光的偏振三維成像技術(shù)中天頂角的消歧過(guò)程繁瑣，無(wú)法通過(guò)一次探測(cè)確定唯一的天頂角；基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)存在漫反射光分量少，不易探測(cè)和鏡面反射光干擾等問(wèn)題，針對(duì)其方位角的模糊問(wèn)題，通常需要結(jié)合其他三維感知技術(shù)獲取先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)方位角的約束，嚴(yán)重制約了基于漫反射光偏振三維成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

圖3 成像結(jié)果：（a）基于偏振成像與雙目立體視覺(jué)融合的三維重建；（b）近紅外單目偏振三維成像；（c）基于稀疏線性方程組的線性深度估計(jì)；（d）基于深度學(xué)習(xí)的偏振三維重建。

基于超表面偏振器件的偏振成像

近年來(lái)，隨著偏振成像技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，高效準(zhǔn)確的獲取偏振信息成為偏振成像技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)偏振元件集成度低，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圖像配準(zhǔn)誤差較大，嚴(yán)重制約了該領(lǐng)域的發(fā)展?；诔砻娼Y(jié)構(gòu)的偏振器件能夠?qū)⒏鞣N偏振元件的功能集成于一體實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)的不足。

圖4 （a）超表面與CCD陣列的偏振測(cè)量裝置；（b）器件結(jié)構(gòu)SEM圖像；（c）偏振成像；（d）全Stokes偏振成像

總結(jié)與展望

文中主要從偏振探測(cè)和成像應(yīng)用兩方面對(duì)偏振成像技術(shù)進(jìn)行綜述。首先比較分析了傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)，其中，分焦平面型偏振成像系統(tǒng)由于實(shí)時(shí)性高、集成性好等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前傳統(tǒng)偏振成像的研究熱點(diǎn)，但其仍存在偏振陣列消光比低和圖像融合算法適用性差等缺點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)，偏振二維成像技術(shù)和偏振三維成像技術(shù)被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家深入研究并取得了巨大進(jìn)展。文中詳細(xì)介紹了基于偏振差分和圖像融合的偏振二維成像技術(shù)。偏振二維成像技術(shù)在水下和霧霾環(huán)境中取得了良好的成像效果，但是在散射因子高的環(huán)境中成像和對(duì)高、低偏振度目標(biāo)的分離仍然是需要克服的難題。

對(duì)于偏振三維成像技術(shù)，文中對(duì)成像過(guò)程中解決方位角和天頂角多值性問(wèn)題的方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。雖然當(dāng)前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境中單一物體的高精度三維重建，但是恢復(fù)的是目標(biāo)的相對(duì)高度而非絕對(duì)高度。此外，現(xiàn)有的偏振三維成像技術(shù)無(wú)法對(duì)不連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)三維形貌恢復(fù)，仍需針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步研究。隨著微納加工技術(shù)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，體積更小、集成度更高的超表面結(jié)構(gòu)被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究應(yīng)用于偏振探測(cè)。文中最后對(duì)基于超表面結(jié)構(gòu)的偏振器件實(shí)現(xiàn)全偏振探測(cè)進(jìn)行介紹，并介紹了超表面偏振器件在成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。

針對(duì)偏振成像過(guò)程中存在的問(wèn)題，在未來(lái)的工作中，需要從以下四個(gè)方向進(jìn)行深入研究：

（1）優(yōu)化偏振成像系統(tǒng)。從光源的選擇、偏振光的傳輸、偏振光的調(diào)制、偏振光的獲取及偏振光的處理五個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化，減少各個(gè)環(huán)節(jié)中帶來(lái)的誤差；

（2）改進(jìn)偏振器件和探測(cè)器的集成工藝。無(wú)論是基于金屬線柵的微偏振陣列還是基于超表面結(jié)構(gòu)的偏振器件，高精度的集成工藝能夠顯著減少像元間的串?dāng)_，提高消光比。此外，如何將超表面偏振器件與傳統(tǒng)的強(qiáng)度探測(cè)器相結(jié)合以增強(qiáng)偏振探測(cè)能力也是未來(lái)需要攻克的難題；

（3）增強(qiáng)算法的普適性和降低算法復(fù)雜度。偏振二維成像中需要采用更為魯棒且效果更好的算法對(duì)偏振特征圖像進(jìn)行處理，提取視場(chǎng)中目標(biāo)更多的信息。偏振三維成像中盡可能減少對(duì)其它方法的依賴，研究?jī)H以偏振信息為主的算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維重建；

（4）實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)偏振探測(cè)。隨著三維探測(cè)在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷增加，偏振三維成像技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)且單一連續(xù)目標(biāo)的三維重建已經(jīng)不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)：提高圖像獲取速率；減少三維重建所需偏振子圖像的數(shù)量；避免利用其它設(shè)備獲取先驗(yàn)信息。以上均是偏振成像過(guò)程中亟待解決的的難題，合理有效的綜合各種先進(jìn)工藝和方法實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)偏振探測(cè)是未來(lái)偏振成像技術(shù)的重要發(fā)展方向。

審核編輯：劉清