CN103472592A

CN103472592A - 一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪

Info

Publication number: CN103472592A
Application number: CN2013104301696A
Authority: CN
Inventors: 苏丽娟; 袁艳; 刘辉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103472592B

Abstract

本发明是一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪。偏振成像仪包括前置光学成像***、微透镜阵列和阵列式偏振成像探测器，微透镜阵列置于前置光学成像***的成像面，阵列式偏振成像探测器置于微透镜阵列的焦平面上。阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元。目标发射或反射的不同方向光经过前置光学成像***成像于某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光分散到阵列式偏振成像探测器的各个像元上形成子图像，最终获得目标各个偏振角度图像。本发明具有一次曝光就可获取目标多个偏振角度图像的优势，可应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中。

Description

一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪

技术领域

本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种利用基于微透镜阵列的光场成像技术和阵列式偏振成像探测器，实现画幅式拍照的偏振成像方法和偏振成像仪。

背景技术

偏振成像技术是获取目标图像的偏振信息的基础，是利用偏振特性对目标进行分析识别的前提。目前，国内外的偏振探测和分析技术主要基于斯托克斯(Stokes)矢量分析法，基于该方法的偏振信息探测需要获取目标至少三个偏振角度图像，根据各探测***获取目标偏振图像方式的不同，偏振成像技术主要分为凝视型和快照型。凝视型偏振成像技术通过切换偏振元件实现目标多个偏振角度图像获取，需对准目标凝视一定时间以多次曝光获得不同偏振图像信息，要求被测目标和仪器本身保持相对静止，对像元配准要求也较高，不适用于运动或变化目标的探测。

快照型偏振成像技术是指在一次曝光同时获取目标多个偏振角度图像信息，在探测运动或变化目标方面具有优势。这类技术主要分为：振幅分割法、像面分割法和孔径分割法。振幅分割方案是利用分光元件将入射光分割后通过不同的偏振片并被对应的探测器接收，这类技术由于采用多个偏振成像***，成本高，体积大，难以轻小型化。随着微加工技术的发展，出现了像面分割法，该方法在焦平面探测器前耦合偏振片阵列并对目标直接成像，该技术存在瞬时视场偏移，偏振信息的准确性受影响。孔径分割法是利用后继光学***形成多个目标投影像，并使各个像通过不同的偏振片后被探测器接收，实现多个偏振态信息的探测，该***中继光学***复杂，增加了设计难度。

近年来，国际上兴起了一种新型的计算成像技术——光场成像技术，该技术通过在传统光学成像***添加解调单元，将目标二维空间分布信息和几何光线传播的二维方向信息同时记录下来，可提取不同方向角下的目标信息即目标物体的二维光强度分布，在信息获取上具有很大的优势。

文献[1]（R.Horstmeyer and et al.,“Flexible multimodal camera using a light fieldarchitecture,”International Conference on Computational Photography(2009)）利用小孔阵列作为光场成像技术的调制元件，将多模式滤光片阵列置于前置光学***光瞳处，一次拍摄获取目标不同偏振角度的图像信息。但该技术具有如下缺点：小孔阵列的光通量低，加大了曝光时间，无法应用于快速变化或移动的目标；小孔阵列的物理衍射光斑大，探测器像元利用率低。

文献[2]（J.Tyo,“Hybrid division of aperture/division of a focal-plane polarimeter forreal-time polarization imagery without an instantaneous field-of-view error,”Optics Letter,31(20),2006）利用两个微透镜阵列将前置光学***成像面上的图像二次成像于阵列式偏振成像探测器上，实时获取目标不同偏振角度的图像信息。但该技术具有如下缺点：相邻像元之间存在图像串扰；采用两个微透镜阵列，***复杂度增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：提供一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪，实现一次拍照获取目标的多个偏振角度图像信息，应用于快速变化或移动目标的监测与追踪。

本发明提供的一种快照式高通量的偏振成像仪，包括基于微透镜阵列的光场成像机构和阵列式偏振成像探测器，光场成像机构包括成像***的前置光学成像***和微透镜阵列。前置光学成像***由一个以上的透镜组成；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像***的成像面；阵列式偏振成像探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置***。阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元。

本发明提供的一种快照式高通量的光谱成像方法，包括步骤1～步骤3。

步骤1，在前置光学成像***的成像面放置微透镜阵列；微透镜阵列中的微透镜的F数与前置光学成像***的等效F数相等。

步骤2，在微透镜阵列的焦平面上放置阵列式偏振成像探测器；阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元。

步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过前置光学成像***调制后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光分散到阵列式偏振成像探测器的各个像元上形成子图像，最终获得数据立方体大小为(N_p,N_x,N_y)的偏振角度图像，其中，N_p为一个微透镜覆盖的探测器像元所对应的偏振角度的数目，(N_x,N_y)为获得的二维目标分辨率，

(N_{x}, N_{y}) = (\frac{W_{x}}{d}, \frac{W_{y}}{d});

W_x和W_y为阵列式偏振成像探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸。

设置步骤1的微透镜阵列中的每个微透镜至少覆盖(M+2)×(M+2)个像元，其中，2M为探测目标的不同偏振角度数目。

本发明的优点与积极效果在于：

（1）本发明的偏振成像仪和偏振成像方法采用基于微透镜阵列的光场成像机构与阵列式偏振成像探测器，具有一次曝光就可以获取目标多个偏振角度图像的优势，可应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中。

（2）本发明的偏振成像仪和偏振成像方法采用微透镜阵列作为光场调制元件，微透镜相较于小孔具有高通量、低衍射极限的优势，有利于提高探测器像元利用率，进而提高***空间分辨率。

（3）本发明的偏振成像仪和偏振成像方法采用微透镜覆盖多个偏振探测器像元，避免由于衍射及机械装夹配准误差造成的相邻微透镜所成像混叠的问题。

附图说明

图1为本发明的阵列式偏振成像探测器的示意图；

图2为本发明的偏振成像仪的一维原理示意图；

图3为微透镜与探测器位置关系示意图；

图4为本发明的偏振成像方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明通过前置光学***将目标成像于微透镜阵列所在的平面，每个微透镜对应一个像元；每个微透镜将主镜孔径成像到探测器上形成宏像素，宏像素每个像元对应镜头的一个采样子孔径，每个像元探测结果都相当于目标经过采样子孔径所成图像；耦合了不同偏振角度偏振片的像元探测结果相当于目标通过不同偏振滤光片所成图像；多个微透镜对应同一子孔径的像元耦合的偏振片角度相同，从而提取相应的像元可以获取目标某一偏振角度的图像。本发明具有一次曝光就能完成数据获取的优势，且微透镜的能量利用率远高于小孔，因此具有高通量、快照式的优点。

本发明提供的快照式高通量的偏振成像仪，主要包括一个基于微透镜阵列的光场成像机构和阵列式偏振成像探测器。基于微透镜阵列的光场成像机构包括前置光学***(主镜)和微透镜阵列，微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像***的成像面。阵列式偏振成像探测器由CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元，如图1所示，阵列式偏振成像探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置***。图1所示，在每个CCD探测器像元前面设置有一个线偏振片，线偏振片的偏振角度可由用户根据需要设置，本发明优选的设置方式为：设置阵列中每上左、上右、下左和下右相邻的四个线偏振片的偏振角度分别为0度、45度、135度和90度。

本发明实施例中前置光学成像***为透射式成像***，也可以采用反射式成像***来实现。如图2所示，为本发明的偏振成像仪的一维原理示意图，前置光学成像***被简化为一个位于光场成像机构的前置镜头的光瞳处的理想透镜，即图2所示的主镜。目标经前置光学成像***成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的来自目标的不同方向的光，分散到微透镜之后的探测器的像元上形成子图像，每个探测器的像元所获取的目标图像对应于目标在不同方向上的光能辐射。由于探测器耦合的线偏振片的调制作用，目标在不同方向上的光能辐射被调制为特定线偏振角度的光，因此每个探测器的像元获取的是目标特定线偏振角度的光能辐射。通过在探测器像元前耦合不同偏振方向的线偏振片（即微偏振滤光片），可以获取目标在不同偏振方向的偏振信息。当目标扩展为二维目标时，其经过前置光学成像***成像于微透镜阵列所在的成像面上，每个微透镜对应目标所成像的一个空间单元，因此可以获取目标的空间二维信息。同时由于微透镜的调制作用，其后的阵列式偏振成像探测器像元获取的是该目标的空间单元不同线偏振角度下光的辐射信息，通过提取每个微透镜形成的子图像中某一偏振角度对应的像元，可以获取目标在该偏振角度的偏振图像。将多幅不同偏振角度的图像组合，就可以获取目标完整的偏振角度图像信息。

本发明中微透镜阵列的各微透镜的F数与前置光学成像***的有效F数相等，且探测器被置于微透镜阵列的焦平面处。如图2所示，L为前置光学***等效光瞳到目标所成像的距离，f为微透镜的焦距。微透镜在探测器上的覆盖成像范围d为圆形微透镜直径或方形微透镜的宽度。对采集四个偏振角度的设计方案，为有效利用探测器的像元且使得经相邻微透镜后产生的子图像间不产生混叠，采用如图1所示的设计方案，实际只提取微透镜中心部分覆盖的四个像元，如图3所示。

本发明的成像光谱仪的一个实施方案如图1所示，其中本发明采用的阵列式偏振成像探测器，被置于微透镜阵列的焦平面处，阵列式偏振成像探测器为由多个不同方向的线偏振片按一定规律排列后与CCD探测器像元耦合组成，其排列方式如图1所示。在实际使用中，阵列式偏振成像探测器的型号、尺寸、偏振角度和排列方案等参数均可根据需要设定。微透镜阵列排布方案、微透镜形状、尺寸和焦距等也根据实际需要设置。

本发明实施例中，微透镜阵列被置于目标经过前置光学成像***成像的像面上，微透镜阵列中的一个微透镜对应于目标经前置光学成像***所成像的一个像素点，因此成像光谱仪的空间分辨率由微透镜阵列中的微透镜数目决定，而微透镜数目由探测器大小和微透镜大小决定：

(N_{x}, N_{y}) = (\frac{W_{x}}{d}, \frac{W_{y}}{d})

其中，W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸，若微透镜为圆形，则d为微透镜的直径，若微透镜为方形，则d为方形微透镜的宽度。最终通过偏振成像仪获得的二维目标分辨率为(N_x,N_y)。

如图4所示，本发明提供的快照式高通量的光谱成像方法是：

步骤1，在前置光学成像***的成像面放置微透镜阵列，形成光场成像机构。微透镜阵列中的微透镜的F数与前置光学成像***的等效F数相等。

步骤2，在微透镜阵列的焦平面上放置阵列式偏振成像探测器。阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元。

步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过主镜后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光，分散到阵列式偏振成像探测器的像元上形成具有不同偏振角度的子图像，最终获得的多幅大小为(N_x,N_y)且偏振角度不同的目标图像。其中，

(N_{x}, N_{y}) = (\frac{W_{x}}{d}, \frac{W_{y}}{d});

W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸。

用三维立方体数据来表示得到的偏振角度图像，表示为(N_p,N_x,N_y)，N_p为一个微透镜覆盖的探测器像元所对应的偏振角度的数目，例如利用本发明图1所示的实施例，N_p为4，可获得4个偏振角度的目标图像，每个目标图像的分辨率为(N_x,N_y)。

本发明采用每个微透镜至少覆盖M×M个像元，2M为***探测的目标不同偏振角数目，以图1中4个偏振角度为例，微透镜至少覆盖2×2个像元，如图3所示。为避免由于机械安装等误差引起的相邻微透镜成像的混叠，本发明设置每个微透镜至少覆盖(M+2)×(M+2)个像元，以4个偏振角度为例，微透镜至少覆盖4×4个像元。

Claims

1.一种快照式高通量的偏振成像仪，其特征在于，包括基于微透镜阵列的光场成像机构和阵列式偏振成像探测器，光场成像机构包括成像***的前置光学成像***和微透镜阵列；前置光学成像***由一个以上的透镜组成；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像***的成像面；阵列式偏振成像探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置***；所述的阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元。

2.根据权利要求1所述的快照式高通量的偏振成像仪，其特征在于，所述的线偏振片阵列中，设置每上左、上右、下左和下右相邻的四个线偏振片的偏振角度分别为0度、45度、135度和90度。

3.一种快照式高通量的偏振成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在前置光学成像***的成像面放置微透镜阵列；微透镜阵列中的微透镜的F数与前置光学成像***的等效F数相等；

步骤2，在微透镜阵列的焦平面上放置阵列式偏振成像探测器；阵列式偏振成像探测器由CCD探测器阵列和线偏振片阵列耦合而成，每个线偏振片对应一个CCD探测器像元；

(N_{x}, N_{y}) = (\frac{W_{x}}{d}, \frac{W_{y}}{d});

4.根据权利要求3所述的快照式高通量的偏振成像方法，其特征在于，所述的步骤2放置的阵列式偏振成像探测器的线偏振片阵列中，设置每上左、上右、下左和下右相邻的四个线偏振片的偏振角度分别为0度、45度、135度和90度。

5.根据权利要求3所述的快照式高通量的偏振成像方法，其特征在于，所述的步骤1的微透镜阵列，设置其中的每个微透镜至少覆盖(M+2)×(M+2)个像元，其中，2M为探测目标的不同偏振角度数目。