CN105445952A - 高感光实时偏振成像的微偏阵列及其成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高感光实时偏振成像的微偏阵列及其成像装置，微偏阵列包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，每个最小周期单元均包括四个不同偏振角度的偏振单元，四个不同偏振角度分别为0°、45°、90°或135°，各个偏振单元的镜片包括若干个偏振片和无偏镜片，以解决现有技术中存在的在低光照情况或者曝光时间不足时因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题。本发明还公开了一种基于实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的成像装置及像素的结合方法，有效地解决不同类型镜片的饱和问题。

Description

高感光实时偏振成像的微偏阵列及其成像装置

技术领域

本发明属于偏振光学成像技术领域，涉及一种实现高感光实时偏振成像的微偏阵列及其成像装置。

背景技术

随着纳米加工技术和焦平面技术的发展，分焦平面偏振成像装置得以实现，它是目前最先进的实时偏振成像装置，一般的分焦平面偏振成像装置包含包括透镜，微型偏振片阵列和一个CCD数码相机。其中微型偏振片阵列中的最小周期排布的模式是一个2×2大小的微型偏振片组合，该单元组由0度微型偏振片、45度微型偏振片、90度微型偏振片、135度微型偏振片组成。由于亚波长金属光栅在入射光两个振动方向上的透过率不同而具有偏振滤光作用，同时具有较高的消光比，加工方便，易于集成等优点。微型偏振片一般选取亚波长金属光栅偏振片。

光的偏振状态分为五种：自然光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光。其中自然光、圆偏振光通过偏振片后的透射光强为入射光强的一半，而部分偏振光、椭圆偏振光在偏振片旋转一周时，透射光强依次出现：极大值—极小值—极大值—极小值；线偏振光通过偏振片后透射光的特性为：若偏振片旋转一周，则透射光依次出现：最亮—“消光”(即光强为零)—最亮—“消光”的现象。因此可知无论拍摄场景中的偏振光的状态如何，使用微型偏振片阵列获取偏振图像不可避免的会减低相机的进光量，这样会在低光照情况或者曝光时间不足时因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，以解决现有技术中存在的在低光照情况或者曝光时间不足时因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题。

本发明所采用的第一种技术方案是，实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，微偏阵列包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，每个最小周期单元均包括四个不同偏振角度的偏振单元，四个不同偏振角度分别为0°、45°、90°或135°，各个偏振单元的镜片包括若干个偏振片和无偏镜片。

进一步的，在每个偏振单元内的无偏镜片和偏振片为交错排列设置。

进一步的，无偏镜片或偏振片，分别沿水平、竖直或对角线的方向连续排列。

本发明所采用的第二种技术方案是，基于上述微偏阵列的成像装置，包括间隔设置的镜头和图像传感器，在图像传感器靠近镜头的一侧紧密贴合设置有微偏阵列，图像传感器依次通信连接模拟信号处理器、D/A转换器、数字信号处理器和图像显示器；

其中，镜头，用于将入射光聚焦到图像传感器上；

图像传感器，用于将入射光转化为每个像素点上的电信号，并发送至模拟信号处理器；

模拟信号处理器，用于接收图像传感器传来的模拟信号，并将其发送至D/A转换器；

D/A转换器，用于接收经模拟信号处理器传输来的信号，并对其进行数模转换再发送至数字信号处理器；

数字信号处理器，用于接收经D/A转换器转换后的信息，并对其进行去马赛克处理，再将去马赛克处理后得到的图像显示至图像显示器上。

进一步的，微偏阵列的镜片总数量与传感器上的感光单元总数量相同，且将微偏阵列中的各个镜片与图像传感器上各个感光单元的位置对应设置。

进一步的，图像传感器，用于将接收到的相同偏振角度的像素点得到的电荷，结合或者分配至同一个感光单元上，以产生结合像素。

进一步的，图像传感器，用于将接收到的相同偏振角度的像素采集到的光信号所对应的数值求和，以产生结合像素。

本发明所采用的第三种技术方案是，基于上述成像装置的一种像素结合方法，在微偏阵列中，将相同偏振角度的像素点得到的电荷，结合或者分配至同一个图像传感器的感光单元上，产生结合像素。

本发明所采用的第四种技术方案是，基于上述成像装置的一种像素结合方法，在微偏阵列中，将相同偏振角度的像素采集到的光信号所对应的数值求和，产生结合像素。

本发明的有益效果是，在四个不同角度的偏振单元中引入了无偏镜片，无偏镜片可以保证不同偏振状态的光的高透过率，保证实时获取偏振图像的同时，提高成像设备在低光照条件或者低曝光时间下的光灵敏度，并且可以有效地解决不同类型镜片的饱和问题。

附图说明

图1a至图1d分别为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列中偏振片与无偏镜片水平交错连续排列、竖直交错连续排列、水平交错错行排列和间隔交错排列的结构示意图；

图2为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的偏振角度示意图；

图2中，A.0°偏振单元，B.45°偏振单元，C.90°偏振单元，D.135°偏振单元；

图3为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列中偏振片与无偏镜片沿对角线方向连续交错排列示意图；

图4为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列中偏振片数量小于无偏镜片数量的结构示意图；

图5a至图5c分别为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的8×6、6×6和4×6的阵列示意图；

图6a和图6b分别为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的6×6阵列的两种结构示意图；

图7a和图7b分别为本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的4×4阵列的两种结构示意图；

图8是本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列应用于传统数码相机时的成像原理示意图；

图8中，1.入射光，2.镜头，3.高感光微偏阵列，4.图像传感器，5.模拟信号处理器，6.D/A转换器，7.数字信号处理器，8.图像显示器；

图9a为图1a中对应相同偏振角度的像素的电荷进行垂直方向的两两结合的效果图；

图9b为图1a中对应相同偏振角度的像素在水平方向上以四个为一组结合的效果图；

图9c为在图9a基础上，在水平方向上以四个为一组结合的效果图；

图中，I.偏振片，II.无偏镜片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，最小周期单元是指有着最少像素数的重复单元。如图1所示，每个最小周期单元均包括四个不同偏振角度的单元，如图2所示，粗实线围住的偏振单元A、B、C和D分别代表偏振角度为0°，45°，90°和135°的偏振单元。在四个不同角度偏振片I的基础上，引入了无偏镜片II，无偏镜片II可以保证不同偏振状态的光的高透过率。

在每个偏振单元内的无偏镜片II和偏振片I的排布方式可以但不限于以下形式：无偏镜片II和偏振片I交错排列设置；无偏镜片II或偏振片I，分别沿水平、竖直或对角线的方向连续排列。其中，最小周期单元内偏振片I的数量不大于无偏镜片II的数量。

图1a显示了本发明提出的微偏振列的一种最小周期单元，该单元中包含两类镜片，一类为偏振片I，一类为无偏镜片II，偏振片与无偏镜片II水平交错排列，根据偏振角度的不同，又可以将最小单元分为四个不同偏振角度单元。如图1a，在同一偏振角度单元内，无偏镜片II按水平方向连续排列，组成若干个水平行；如图1b，在同一偏振角度单元内，无偏镜片II按竖直方向连续排列，组成若干个竖直列，且上述在同一偏振角度单元内按行或列的方向连续排列的无偏镜片II，在不同的偏振角度单元内，也位于同一水平位置或同一竖直位置。

如图1c，在保证偏振片I与无偏镜片II交错排列的同时，上述图1a和图1b中，在同一偏振角度单元内按行方向连续排列的无偏镜片II，在不同的偏振角度单元内，也可以位于不同的水平位置，当然在同一偏振角度单元内按列的方向连续排列的无偏镜片II，也可以位于不同的竖直位置。

如图1d，在同一偏振角度单元内，可以将图1a所示的连续排列的无偏镜片II和偏振片I隔一列相互交错排列。

图3显示了图1a的另外一种变形，它们的本质思想是一样的，不同的是，在每个不同偏振角度单元上无偏镜片II在主对角线位置排布，与主对角线相邻对角线上排列对应角度偏振片I，无偏镜片II与偏振片I沿对角线方向交错排列。

如上所述的各个阵列模式中，偏振片I总数与无偏镜片II的数目是相同的，然而排布中允许无偏镜片II的数目比偏振片I的数目多，如图4所示，在同一偏振角度单元内，无偏镜片II的数目比偏振片I的数目多，且无偏镜片II与偏振片I时交错排列的，该排布方式提供了很好的感光度，同时其偏振角度的排布与图1a和图3均相同。

如上所述的各个阵列模式中，最小周期单元都是8×8的，但是更小单元的模式同样是适合的，如图5a所示，它与图1a类似，不同的是每个偏振角度单元是4×3大小的，因此该最小周期单元大小为8×6；图5b将图5a中偏振角度单元中的最下面一行偏振片I组合给删掉了，因此最小周期单元为6×6；图5c把图5b中的偏振角度单元的底层一行无偏镜片II组合给删掉了，因此最小周期单元为4×6；所以说，受CCD图像传感器影响，如果该传感器无法同时结合8×8阵列中偏振角度单元中对应偏振片的像素时，则选择比8×8更小的相似阵列。

图6a展示了另外一种最小周期单元，大小为6×6，每个偏振角度单元中的偏振片I呈钻石状排列，余下像素位置为无偏镜片II，图6b为图6a的一个变形，由图6a中每个偏振角度单元中偏振片I与无偏镜片II位置互换得到。

图7a显示了大小为4×4的最小单元，每个偏振角度单元包含两个无偏镜片II和两个偏振片I，两个偏振片I呈水平排列，图7b是图7a的变形，其中无偏镜片II排在偏振角度单元的斜对角线上。

综上所述，最小周期单元大小可以为8×8、8×6、6×6、4×6或4×4，或者根据需要设置为其他大小的最小周期单元。

本发明还提供了基于实现高感光实时偏振成像的微偏阵列的成像装置，图8为将本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列应用于数码相机时的成像原理示意图。其中镜头2将入射光1聚焦到图像传感器4上，一般选取CCD或者CMOS作为图像传感器4，将入射光转化为每个像素点上的电信号，将图像传感器4与本发明实现高感光实时偏振成像的微偏阵列组合，模拟信号处理器5接收图像传感器4传来的模拟信号，处理后再传递到D/A转换器6中，经过D/A转换器6转换后的信号继续在数字信号处理器7中执行相关的程序，完成图像去马赛克的处理过程，最终图像在图像显示器8中显示出来。其中，微偏阵列3的镜片总数量与传感器上的感光单元总数量相同，且将微偏阵列中的各个镜片与图像传感器上各个感光单元的位置对应设置。

由于无偏镜片II的感光度要高于偏振片I，因此在相同光照条件下对应于无偏镜片II的像素要比对应于偏振片I的像素要更快地达到饱和。这样在拍摄时就可能出现对应偏振片I的像素曝光充足而对应无偏镜片II的像素提前达到饱和的情况，致使获得的图像在对应于无偏镜片II的区域产生饱和失真。

为了增加偏振片I的感光度以克服无偏镜片感光度和偏振片感光度的不一致，使得两类镜片近似地同时达到饱和状态，本发明将每一个偏振角度单元中对应相同角度的像素通过以下方法结合到一起：

第一种方法是，将从相同偏振角度像素点处得到的电荷结合或者分配在同一个CCD图像传感器上，或者对相同偏振角度像素测得的电压平均分配，两个像素的电荷结合会使得结合信号较原有信号翻倍，但是与采样和读出结合信号相关的噪声则保持不变，因此信噪比增加了两倍，代表结合像素的感光度增加了两倍。

第二种方法是，将相同偏振角度的像素采集到的光信号所对应的数值求和，得到的信号增加了两倍，但是相应的噪声级别从读入两个像素时正交结合，因此噪声增加了根号二倍，得到的信噪比比没有结合的信号增加了根号二倍。

上述在一个偏振角度单元中结合同一偏振角度的像素的方法，是按照逐个或者整体的方式或者逐个和整体搭配来进行的。以图1a为例，通过对其中相同偏振角度像素的电荷，进行垂直方向的两两结合，以生成结合的像素对应相应的结合信号，该结合信号如图9a所示，每一个结合像素的感光度是未结合像素的两倍。同样地，对图1a所示最小周期单元中相同偏振角度的像素，在水平方向上以四个为一组生成结合像素，该结合像素如图9b所示，在这种情况下，由于信号增加了四倍，而噪声增加了两倍，所以结合像素分别为未结合像素的两倍灵敏度。如图9a所示，在垂直地两两结合同一偏振角度像素的电荷的基础上，四个为一组，水平地对图9a所示的结合的像素求和，产生最终的结合像素如图9c所示，结合像素是原来未结合像素的四倍，一些传感器结构，尤其是确定的CCD排布，可以允许每个偏振角度单元中所有八个相同偏振角度的像素的电荷结合，带来八倍的灵敏度。

本发明的实现高感光实时偏振成像的微偏阵列中加入无偏镜片II，在保证偏振图像的实时获取的同时，提高了成像设备在低光照条件下或者低曝光时间下的光灵敏度；而本发明的一种减弱无偏镜片感光度和偏振片感光度不一致的方法，保证了偏振片I和无偏镜片II对应的像素在图像采集过程近似同时达到饱和，避免了饱和失真的问题。

Claims (9)

1.实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，其特征在于，所述微偏阵列(3)包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，每个所述的最小周期单元均包括四个不同偏振角度的偏振单元，所述四个不同偏振角度分别为0°、45°、90°或135°，各个所述的偏振单元的镜片包括若干个偏振片(I)和无偏镜片(II)。

2.如权利要求1所述的实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，其特征在于，在每个所述偏振单元内的无偏镜片(II)和偏振片(I)为交错排列设置。

3.如权利要求1所述的实现高感光实时偏振成像的微偏阵列，其特征在于，所述无偏镜片(II)或偏振片(I)，分别沿水平、竖直或对角线的方向连续排列。

4.基于权利要求1至3所述的微偏阵列的成像装置，其特征在于，包括间隔设置的镜头(2)和图像传感器(4)，在图像传感器(4)靠近镜头(2)的一侧紧密贴合设置有微偏阵列(3)，所述图像传感器(4)依次通信连接模拟信号处理器(5)、D/A转换器(6)、数字信号处理器(7)和图像显示器(8)；

其中，所述镜头(2)，用于将入射光(1)聚焦到图像传感器(4)上；

所述图像传感器(4)，用于将入射光(1)转化为每个像素点上的电信号，并发送至所述模拟信号处理器(5)；

所述模拟信号处理器(5)，用于接收图像传感器(4)传来的模拟信号，并将其发送至所述D/A转换器(6)；

所述D/A转换器(6)，用于接收经模拟信号处理器(5)传输来的信号，并对其进行数模转换再发送至所述数字信号处理器(7)；

所述数字信号处理器(7)，用于接收经D/A转换器(6)转换后的信息，并对其进行去马赛克处理，再将去马赛克处理后得到的图像显示至所述图像显示器(8)上。

5.如权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述微偏阵列(3)的镜片总数量与传感器上的感光单元总数量相同，且将微偏阵列中的各个镜片与图像传感器上各个感光单元的位置对应设置。

6.如权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述图像传感器(4)，用于将接收到的相同偏振角度的像素点得到的电荷，结合或者分配至同一个感光单元上，以产生结合像素。

7.如权利要求4所述的成像装置，其特征在于，所述图像传感器(4)，用于将接收到的相同偏振角度的像素采集到的光信号所对应的数值求和，以产生结合像素。

8.基于权利要求4至7所述的成像装置的一种像素结合方法，其特征在于，在微偏阵列中，将相同偏振角度的像素点得到的电荷，结合或者分配至同一个图像传感器的感光单元上，产生结合像素。

9.基于权利要求4至7所述的成像装置的一种像素结合方法，其特征在于，在微偏阵列中，将相同偏振角度的像素采集到的光信号所对应的数值求和，产生结合像素。