CN108267896A - 偏振成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种偏振成像装置和适用于该偏振成像装置的成像方法。该偏振成像装置包括一个液晶透镜和一个图像传感器。该液晶透镜设置有正交排列的两组电极，同时具备透镜成像、偏振光选择和偏振方向旋转的功能。外部光线经过所述液晶透镜入射到图像传感器上，通过分时控制加载在液晶透镜上的电压，即可得到多幅偏振角度不同的偏振图像，从而实现偏振成像。本发明无需额外设置偏振片和用于旋转偏振片的装置，因此，相较于现有技术，本发明提供的结构更加紧凑、操作更加方便、全程电压控制、有利于集成和小型化。
Description
技术领域
本发明涉及偏振成像技术领域，尤其是指一种偏振成像装置和方法。
背景技术
偏振成像技术在对地遥感、天文观测、目标识别、医学诊断以及三维重建等领域有着广泛的应用。其中偏振成像技术的原理为：当自然光(非偏振光)与物质发生相互作用时，例如反射、折射、散射、吸收，其出射光大多数情况下会变成部分偏振光或者线偏振光。根据基尔霍夫定律和菲涅尔公式可知，出射光的偏振度和物质界面的固有属性(如成分、结构、粗糙度、含水量等)、反射角(或折射角)有着直接的关系。因此，通过解析目标的偏振成像信息，可以更加容易的识别目标，并通过计算反射角(或折射角)重建出目标物体的三维形貌。
目前的分时法偏振相机主要由一个普通相机和一个置于相机镜头前端的可以旋转的线偏振片组成。偏振相机用于记录目标物体反射的自然光，当旋转偏振片，使偏振片具有不同偏振方向时，分别记录目标物体的偏振图像。利用一系列不同偏振角度的偏振图像，可以计算目标物体的线偏振度DOLP，利用线偏振度DOLP与物质折射率n和反射角θ之间的对应关系式，可以区分不同成分的物体以及重建出物体的三维形貌。
上述现有技术的偏振成像装置需要通过所增加机械或者电控方式的驱动结构调整偏振片的起偏角度，以获得多幅不同偏振角对应的图像，该种结构由于偏振片与附加的驱动结构的设置使得整个偏振成像装置不够紧凑。
发明内容
本发明技术方案的目的是提供一种偏振成像装置和方法，无需设置偏振片和用于偏振片的偏振方向调节的驱动结构，从而解决现有技术的偏振成像装置结构不够紧凑的问题。
本发明具体实施例提供一种偏振成像装置，包括一个液晶透镜和一个图像传感器，液晶透镜设置在图像传感器之前，外部光线经过液晶透镜入射到图像传感器上，图像传感器记录拍摄到的图像；所述液晶透镜包括液晶层、取向层、第一电极组、第二电极组和电压驱动电路；所述第一电极组包括第一电极层和第二电极层；所述第二电极组包括第三电极层和第四电极层；所述第一电极层、取向层、液晶层、第二电极层沿着***光轴方向依次设置；所述第三电极层和所述第四电极层平行于光轴，并分置于液晶层两侧；所述电压驱动电路同时向第一电极组输出第一驱动电压、向第二电极组输出第二驱动电压，并分别控制第一驱动电压和第二驱动电压的大小；所述第一驱动电压使所述液晶层中的液晶分子沿***光轴方向偏转；所述第二驱动电压使所述液晶层中的液晶分子在垂直于***光轴的平面内偏转。
优选地，所述第一电极层和/或所述第二电极层设有圆孔。
优选地，所述第三电极层与所述第四电极层均为面电极。
具体地，所述电压驱动电路包括第一子电路和第二子电路，所述第一子电路控制施加于所述第一电极层与所述第二电极层之间的所述第一驱动电压，所述第二子电路分时控制施加于所述第三电极层与所述第四电极层之间的所述第二驱动电压。
优选地，所述电压驱动电路分时向所述第二电极组输出电压值不等的三组第二驱动电压。
具体地，所述取向层的取向角度为α，且0°＜α＜90°。
本发明实施例还提供一种偏振成像方法，应用于上述偏振成像装置中，所述方法包括：
当所述液晶透镜未加载电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成初始图像，所述图像传感器记录所述初始图像；
当所述电压驱动电路同时加载第一驱动电压和第二驱动电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成正交偏振叠加图像，所述电压驱动电路持续输出满足预设条件且电压值保持不变的所述第一驱动电压，并分时输出电压值不等的多组所述第二驱动电压，所述图像传感器依次记录多幅正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述第二驱动电压的组数相适配；
根据所述初始图像和所述正交偏振叠加图像获取偏振图像，所述偏振图像的个数与所述正交偏振叠加图像的个数相适配。
进一步地，根据所述初始图像和所述多幅正交偏振叠加图像获取所述多幅偏振图像，之后包括：
根据所述偏振图像获取所述目标物体在像平面中的线偏振度；
根据所述目标物体在所述像平面中的线偏振度获取所述目标物体在物平面中的线偏振度。
进一步地，根据所述目标物体在所述像平面中的线偏振度获取所述目标物体在物平面中的线偏振度，之后包括：
根据所述目标物体在物平面中的线偏振度，识别目标物体或者重建目标物体的三维分布。
本发明实施例所述偏振成像装置和方法，采用所述设置有正交排列的两组电极的液晶透镜，所述液晶透镜同时具备透镜成像、偏振光选择和偏振方向旋转的功能；通过分时控制施加于所述第二电极组上的所述第二驱动电压，以获得不同偏振方向的多幅偏振图像，从而实现偏振成像。
附图说明
图1表示本发明实施例所述偏振成像装置的成像原理结构示意图；
图2表示本发明实施例所述偏振成像装置中液晶透镜的实施结构其中一侧面截面示意图；
图3表示本发明实施例中，液晶透镜的另一侧面截面示意图；
图4表示本发明实施例中，液晶透镜的俯视截面示意图；
图5a和图5b表示采用本发明实施例所述偏振成像装置，当电压驱动电路输入第一驱动电压时，液晶分子的转动状态；
图6表示采用本发明实施例所述偏振成像装置，当电压驱动电路输入第二驱动电压时，液晶分子的转动状态；
图7表示本发明实施例所述偏振成像装置的组成结构示意图；
图8表示本发明实施例所述偏振成像方法的流程示意图；
图9表示液晶透镜的工作原理示意图；
图10表示本发明实施例液晶透镜的成像过程示意图；
图11表示平行平晶的成像过程示意图；
图12表示物平面与成像平面之间的几何关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种偏振成像装置，如图1所示，包括相对设置的图像传感器10和液晶透镜20。其中液晶透镜20包括液晶层、取向层、第一电极组、第二电极组和电压驱动电路；所述第一电极组包括第一电极层和第二电极层；所述第二电极组包括第三电极层和第四电极层；所述第一电极层、取向层、液晶层、第二电极层沿着***光轴方向依次设置；所述第三电极层和所述第四电极层平行于***光轴，并分置于液晶层两侧。
基于上述结构的偏振成像装置，当电压驱动电路同时向第一电极组加载第一驱动电压、向第二电极组加载第二驱动电压时，在第一驱动电压的作用下，液晶层内的液晶分子沿***的光轴(即空间坐标系中的Z轴)方向偏转，形成透镜单元，在第二驱动电压的作用下，液晶层的液晶分子在垂直于***光轴的平面(即空间坐标系中的X-Y平面)内偏转，从而改变液晶分子的取向方向，所述液晶分子的取向方向为所述液晶分子的长轴在X-Y平面内的投影的方向。因此，当外部光线通过液晶透镜时，由于第一驱动电压的影响，偏振方向平行于液晶分子的取向方向的光线被改变传播方向，偏振方向垂直于液晶分子的取向方向的光线经过不改变传播方向，所有两组正交偏振方向的光线均在图像传感器上成像，图像传感器记录一幅正交偏振叠加图像；另外，由于第二驱动电压的影响，液晶分子的取向方向发生改变，分时调节第二驱动电压值的大小，可以得到多幅偏振分子取向方向不同的正交偏振叠加图像，即多幅不同偏振角度的正交偏振叠加图像。
基于上述原理，电压驱动电路具有一个稳定的第一驱动电压和多组不同的第二驱动电压。同时向液晶透镜加载第一驱动电压和第二驱动电压，并分时改变第二驱动电压的大小，可以得到多幅偏振分子取向方向不同的正交偏振叠加图像。这些图像可以用于计算目标物体1的线偏振度分布，并进一步用于识别目标物体或者重建目标物体的三维形貌等。
相较于现有技术，本发明实施例所述偏振成像方法，采用设置有正交排列的两组电极的液晶透镜进行偏振成像，该液晶透镜同时具备透镜成像、偏振光选择和偏振方向旋转的功能；通过分时控制施加于所述第二电极组上的所述第二驱动电压，以获得不同偏振方向的多幅偏振图像。该偏振成像方法，无需设置偏振片及用于偏振片的偏振方向调节的驱动结构，能够使整个偏振成像装置的结构更加紧凑。
上述结构的偏振成像装置，由于实现偏振成像主要功能(如透镜成像、偏振光选择和偏振方向旋转功能)的器件为液晶透镜，图像传感器仅承担光线采集的功能，因此，液晶透镜可以移植到任何设置有图像传感器的载体中，例如智能手机、监控装置、可穿戴设备等，用以实现偏振成像。
图2所示为本发明实施例所述偏振成像装置中液晶透镜20的实施结构其中一侧面截面示意图，图3为另一侧面截面示意，图4为该液晶透镜20的俯视结构示意图。
结合图2至图4，本发明实施例中，液晶透镜20的包括相互平行设置的第一电极层202和第二电极层206，其中液晶层204夹设于第一电极层202和第二电极层206之间。液晶透镜20还包括相互平行设置的第三电极层209和第四电极层212，液晶层204夹设于第三电极层209和第四电极层212之间，第一电极层202同时垂直于所述第三电极层209与第四电极层212，第二电极层206同时垂直于第三电极层209与第四电极层212。
进一步，液晶透镜20还包括相对的第一取向层203和第二取向层205，分别平行于第一电极层202和第二电极层206设置，且第一取向层203位于第一电极层202与液晶层204之间，第二取向层205位于第二电极层206与液晶层204之间。
此外，液晶透镜20还包括位于第三电极层209与液晶层204之间的第一绝缘材料层210，以及位于第四电极层212与液晶层204之间的第二绝缘层211，用于实现与液晶层204之间的绝缘。
进一步，结合图4，在第三电极层209和第四电极层212的***，围绕整个液晶透镜设置有封装材料208，用于实现液晶层204在四个侧面的密封。结合图2，本发明实施例中，在垂直于第一电极层202和第二电极层206的方向，封装材料208、第三电极层209、第一绝缘材料层210、第二绝缘材料层211和第四电极层212的高度等于第一电极层202、第一取向层203、液晶层204、第二取向层205和第二电极层206依次叠加的高度之和。
此外，液晶透镜20还包括分别相对覆盖上述各部分的第一玻璃基板201和第二玻璃基板207，利用第一玻璃基板201和第二玻璃基板207实现液晶透镜20在上下两个表面的封装和密封。
本发明实施例中，第一电极层202和第二电极层206上分别设置有圆孔。当在第一电极层202与第二电极层206之间形成电场时，液晶层204内液晶分子的排列方向改变，在空间坐标系X-Y平面形成透镜单元。
第三电极层209和第四电极层212均为面电极，当第三电极层209与第四电极层212之间所加入第二驱动电压时，液晶层204内液晶分子在空间坐标系X-Y平面内旋转，用于调整液晶分子的取向方向。
本发明实施例中，液晶透镜20的电压驱动电路包括第一子电路和第二子电路，其中第一子电路控制施加于第一电极层202与第二电极层206之间的第一驱动电压，第二子电路控制施加于第三电极层209与第四电极层212之间的第二驱动电压。利用第一子电路和第二子电路，用于实现第一电极层202与第二电极层206之间第一驱动电压、第三电极层209与第四电极层212之间第二驱动电压的分别控制。
以下对采用上述液晶透镜20结构的基础上，液晶层内液晶分子在驱动电压输入时的动作过程进行说明。
结合图4，以液晶层204的整个延伸平面为X-Y平面，垂直于液晶层的延伸平面的方向为Z方向，结合图2和图3，第一电极层202、第二电极层206、取向层203和取向层205平行于X-Y平面，第三电极层209和第四电极层212垂直于X-Y平面。
当第一电极层202与第二电极层206之间未输入驱动电压时，液晶分子的长轴取向平行于X-Y平面，如图5a所示；当第一电极层202与第二电极层206之间输入驱动电压时，在第一电极层202与第二电极层206所形成圆孔电极的作用下，液晶分子向Z轴旋转，并呈现中心对称的分布，如图5b所示。
另一方面，当第三电极层209与第四电极层212之间未输入驱动电压时，在XY平面，液晶分子按照取向层的取向方向排布，液晶分子的长轴方向与X轴之间的夹角为α，该夹角α为液晶分子的预倾斜方向角，且0°＜α＜90°，以保证所有的液晶分子当输入驱动电压时都能按照统一的方向旋转，优选的是α＝80°；当第三电极层209与第四电极层212之间输入驱动电压时，所有的液晶分子在驱动电压所形成电场的作用下，沿着统一的顺时针或者逆时针方向旋转，所输入驱动电压的电压大小决定了液晶分子的逆转角度，该转动过程如图6所示。
具体地，在第三电极层209与第四电极层212之间所输入驱动电压的作用下，液晶分子的旋转角度和电压之间的关系如下公式1所示：
其中U为第三电极层209与第四电极层212之间所输入驱动电压，Uth为液晶分子旋转的阈值电压。
根据以上原理，当第一电极层202与第二电极层206之间、第三电极层209与第四电极层212之间均输入驱动电压时，液晶层204内的液晶分子在第一电极层202与第二电极层206之间所产生不均匀电场的作用下，向Z轴方向旋转，并呈现中心对称分布，形成一个透镜单元；在第三电极层209与第四电极层212之间电场的作用下，液晶分子在XY平面统一向一个方向转动，其中所转动的旋转角度与所输入驱动电压的对应关系如公式(1)所示，当所输入驱动电压不同时，液晶分子在XY平面的转动角度不同。
基于液晶分子的上述转动方式，对于入射至液晶层的寻常光(偏振方向垂直于液晶分子在XY平面取向方向的光)的折射率不变，非常光(偏振方向平行于液晶分子在XY平面取向方向的光)的折射率发生梯度变化。因此对于偏振方向垂直于液晶分子在XY平面取向方向的光，液晶层不会改变其传播方向，入射光束直接透过，此时，液晶层相当于平行平晶；对于偏振方向平行于液晶分子在XY平面取向方向的光，液晶层会改变其传播方向，此时，液晶层相当于透镜。
进一步，当改变第三电极层209与第四电极层212之间的驱动电压时，液晶层的液晶分子在XY平面的取向方向改变，从而调整能透过液晶透镜单元的光束的偏振方向。
包括上述结构的偏振成像装置，较佳地，图像传感器10、液晶透镜20和电压驱动电路分别设置于一壳体的内部，参阅图7所示，具体地该偏振成像装置还包括壳体30，用于容纳设置图像传感器10、液晶透镜20和电压驱动电路，且壳体30上设置有取景窗31，液晶透镜20设置于取景窗31与图像传感器10之间。此外，取景窗31、液晶透镜20与图像传感器10的图像成像平面相互平行排列，且取景窗31和液晶透镜20在图像传感器的图像成像平面所在平面的投影位于图像成像平面上，对应重合。
采用上述设置方式，当对目标物体取像时，目标物体所反射的光依次透过取景窗31和液晶透镜20后传输至图像传感器10，在图像传感器10上成像。对于同一目标物体，调整第三电极层209与第四电极层212之间的驱动电压，使经目标物体所反射的不同偏振方向的光束通过所述液晶透镜20在所述图像传感器10上成像。
另外，结合图7，壳体30的内部还设置有驱动电路板40，其中液晶透镜20的电压驱动电路的第一子电路和第二子电路分别连接至驱动电路板40，通过驱动电路板40分别向第一子电路和第二子电路输出控制信号，以使第一子电路和第二子电路分别向所连接的电极层输入电压。进一步，壳体30的内部还设置有电源数据接口50，与驱动电路板40连接，以连接外部电源。
本发明实施例上述结构的偏振成像装置，不需要设置偏振片和用于驱动偏振片旋转的驱动结构，也能够实现目标物体1对应不同偏振方向的成像，以解决现有技术的偏振成像装置结构不够紧凑的问题。此外，通过分时控制施加于所述第二电极组上的所述第二驱动电压，从而获得不同偏振方向的多幅偏振图像，全程电压控制，避免了机械移动引入的误差。
本发明实施例还提供一种用于上述结构的偏振成像装置的偏振成像方法，参阅图8所示，所述偏振成像方法包括步骤：
S10，当所述液晶透镜未加载电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成初始图像，所述图像传感器记录所述初始图像；
S20，当所述液晶透镜同时加载第一驱动电压和第二驱动电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成正交偏振叠加图像，所述电压驱动电路持续输出满足预设条件且电压值保持不变的所述第一驱动电压，并分时输出电压值不等的多组所述第二驱动电压，所述图像传感器依次记录多幅正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述第二驱动电压的组数相适配；
S30，根据所述初始图像和所述正交偏振叠加图像获取偏振图像，所述偏振图像的个数与所述正交偏振叠加图像的个数相适配；
S40，根据所述多幅偏振图像获取所述目标物体的线偏振度分布。
本发明实施例所述偏振成像方法，在利用上述结构的偏振成像装置进行成像时，不向所述液晶透镜加载电压，所述图像传感器记录所述初始图像；同时向所述液晶透镜加载第一驱动电压和第二驱动电压，维持所述第一驱动电压的电压值稳定不变，分时改变所述第二驱动电压的电压值，使用所述图像传感器依次记录多幅正交偏振叠加图像；根据所述初始图像和所述多幅正交偏振叠加图像获取多幅偏振图像，所述偏振图像的个数与所述正交偏振叠加图像的个数以及第二驱动电压的电压值个数相适配；根据所述多幅偏振图像获取所述目标物体的线偏振度分布。
以下对本发明实施例所述偏振成像方法的成像原理进行详细说明。
根据所述偏振图像获取所述目标物体在像平面中的线偏振度分布，包括：
根据所述偏振图像获取斯托克斯参数；
根据所述斯托克斯参数获取所述目标物体在像平面中的线偏振度分布。
具体地，当通过图像传感器分别获得液晶分子的取向方向角度分别为α1、α2和α3时的三幅偏阵图像，获得分别对应该三幅偏振图像的图像参数I1(α1)、I2(α2)和I3(α3)时，根据以下公式(2)能够计算斯托克斯stokes参数S0、S1和S2：
根据以上公式(2)，目标光场也即经目标物体所反射光线的偏振度DOLP可以根据公式(3)求出：
因此基于上述原理，当分别获得液晶分子的旋转角度为α1、α2和α3时所对应光束的偏振图像时，即能够计算经目标物体所反射光线的偏振度DOLP，也即目标物体在图像传感器的图像成像平面上每一像素点的线偏振度分布。
本发明实施例所述偏振成像方法，利用电压驱动电路未向液晶透镜施加驱动电压时所获得的初始图像，以及使电压驱动电路持续向第一电极层、第二电极层施加第一驱动电压，电压驱动电路分时向第三电极层、第四电极层施加多组不同第二驱动电压分别对应获得的多幅偏阵图像，计算多个偏振图像的图像参数。也即，利用初始图像和多个偏阵图像，计算液晶分子偏转角度分别为α1、α2和α3时的三幅偏振图像，分别对应该三幅偏振图像的图像参数I1(α1)、I2(α2)和I3(α3)。
其中，上述的每一偏阵图像对应一液晶分子的偏转角度，为目标物体所反射、偏振方向平行于该偏阵图像生成时所对应液晶层相匹配的取向方向的光束所成像。也即，偏阵图像与在第二驱动电压作用下液晶分子的旋转角度相关。
以下对本发明实施例中，电压驱动电路向第三电极层、第四电极层施加多组不同的第二驱动电压时，获取偏振方向与液晶分子在平行于所述液晶层的平面内旋转的旋转角度平行的偏振图像的原理和过程进行详细说明。
如图9所示，以一个液晶透镜单元的工作原理进行说明。当电压驱动电路未向液晶透镜施加驱动电压时，液晶层的液晶分子沿着取向层的方向排布，所有偏振方向的入射光透过液晶透镜后均不改变原来的传播方向，并在图像传感器处成像；当电压驱动电路对液晶透镜施加第一驱动电压时，第一电极层和第二电极层之间产生不均匀的电场分布，致使液晶层内液晶分子的排列方向角改变。对于整个液晶层，寻常光(偏振方向垂直于液晶分子取向层方向的光)的折射率不变，非常光(偏振方向平行于液晶分子取向层方向的光)的折射率发生梯度变化。因此，对于偏振方向垂直于液晶分子取向方向的入射光束，液晶层不会改变其传播方向，入射光束直接透过，此时，液晶层相当于平行平晶；对于偏振方向平行于液晶分子取向方向的入射光束，液晶层会改变其传播方向，此时，液晶层相当于透镜。
基于上述原理，结合图10和图11，详细介绍所述偏振图像的采集方法。如图10所示，当液晶透镜加电时，除偏振方向平行于液晶层所匹配取向方向的入射光会在图像传感器上成像，偏振方向垂直于液晶层所匹配取向方向的入射光也会在图像传感器上成像。此时图像传感器所记录下来的图像I(也即正交偏振叠加图像)会包含两个部分，一部分是偏振方向平行于液晶分子取向方向的图像IP(偏振图像)；另一部分是偏振方向垂直于液晶分子取向方向的图像I⊥，即I＝IP+I⊥。
如图11所示，当液晶透镜不加电时，图像传感器10所记录下来的初始图像I0包括所有偏振方向的光线，即包括偏振方向垂直于液晶分子取向方向的图像I⊥，也包括偏振方向平行于液晶分子取向方向的图像IP，由于此时液晶透镜相当于平行光晶，导致该成像装置收集到的光线的视场角非常小，该图像传感器10只能记录一束直径为相机光阑口径的准平行光束。对于大多数自然环境，如此小口径的准平行光束具有较均匀的光强分布，其偏振性也可以忽略。因此图像传感器10所记录下来的图像I0可以近似为：I0＝2I⊥。基于以上原理，当电压驱动电路不对液晶透镜施加驱动电压时，图像传感器记录获得初始图像，从初始图像可以获得初始图像的图像参数I0；
当电压驱动电路对第一电极层、第二电极层持续施加第一驱动电压，分时对第三电极层、第四电极层施加第二驱动电压时，图像传感器记录获得正交偏振叠加图像，从而获得正交偏振叠加图像的图像参数In；
由于正交偏振叠加图像包括：偏振方向平行于液晶分子取向方向的图像IP；偏振方向垂直于液晶分子取向方向的图像I⊥，而且初始图像的图像参数I0与图像I⊥的图像参数之间具有对应关系：I0＝2I⊥，因此根据初始图像的图像参数和正交偏振叠加图像的图像参数，可以计算偏振方向平行于液晶分子取向方向的图像IP的图像参数，也即获得正交偏振叠加图像所对应偏振图像的图像参数。
举例说明，以IX表示其中一正交偏振叠加图像中，偏振方向平行于液晶分子取向方向的图像IP的图像参数，则根据以下公式可以计算获得IX：
具体地，上述的图像参数可以为光强。
进一步地，利用上述原理，可以根据初始图像和每一正交偏振叠加图像，计算与每一正交偏振叠加图像相对应的偏振图像IP的图像参数，其中偏振图像为目标物体所反射、偏振方向平行于液晶分子的取向方向的光束所成像的图像。根据以上描述，液晶分子的取向方向与电压驱动电路向第三电极层、第四电极层施加第二驱动电压的大小相关。
根据以上的原理，参阅图9，依次获取电压驱动电路向所述第三电极层、第四电极层施加的驱动电压为多个不同电压值时，偏振方向与液晶分子在平行于所述液晶层的平面内旋转的旋转角度平行的偏振图像的步骤具体包括：
根据初始图像，获取初始图像中每一像素点的光强；
选择一正交偏振叠加图像图像，根据所选取的正交偏振叠加图像图像，获取所选取的正交偏振叠加图像图像中每一像素点的光强；
根据初始图像中每一像素点的光强和所选取的正交偏振叠加图像图像中每一像素点的光强，通过如下公式计算与所选取的正交偏振叠加图像图像相对应偏振图像中，每一像素点的光强；
其中，IX为在与所选取的正交偏振叠加图像相对应偏振图像中第一像素点的光强；I0为在所述初始图像中所述第一像素点的光强；In为在所选取的正交偏振叠加图像中所述第一像点的光强，其中所述第一像素点为所述图像成像平面上的其中一像素点。
利用上述计算原理，分别获得未向液晶透镜施加驱动电压时的初始图像，以及所述电压驱动电路向所述第一电极层、第二电极层施加的驱动电压为固定，向所述第三电极层、第四电极层施加的驱动电压为三个不同电压值时，分别获得对应的三个正交偏振叠加图像，根据公式(2)和(4)可以计算获得目标物体在图像成像平面上偏振图像的每一像素点的线偏振度，具体计算过程为：
当未向液晶透镜加电时，图像传感器记录获得初始图像，从初始图像可以获得初始图像的图像参数I0；
当向第一电极层、第二电极层施加的第一驱动电压，向第三电极层、第四电极层施加第一组第二驱动电压，液晶分子取向方向角度为α1时，图像传感器获得第一正交偏振叠加图像，从第一正交偏振叠加图像可以获得图像参数In1，根据公式(4)计算目标物体所反射、偏振方向平行于α1的光束所成像的偏振图像的图像参数Ix1，具体地为：
当向第一电极层、第二电极层施加的第一驱动电压，向第三电极层、第四电极层施加第二组第二驱动电压，液晶分子取向方向角度为α2时，图像传感器获得第二正交偏振叠加图像，从第二正交偏振叠加图像可以获得图像参数In2，根据公式(4)计算目标物体所反射、偏振方向平行于α2的光束所成像的偏振图像的图像参数Ix2，具体地为：
当向第一电极层、第二电极层施加的第一驱动电压，向第三电极层、第四电极层施加第三组第二驱动电压，液晶分子取向方向角度为α3时，图像传感器获得第三正交偏振叠加图像，从第三正交偏振叠加图像可以获得图像参数In3，根据公式(4)计算目标物体所反射、偏振方向平行于α3的光束所成像的偏振图像的图像参数Ix3，具体地为：
利用以上描述，液晶分子的取向方向与第二驱动电压的电压值一一对应，利用公式(1)可计算多组不同的第二驱动电压对应的液晶分子的旋转角度，从而计算获得液晶分子的取向方向α1、α2和α3。
具体，上述计算获得的Ix1、Ix2和Ix3分别为光强，根据公式(2)，利用上述过程计算获得的Ix1、Ix2和Ix3分别替换公式(2)中的I(α1)、I(α2)和I(α3)，即能够计算获得托克斯参数；根据公式(3)和计算获得的托克斯参数即能够计算所述目标物体在所述图像传感器的成像平面中每一像素点的线偏振度DOLP(i,j)。
进一步地，本发明实施例所述偏振成像方法，根据所述初始图像和所述正交偏振叠加图像获取所述偏振图像，之后包括：
根据所述偏振图像获取所述目标物体在像平面中的线偏振度；
根据所述目标物体在所述像平面中的线偏振度获取所述目标物体在物平面中的线偏振度。
具体方式为：由透镜成像公式
如图12所示，以及根据目标物体所在物平面与图像成像平面之间的几何关系，可以获得图像成像平面上每一像素点的坐标与相对应目标物体的物平面上对应位置点的坐标之间的对应关系：
其中，(i,j)为图像成像平面上其中一像素点的坐标，(x,y)为目标物体的物平面上对应该像素点的坐标，根据该函数关系和所计算获得的目标物体在图像成像平面上所成像每一像素点的线偏振度DOLP(i,j)，可以计算获得目标物体在物平面的每一位置点的线偏振度DOLP(x,y)。
进一步地，本发明实施例所述偏振成像方法，在根据目标物体在图像成像平面上所成像每一像素点的线偏振度，计算目标物体在物平面中与所述像素点相对应的位置点的线偏振度的步骤之后，所述方法还包括：
根据目标物体上每一位置点的线偏振度、所述位置点的折射率和反射角之间的函数关系，识别所述目标物体。
具体地，光线的反射角θ、物体的折射率n和物体的线偏振度DOLP之间的关系可以根据公式(5)获得：
这样，当目标物体上其中一位置点(x,y)的反射角θ(x,y)为已知，也即目标物体该位置点的法线方向已知时，利用上述公式(5)可以计算出目标物体上对应该位置点的折射率n(x,y)，基于此，获得目标物体上每一位置点的折射率的分布，根据不同属性目标物体折射率的不同，可以快速区分并识别出不同属性的目标物体。
进一步，当目标物体上每一位置点的折射率n(x,y)为已知时，根据上述公式(5)可以计算目标物体上相应位置点的法线方向
通常，物体表面各点的深度分布函数为z＝f(x,y)，则根据以下公式6可以获知物体表面与法线方向之间的关系为：
因此，当根据上述公式(5)计算目标物体上相应位置点的法线方向通过上述公式(6)对进行积分便可确定表面函数f(x,y)，从而获得目标物体的三维表面形状。
因此，在根据目标物体在图像成像平面上所成像每一像素点的线偏振度，计算所述目标物体对应每一位置点的线偏振度的步骤之后，所述方法还包括：
根据目标物体上每一位置点的线偏振度、所述位置点的折射率和反射角之间的函数关系，获得目标物体的表面形状。
因此，本发明实施例所述偏振成像方法，当确定光源的类型和方位、目标物体的类型和方法、图像传感器的图像成像平面的尺寸和像素大小和液晶透镜所形成液晶透镜单元的焦距之后，通过获取图2所示结构的未对液晶透镜施加驱动电压，图像传感器获取目标物体的反射光经过液晶透镜形成的初始图像，以及电压驱动电路持续对第一电极层、第二电极层施加第一驱动电压，分时对第三电极层、第四电极层施加多组不同的第二驱动电压，图像传感器采集目标物体的反射光经过液晶透镜获得正交偏振叠加图像，根据初始图像和正交偏振叠加图像获得偏振图像，根据偏振图像能够计算目标物体在所述图像成像平面上每一像素点的线偏振度，并进一步计算目标物体上每一位置点的线偏振度，在具体应用场景中识别目标物体或者获得目标物体的表面形状。
相较于传统的偏振成像相机，本发明实施例所述偏振成像装置及成像方法具有如下有益效果：
1)本发明实施例所述偏振成像装置，无需设置偏振片及用于偏振片的偏振方向调节的驱动结构，结构更加紧凑，有利于集成和小型化；
2)本发明实施例所述偏振成像装置，实现偏振成像主要功能(如透镜成像、偏振光选择和偏振方向旋转功能)的器件为所述液晶透镜，所述图像传感器仅承担光线采集的功能，因此，所述液晶透镜可以移植到任何设置有图像传感器的载体中，例如智能手机、监控装置、可穿戴设备等，用以实现偏振成像；
3)本发明实施例所述偏振成像装置，通过分时控制施加于所述第二电极组上的所述第二驱动电压，从而获得不同偏振方向的多幅偏振图像，全程电压控制，避免了机械移动引入的误差；
4)本发明实施例所述偏振成像方法，通过调节所述电压驱动电路的输出电压，实现偏振成像，操作简单。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种偏振成像装置，其特征在于：
包括一个液晶透镜和一个图像传感器，液晶透镜设置在图像传感器之前，外部光线经过液晶透镜入射到图像传感器上，图像传感器记录拍摄到的图像；
所述液晶透镜包括液晶层、取向层、第一电极组、第二电极组和电压驱动电路；所述第一电极组包括第一电极层和第二电极层；所述第二电极组包括第三电极层和第四电极层；所述液晶透镜的中心与所述图像传感器的中心之间的连线为***光轴，所述第一电极层、取向层、液晶层、第二电极层沿着***光轴方向依次设置；所述第三电极层和所述第四电极层平行于光轴，并分置于液晶层两侧；所述电压驱动电路向第一电极组输出满足预设条件且电压值保持不变的第一驱动电压、并分时向所述第二电极组输出电压值不等的多组第二驱动电压；所述第一驱动电压使所述液晶层中的液晶分子沿***光轴方向偏转；所述第二驱动电压使所述液晶层中的液晶分子在垂直于***光轴的平面内偏转。
2.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述第一电极层和/或所述第二电极层设有圆孔。
3.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述第三电极层和所述第四电极层均为面电极。
4.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述电压驱动电路包括第一子电路和第二子电路，所述第一子电路控制施加于所述第一电极层与所述第二电极层之间的所述第一驱动电压，所述第二子电路分时控制施加于所述第三电极层与所述第四电极层之间的所述第二驱动电压。
5.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述电压驱动电路分时向所述第二电极组输出电压值不等的三组第二驱动电压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的偏振成像装置，其特征在于，所述取向层的取向角度为α，且0°＜α＜90°。
7.根据权利要求6所述的偏振成像装置，其特征在于，所述取向层的取向角度α＝80°。
8.一种偏振成像方法，应用于权利要求1至7中任一项所述的偏振成像装置，其特征在于：所述偏振成像方法包括：
当所述液晶透镜未加载电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成初始图像，所述图像传感器记录所述初始图像；
当所述电压驱动电路同时加载第一驱动电压和第二驱动电压时，目标物体发出的光线经过液晶透镜入射到图像传感器上形成正交偏振叠加图像，所述电压驱动电路持续输出满足预设条件且电压值保持不变的所述第一驱动电压，并分时输出电压值不等的多组所述第二驱动电压，所述图像传感器依次记录多幅正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述第二驱动电压的组数相适配；
根据所述初始图像和所述正交偏振叠加图像获取偏振图像，所述偏振图像的个数与所述正交偏振叠加图像的个数相适配。
9.根据权利要求8所述的偏振成像方法，其特征在于：根据所述初始图像和所述多幅正交偏振叠加图像获取所述多幅偏振图像，之后包括：
根据所述偏振图像获取所述目标物体在像平面中的线偏振度；
根据所述目标物体在所述像平面中的线偏振度获取所述目标物体在物平面中的线偏振度。
10.根据权利要求9所述的偏振成像方法，其特征在于，根据所述目标物体在所述像平面中的线偏振度获取所述目标物体在物平面中的线偏振度，之后包括：
根据所述目标物体在物平面中的线偏振度，识别目标物体或者重建目标物体的三维分布。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20180724 Address after: 518054 Room 201, building A, 1 front Bay Road, Shenzhen Qianhai cooperation zone, Shenzhen, Guangdong Applicant after: Shenzhen super Technology Co., Ltd. Address before: 518053 room 1603, super multi-dimensional technology building, 12 Nanshan District science and technology south eight road, Shenzhen, Guangdong. Applicant before: Shenzhen SuperD Photoelectronic Co., Ltd. |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180710 |