偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术,可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。由于成像空间维度的不同,偏振二维成像和偏振三维成像在不同领域中具有良好的应用前景。
相比传统的光学三维成像技术,偏振三维成像技术能够反映目标的材质、粗糙度等纹理特征,不依赖背景照度、环境温度和对比度等因素,能够在特殊环境中实现目标的有效探测。此外,超表面偏振器件在光的偏振转换、旋光、矢量光束的产生等方面的研究为偏振成像系统的便携化、实时化提供可能。
据麦姆斯咨询报道,近期,太原理工大学光电工程学院与西安电子科技大学光电工程学院的联合科研团队在《红外与激光工程》期刊上发表了以“光学偏振成像技术的研究、应用与进展”为主题的文章。该文章第一作者为李智渊,主要从事基于超表面偏振器件的偏振三维成像技术的研究工作;通讯作者为翟爱平,主要从事结构光投影三维传感和散射成像等方面的研究。
文中首先介绍了偏振光成像的基本理论,接着对偏振成像系统的四种典型结构进行详细介绍和比较分析,然后分别对偏振二维成像、偏振三维成像和基于超表面偏振器件的偏振探测及成像的研究进展进行综述,最后对偏振成像技术面临的挑战和未来的发展方向进行总结和展望。
偏振成像的基本理论
光的偏振可以用电矢量法、琼斯矩阵法、Poincare球和Stokes矢量法来描述。在偏振成像技术的实际应用中,最为常见的是通过获取Stokes矢量求取需要的偏振特征参数。
图1 反射光与折射光的垂直分量与平行分量示意图
偏振成像系统
分时型偏振成像系统由于工作时需要机械的旋转偏振片,无法实现动态场景的实时探测,而分振幅、分孔径和分焦平面三种偏振成像系统,能一次获得多幅偏振子图像,实现动态目标的实时探测,成为国内外科学家研究的热点。
分时型偏振成像系统是将连续旋转的线偏振片置于探测器前,依次获得各线偏振方向的图像,最后计算得到偏振特征图像。分振幅型偏振成像系统利用分光元件将反射光分成多个通道,在每个通道中实施不同的偏振调制方案,利用多个探测器分别在各通道同时获取同一目标场景的多幅图像。分孔径型偏振成像系统采用离轴或偏心的多组光学系统对同一目标进行探测,即在系统孔径处,离轴放置四个成像透镜形成四个通道,每个通道放置偏振元件,通过一次曝光获取各偏振分量的强度图像。分焦平面型偏振成像系统把不同偏振方向的微偏振阵列(MPA)集成于探测器焦平面(FPA)前,探测器每一个感光像元与一个方向的微偏振片对应,实现单次曝光采集同一目标不同偏振方向的图像,具有高消光比、低损耗、结构紧凑和实时性高等优点,是当前偏振成像的研究热点,也是未来偏振成像系统发展的主流方向。
偏振二维成像技术方法及应用
基于偏振差分的偏振二维成像技术
偏振差分成像(PDI)的思想来源于仿生学。PDI根据浑浊介质的散射光与目标反射光偏振特性的差异对散射光进行抑制,提高了散射介质中目标的可见性。实际应用中,对偏振方向相互正交的线偏振图像进行差分得到偏振差分图像,即Stokes 矢量中的S1。
利用偏振差分的思想实现图像去雾也是国内外科学家研究的热点。雾霾条件下,探测器接收的光主要是散射光和直接透射光,其中散射光是造成图像退化的主要原因。
基于图像融合的偏振二维成像技术
基于图像融合的偏振成像技术将强度图像和偏振特征图像通过特定的算法进行融合,获得比原始图像更丰富的细节信息,有效提高目标与背景的对比度。
偏振图像的融合可以分为三种,一是基于伪彩色映射的图像融合。二是基于多尺度变换的图像融合,多尺度变换的方法有小波变换、支持度变换(SVT)和非下采样剪切波变换(NSST)等。三是基于深度学习的图像融合。
图2 (a)基于NSST偏振图像融合框架图;(b)网络架构
偏振三维成像原理及方法
偏振三维成像原理:光照射到各向异性的物质表面时,会产生镜面反射光和漫反射光。根据反射光成分的不同,偏振三维成像可分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。
基于镜面反射光的偏振三维成像技术主要包括天顶角的确定和方位角消歧。
基于漫反射光的偏振三维成像技术不存在天顶角模糊问题,因此对方位角的消歧方法展开综述。主要包括:基于传统光学三维成像方法、结合飞行时间法(TOF)、结合多目立体视觉法和结合结构光投影和基于深度学习的偏振三维成像。
目前,偏振三维成像技术已经能够实现对单一静态目标的三维重建。然而,基于镜面反射光的偏振三维成像技术中天顶角的消歧过程繁琐,无法通过一次探测确定唯一的天顶角;基于漫反射光的偏振三维成像技术存在漫反射光分量少,不易探测和镜面反射光干扰等问题,针对其方位角的模糊问题,通常需要结合其他三维感知技术获取先验信息,实现对方位角的约束,严重制约了基于漫反射光偏振三维成像技术的广泛应用。
图3 成像结果:(a)基于偏振成像与双目立体视觉融合的三维重建;(b)近红外单目偏振三维成像;(c)基于稀疏线性方程组的线性深度估计;(d)基于深度学习的偏振三维重建。
基于超表面偏振器件的偏振成像
近年来,随着偏振成像技术领域的蓬勃发展,高效准确的获取偏振信息成为偏振成像技术发展的关键。传统偏振元件集成度低,导致对应的偏振成像系统结构复杂、图像配准误差较大,严重制约了该领域的发展。基于超表面结构的偏振器件能够将各种偏振元件的功能集成于一体实现偏振探测,弥补了传统偏振成像系统的不足。
图4 (a)超表面与CCD阵列的偏振测量装置;(b)器件结构SEM图像;(c)偏振成像;(d)全Stokes偏振成像
总结与展望
文中主要从偏振探测和成像应用两方面对偏振成像技术进行综述。首先比较分析了传统的偏振成像系统,其中,分焦平面型偏振成像系统由于实时性高、集成性好等优点成为当前传统偏振成像的研究热点,但其仍存在偏振阵列消光比低和图像融合算法适用性差等缺点。基于传统的偏振成像系统,偏振二维成像技术和偏振三维成像技术被国内外科学家深入研究并取得了巨大进展。文中详细介绍了基于偏振差分和图像融合的偏振二维成像技术。偏振二维成像技术在水下和雾霾环境中取得了良好的成像效果,但是在散射因子高的环境中成像和对高、低偏振度目标的分离仍然是需要克服的难题。
对于偏振三维成像技术,文中对成像过程中解决方位角和天顶角多值性问题的方法进行详细介绍。虽然当前已经可以实现对自然环境中单一物体的高精度三维重建,但是恢复的是目标的相对高度而非绝对高度。此外,现有的偏振三维成像技术无法对不连续的、动态的目标实现三维形貌恢复,仍需针对这些问题展开进一步研究。随着微纳加工技术和集成技术的不断发展进步,体积更小、集成度更高的超表面结构被国内外科学家研究应用于偏振探测。文中最后对基于超表面结构的偏振器件实现全偏振探测进行介绍,并介绍了超表面偏振器件在成像领域中的应用。
针对偏振成像过程中存在的问题,在未来的工作中,需要从以下四个方向进行深入研究:
(1)优化偏振成像系统。从光源的选择、偏振光的传输、偏振光的调制、偏振光的获取及偏振光的处理五个部分进行优化,减少各个环节中带来的误差;
(2)改进偏振器件和探测器的集成工艺。无论是基于金属线栅的微偏振阵列还是基于超表面结构的偏振器件,高精度的集成工艺能够显著减少像元间的串扰,提高消光比。此外,如何将超表面偏振器件与传统的强度探测器相结合以增强偏振探测能力也是未来需要攻克的难题;
(3)增强算法的普适性和降低算法复杂度。偏振二维成像中需要采用更为鲁棒且效果更好的算法对偏振特征图像进行处理,提取视场中目标更多的信息。偏振三维成像中尽可能减少对其它方法的依赖,研究仅以偏振信息为主的算法实现目标的三维重建;
(4)实现高实时偏振探测。随着三维探测在各领域的应用范围不断增加,偏振三维成像技术仅能实现静态且单一连续目标的三维重建已经不能满足实际的应用需求。可以通过改进以下几个方面实现实时探测:提高图像获取速率;减少三维重建所需偏振子图像的数量;避免利用其它设备获取先验信息。以上均是偏振成像过程中亟待解决的的难题,合理有效的综合各种先进工艺和方法实现高实时偏振探测是未来偏振成像技术的重要发展方向。
审核编辑:刘清
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据麦姆斯咨询介绍,偏振图像传感器(Polarization Image Sensor),或称为偏光图像传感器,能够将人眼无法察觉的光的偏振特性可视化。这项成像技术不仅为制造业和智能交通提供了一个很有
发表于 06-06 15:37
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偏振作为光的一种基本属性,在成像,通信,传感等光学几乎所有领域中都扮演着重要的角色。譬如就成像而言,光的偏振,作为光的第三维度,可以提供强度和颜色之外的信息。偏振相机可以具有穿云透雾以及洞察结构内部
发表于 06-09 17:51
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近年来,光学综合孔径成像技术发展迅速,它是用多个小孔径系统通过光学手段合成大孔径系统来实现高分辨率的成像技术。光学综合孔径成像技术使得整套成像系统趋于小型化、轻量化,因此,它也是地基和天基大型望远镜系统发展的重要方向。
发表于 07-12 10:06
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众所周知,FLIR气体检测热像仪可以帮助您快速、安全地“看到”数百种不可见气体,但并非所有类型的气体都可以通过光学气体成像 (OGI) 进行可视化。详细了解使用OGI热像仪可以看到哪些类型的气体
发表于 09-24 10:11
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无人机载高光谱成像设备因其机动灵活、操作简单等优点,被应用于诸多研究领域,具有广泛的发展前景。本文对当前无人机载高光谱成像设备的相关研究进展进行了系统的总结和评述。首先,基于高光谱成像仪的发展过程
发表于 05-05 10:19
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本文围绕端到端光学算法联合设计、高动态范围成像、光场成像、光谱成像、无透镜成像、偏振成像、低照度成像、主动三维成像、计算摄影等具体实例全面阐述当前计算成像发展现状、前沿动态,热点问题、发展趋势和应用指导。任务框架如图1所
发表于 08-11 17:13
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接下来,我们按图索骥,看看法向量怎么获取。有两个直接约束法向量的参量,分别是天顶角和方位角,恰好,这两个参量与偏振度和偏振角有直接的映射关系。
发表于 09-21 17:39
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视觉是人类获取客观世界信息的主要途径(据估计人类感知外界信息有80%来自视觉),但在时间、空间、灵敏度、光谱、分辨力等方面都有局限性。光学成像技术利用各种光学成像系统获得客观景物图像,通过光信息的可视化可延伸并扩展人眼的视觉人性。
发表于 10-10 17:50
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近日,中国科学技术大学微纳光学与技术课题组王沛教授和鲁拥华副教授在大量程纳米位移光学感测研究方面取得重要进展。课题组利用光学超表面(metasurface)设计了一种简捷的光场偏振态空间编码,结合精巧的光学系统设计,发展了一种大量程(
发表于 10-19 09:39
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在生物医学成像实验中,常通过偏振控制来抑制目标区域外的信号,例如组织附近的散射信号。散射光中通常会引起一定程度的去偏振,因此偏振器可认为是滤波器,用来减少不必要的散射,达到提高图像的信噪比的目的。
发表于 11-07 09:17
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光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果,还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统,公差精度要求宽松,可以更好地抵抗误差引起的像质退化,在
发表于 11-14 10:07
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计算光学成像,顾名思义,是把“计算”融入到光学图像形成过程中任何一个或者多个环节的一类新型的成像技术或系统。光学图像的形成与场景/物体的照明模式、系统的光学传递函数、像感器的采样三个因素息息相关
发表于 11-17 11:23
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透镜、热辐射、医学成像、偏振转换和完美吸收等方向的最先进技术。其中,对超构材料完美吸收器应用(从微波到可见光)的广泛研究已经突破了当前系统的极限。
发表于 11-22 09:46
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干涉成像光谱仪的主要分光技术有迈克尔逊干涉法、三角共光路干涉法、双折射干涉法等。近年来又发展出了利用液晶可调谐滤光片获得偏振光,进而发生干涉的技术。除了以上的双光束干涉技术,还有基于多光束干涉的分光技术。
发表于 11-24 11:50
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阿贝成像原理是1873年,德国科学家阿贝在研究如何提高显微镜分辨本领时提出的;原理指出,成像分为两个步骤,第一步是相干光照明下,物光在透镜后焦面上形成特殊的衍射光分布;第二步是衍射光继续向前传播,复合成像。
发表于 12-23 09:53
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随着传感器、云计算、人工智能等新一代信息技术的不断演进,新型解决方案逐步浮出水面——计算光学成像。计算光学成像以具体应用任务为准则,通过多维度获取或编码光场信息(如角度、偏振、相位等),为传感器设计远超人眼的感知新范式;
发表于 01-15 15:13
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偏振是光的基本性质,在信号传输、传感探测等方面起着重要的作用,被广泛应用于光子学和信息技术的多个领域。比如光的偏振可应用于大容量的复用技术,将信息通过多个独立通道传递到预定目标。
发表于 01-31 14:06
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Ansys SPEOS是Ansys公司开发功能强大的专业用于光学设计、环境与视觉模拟系统、成像应用的光学仿真软件, 强大的解决方案提供完美的可视化光学系统,和直观的人机交互平台,其仿真技术已经广泛用于航空, 航天, 军工,汽车,轨道交通、通用照明等工业领域的研究机构和知名公
发表于 02-08 15:12
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南京大学彭茹雯教授、王牧教授研究组联合美国东北大学刘咏民教授研究组,创新性地引入光学响应噪声调控,成功突破光学超构表面偏振复用极限,为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储提供了新范式。
发表于 02-22 10:50
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光学成像的本质是信息的传递,成像系统则提供了信息传递的信道。传统光学成像系统可以根据光路中各个部分已知的传输函数来计算系统响应,换言之,信道的结构和特性明确可知。当使用散射介质替换传统透镜时,仍然可以从光场中提取图像
发表于 02-24 11:37
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计算成像是利用计算机及软件方法,结合现代传感器、现代光学等技术创造出新型成像设备及应用的综合技术。
发表于 03-14 09:41
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降低成像过程中的干扰因素。利用线偏振和圆偏振技术来减少光在散射环境的传播过程中产生的前向散射光和后向散射光的影响,从而提升目标物体的图像质量。
发表于 04-12 08:25
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例如光源照在光滑的包装袋上,光滑的包装袋表面在一定角度下反射形成的眩光在成像中是有害的,使我们看不到清晰图像。能够滤除反光的滤镜叫做偏振镜。传统消除反光的做法是在光源上加偏振片,然后把偏振镜装到镜头的前端,仔细旋转偏振镜,使得有害眩光减至最小甚至消失,这样就能拍摄出没有眩光的照片了。
发表于 04-13 09:13
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偏振效应被用于各个领域的无数光学系统中。OpticStudio允许用户指定进入系统的光的输入偏振以及序列模式中的表面与偏振特性交互的设置,提供了对任何应用进行建模的方法。
发表于 04-14 15:05
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氏硬度再300-700之间,其中材料的硬度越大研磨和抛光光学透镜所需要的时间就越长,在红外热成像领域常用的玻璃材料中,Ge的硬度为780,Si的硬度达到了1150
发表于 11-04 16:36
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