CN108267897A - 偏振成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振成像装置和该偏振成像装置的偏振成像方法。该偏振成像装置包括：相对设置的液晶透镜和图像传感器，液晶透镜包括相互平行的至少三层液晶层、与每一层液晶层相适配的取向层和电极层，每一层液晶层对应一个取向层的取向角度，各取向角度互不相同，液晶透镜还包括电压驱动电路，电压驱动电路独立控制施加于每一层液晶层的驱动电压，当电压驱动电路对每一层液晶透镜施加驱动电压时，每一层液晶层形成的液晶透镜单元的焦距相等。该装置通过设置多个液晶层进行偏振成像，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。

Description

偏振成像装置和方法

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，所述偏振成像装置包括相对设置的液晶透镜和图像传感器，所述液晶透镜包括相互平行的至少三层液晶层、与每一层所述液晶层相适配的取向层和电极层，每一层所述液晶层对应一个所述取向层的取向角度，各所述取向角度互不相同，所述液晶透镜还包括电压驱动电路，所述电压驱动电路独立控制施加每一层所述液晶层的驱动电压，当所述电压驱动电路对每一层所述液晶透镜施加驱动电压，每一层所述液晶层形成的液晶透镜单元的焦距相等。

具体地，所述液晶层设置为四层，相邻两层所述液晶层共用一个所述电极层。

进一步地，所述电极层上设有圆孔。

具体地，每一层所述液晶层的厚度相等。

优选地，每一层所述液晶层的厚度不超过50微米。

优选地，所述液晶透镜包括第一取向层、第二取向层、第三取向层、第四取向层，所述第一取向层的取向角度为0°，所述第二取向层的取向角度为45°，所述第三取向层的取向角度为90°，所述第四取向层的取向角度为135°。

本发明实施例提供的偏振成像装置，分时向至少三层液晶层施加驱动电压，依次获取与加电液晶层相对应的偏振图像，相较于现有技术采用旋转线偏振片以实现获取多个偏振图像的偏振成像机构，图像采集更为方便，且结构紧凑。

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：

当所述电压驱动电路未向所述液晶透镜施加驱动电压时，目标物体经过液晶透镜形成初始图像，所述图像传感器记录所述初始图像；

当所述电压驱动电路分时单独控制施加于各个所述液晶层的驱动电压以形成液晶透镜单元，所述目标物体经过所述液晶透镜单元形成正交偏振叠加图像，所述图像传感器记录所述正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述液晶层的个数相适配；

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。

具体地，所述液晶层设置有四层，所述电压驱动电路分时独立向四层所述液晶层施加驱动电压获得四幅所述正交偏振叠加图像。

进一步地，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，之后所述方法还包括：

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。

具体地，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，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。

本发明实施例所述偏振成像方法，通过分时控制对多个液晶层施加驱动电压，以获得相对应的多幅偏振图像，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，操作更加方便。

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的整体结构示意图；

图3表示本发明实施例所设置液晶透镜的结构示意图；

图4表示图3的立体结构示意图；

图5表示液晶透镜中任一个液晶透镜单元的工作原理示意图；

图6表示本发明实施例所述成像控制方法的流程示意图；

图7表示本发明实施例所述液晶透镜的成像过程示意图；

图8表示平行平晶的成像过程示意图；

图9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。

本发明实施例提供一种偏振成像装置，如图1与图2所示，所述偏振成像装置包括：

图像传感器10；

液晶透镜20，设置于待取像的目标物体1与图像传感器10之间，液晶透镜20包括相互平行的至少三层液晶层、与每一层液晶层相适配的电极层和取向层，每一层液晶层对应一个取向层的取向角度，各取向角度互不相同；此外液晶透镜20还包括电压驱动电路，与每一液晶层相匹配的各电极层分别与电压驱动电路连接，电压驱动电路独立控制施加每一层液晶层的驱动电压，在驱动电压的作用下，液晶层内的液晶分子偏转形成一个液晶透镜单元，每一层液晶层形成的液晶透镜单元的焦距相等。

上述结构的偏振成像装置中，通过设置至少三层的液晶层，且不同层的液晶层所匹配取向层的取向角度不相同，电压驱动电路独立控制施加于每一层液晶层的驱动电压，当电压驱动电路向液晶层提供驱动电压，在驱动电压的作用下，该层液晶层内的液晶分子偏转形成液晶透镜单元，偏振方向平行于该层液晶层对应取向层的取向角度的入射光束，液晶透镜单元改变该入射光束的传播方向，该入射光束会聚于图像传感器10的成像面，图像传感器10记录该入射光束的图像信息。相较于现有技术，本实施例通过设置多层液晶层，每一层液晶层对应一个取向角度，电压驱动电路分时向各个液晶层施加驱动电压，偏振方向平行于该液晶层对应的取向角度的入射光束，经过液晶层加电形成的液晶透镜单元后改变其传播方向，图像传感器10记录该入射光束的图像信息，由于各个取向角度互不相同，因此，图像传感器10可以记录多幅偏振方向不同的图像，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。

图3和图4为本发明实施例所设置液晶透镜20的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，液晶透镜20包括四层液晶层，即第一液晶层100、第二液晶层200、第三液晶层300和第四液晶层400，第一液晶层100对应第一取向方向，第二液晶层200对应第二取向方向，第三液晶层300对应第三取向方向，第四液晶层对应第四取向方向。相邻第一液晶层100与第二液晶层200共用第二电极层22，第二液晶层200与第三液晶层300共用第三电极层23，第三液晶层300与第四液晶层400共用第四电极层24，本实施例提供的液晶透镜20相邻两层液晶层共用一个电极层，节省一层电极层，降低液晶透镜20的整体厚度，结构紧凑。

如图3和图4所示，本实施例提供的电压驱动电路包括第一子电路V1，第二子电路V2，第三子电路V3和第四子电路V4。第一子电路V1与第一电极层21、第二电极层22连接，第一子电路V1独立控制施加于第一电极层21与第二电极层22上的驱动电压；同样地，第二子电路V2与第二电极层22、第三电极层23连接，第二子电路V2独立控制施加于第二电极层22与第三电极层23上的驱动电压；第三子电路V3与第三电极层23、第四电极层24连接，第三子电路V3独立控制施加于第三电极层23与第四电极层24上的驱动电压；第四子电路V4与第四电极层24、第五电极层25连接，第四子电路V4独立控制施加于第四电极层24与第五电极层25上的驱动电压。本实施例提供的电压驱动电路分时独立控制施加于每一层液晶层的驱动电压，即第一子电路V1对第一电极层21、第二电极层22施加第一驱动电压，第一液晶层100形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第一取向方向的第一入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，液晶透镜单元会聚第一入射光束，图像传感器10采集第一入射光束的图像信息；下一时刻，第二子电路V2对第二电极层22、第三电极层23施加第二驱动电压，第二液晶层200形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第二取向方向的第二入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，液晶透镜单元会聚第二入射光束，图像传感器10采集第二入射光束的图像信息；再下一时刻，第三子电路V3对第三电极层23、第四电极层24施加第三驱动电压，第三液晶层300形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第三取向方向的第三入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，液晶透镜单元会聚第三入射光束，图像传感器10采集第三入射光束的图像信息；再下一时刻，第四子电路V4对第四电极层24、第五电极层25施加第四驱动电压，第四液晶层400形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第四取向方向的第四入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，液晶透镜单元会聚第四入射光束，图像传感器10采集第四入射光束的图像信息，这样，本实施例提供的偏振成像装置通过分时控制，采集四幅图像信息，相较于现有技术，本实施例提供的偏振成像装置通过控制施加各个液晶层相应的驱动电压，采集不同偏振角度的图像，处理速度快，成像质量可靠。

另一方面，参阅图3和图4，第一电极层21、第二电极层22、第三电极层23、第四电极层24以及第五电极层25上设有圆孔，当第一子电路V1对第一电极层21、第二电极层22施加第一驱动电压，第一液晶层100形成液晶透镜单元，当第二子电路V2对第二电极层22、第三电极层23施加第二驱动电压，第二液晶层200形成液晶透镜单元，当第三子电路V3对第三电极层23、第四电极层24施加第三驱动电压，第三液晶层300形成液晶透镜单元，当第四子电路V4对第四电极层24、第五电极层25施加第四驱动电压，第四液晶层400形成液晶透镜单元。

另一方面，为保证多层液晶层的设置不会影响任一层液晶层用于目标物体1成像时的光透过，参阅图3和图4，每层液晶层所形成液晶透镜单元为一一对应设置，结合图1，也即每层液晶层所形成液晶透镜单元在图像传感器10的图像成像平面上的投影一一对应重合，这样经目标物体1所反射的光可以通过每一液晶透镜单元传输至图像传感器10的图像成像平面，而不会被遮挡。

如图3和图4所示，本发明实施例中，每一液晶层所形成液晶透镜单元的焦距相同。具体地，圆孔电极所形成液晶透镜单元的最短焦距f可以由公式f＝φ²/d获得，其中φ为电极层的圆孔直径，d为液晶透镜单元所对应液晶层的厚度，每一液晶层的厚度相同，由于设定每一液晶层所形成液晶透镜单元的焦距相同，进而可知第一电极层21、第二电极层22、第三电极层23、第四电极层24和第五电极层25的圆孔直径相等。

另外，为进一步减轻液晶透镜的体积，设定第一液晶层100、第二液晶层200、第三液晶层300及第四液晶层400的厚度均小于等于50微米，也即不超过50微米，这样不仅确保对液晶层施加驱动电压时，液晶层可以偏转形成液晶透镜单元，而且结构更加紧凑。

如图3和图4所示，本实施例提供的液晶透镜包括第一取向层101、第二取向层201、第三取向层301和第四取向层401，第一取向层101的取向角度为0°，第二取向层201的取向角度为45°，第三取向层301的取向角度为90°，第四取向层401的取向角度为135°。这样，当第一子电路V1对第一电极层21、第二电极层22施加第一驱动电压，在第一驱动电压的作用下，第一液晶层100偏转形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第一取向层101的取向方向的入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，图像传感器10采集偏振角度0°的图像；同理，当第二子电路V2对第二电极层22、第三电极层23施加第二驱动电压，在第二驱动电压的作用下，第二液晶层200偏转形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第二取向层201的取向方向的入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，图像传感器10采集偏振角度45°的图像；同样地，当第三子电路V3对第三电极层23、第四电极层24施加第三驱动电压，在第三驱动电压的作用下，第三液晶层300偏转形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第三取向层301的取向方向的入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，图像传感器10采集偏振角度90°的图像；同理，当第四子电路V4对第四电极层24、第五电极层25施加第四驱动电压，在第四驱动电压的作用下，第四液晶层400偏转形成液晶透镜单元，偏振方向平行于第四取向层401的取向方向的入射光束经过液晶透镜单元改变光线的传播方向，图像传感器10采集偏振角度135°的图像。第一子电路V1、第二子电路V2、第三子电路V3及第四子电路V4分时驱动，图像传感器10分时获得偏振角度0°的图像、偏振角度45°的图像、偏振角度90°的图像以及偏振角度135°的图像，相较于现有技术采用旋转偏振片获取四幅不同偏振角度的图像，本实施提供的偏振成像装置结构更加紧凑。

如图2所示，较佳地，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10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1取像时，目标物体1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。

另外，结合图2，壳体30的内部还设置有驱动电路板40，其中第一子电路V1、第二子电路V2、第三子电路V3以及第四子电路V4分别连接至驱动电路板40，通过驱动电路板40向第一子电路V1、第二子电路V2、第三子电路V3以及第四子电路V4提供驱动电压。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。

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1和图6所示，所述偏振成像方法包括步骤：

S10，当所述电压驱动电路未向所述液晶透镜施加驱动电压时，目标物体1经过液晶透镜形成初始图像，所述图像传感器10记录所述初始图像；

S20，当所述电压驱动电路分时单独控制施加于各个所述液晶层的驱动电压以形成液晶透镜单元时，所述目标物体1经过所述液晶透镜单元形成正交偏振叠加图像，所述图像传感器10记录所述正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述液晶层的个数相适配；

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。

本发明实施例所述成像控制方法如下：在利用上述结构的偏振成像装置进行成像时，当电压驱动电路未向液晶透镜施加驱动电压时，目标物体1发出的光线中的所有偏振成分经过液晶透镜均不改变传播方向，光线到达图像传感器10的成像面形成初始图像，图像传感器10记录初始图像。当电压驱动电路分时单独对每一层液晶层施加相匹配的驱动电压时，施加有驱动电压的液晶层形成一个液晶透镜单元。目标物体1发出的光线中偏振方向平行于该液晶透镜单元取向层方向的光线，经过该液晶透镜单元后改变光线的传播方向，被液晶透镜单元会聚于图像传感器10的成像面。与此同时，目标物体1发出的光线中偏振方向垂直于该液晶透镜单元取向层方向的光线，经过该液晶透镜单元后不改变光线的传播方向，直接到达图像传感器10的成像面。最终，偏振方向平行于该液晶透镜单元取向层方向的光线和偏振方向垂直于该液晶透镜单元取向层方向的光线在图像传感器10上形成正交偏振叠加图像。图像传感器10依次记录每一层液晶透镜单元对应形成的正交偏振叠加图像，正交偏振叠加图像的个数与液晶层的个数相同。利用上述方式所获得的初始图像和正交偏振叠加图像就可以获得偏振图像。

如图5所示，以液晶透镜中的任一个液晶透镜单元的工作原理示意图进行说明。当液晶层未处于电场中(液晶层所匹配的电极层未加入电压)时，液晶层的液晶分子沿着取向层的方向排布，各个偏振方向的入射光均能够透过；当液晶层处于电场中(液晶层所匹配的电极层加入电压)时，液晶层的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(偏振方向垂直于取向层方向的光)的折射率不变，非常光(偏振方向平行于取向层方向的光)的折射率发生梯度变化。因此，对于偏振方向垂直于取向角度的入射光束，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取向角度的入射光束，液晶层会改变其传播方向，此时，液晶层相当于透镜。

如图7所示，基于上述原理，当液晶层形成液晶透镜单元用于成像时，除偏振方向平行于液晶透镜单元所匹配取向角度的入射光会在图像传感器10上成像，偏振方向垂直于液晶透镜单元所匹配取向角度的入射光也会在图像传感器10上成像。当向其中一层液晶层加入电压，其他液晶层不加入电压时，对于加入电压的液晶层，偏振方向平行于该液晶层所匹配取向角度的入射光束透过时，改变传播方向；偏振方向垂直于该液晶层所匹配取向角度的入射光束透过时，不改变传播方向直接透过。对于未加入电压的液晶层，任一偏振方向的入射光束直接透过。因此对于整个液晶透镜，当其中一层液晶层加入电压时，只能够使偏振方向平行于加入电压的液晶层所匹配取向角度和偏振方向垂直于加入电压的液晶层所匹配取向角度的两种偏振方向的入射光束透过，图像传感器10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加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像(也即该偏振成像装置期待采集的偏振图像)，另一部分是偏振方向垂直于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像I_⊥，即

如图8所示，当液晶透镜的所有液晶层均不加载电压时，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，即包括加入电压时偏振方向垂直于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像I_⊥，也包括偏振方向平行于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像(偏振图像)。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_⊥。

本实施例提供的液晶层设置有四层，电压驱动电路分时向四层液晶层施加驱动电压获得四幅正交偏振叠加图像。本实施例中设定第一取向层的角度为0°、第二取向层的角度45°、第三取向层的角度为90°和第四取向层的角度为135°，电压驱动电路分时独立对第一液晶层100，第二液晶层200、第三液晶层300和第四液晶层400施加相应的驱动电压，图像传感器10依次采集目标物体1发出的光线经过第一液晶层100、第二液晶层200、第三液晶层300以及第四液晶层400形成的正交偏振叠加图像，根据四幅正交偏振叠加图像及初始图像，获取偏振图像I_0°、I_45°、I_90°和I_135°。根据以下公式(1)能够计算斯托克斯stokes参数S₀、S₁和S₂：

根据以上公式(1)，目标光场也即经目标物体1所反射光线的偏振度DOLP可以根据公式(2)求出：

因此基于上述原理，当分别获得偏振方向为0°、45°、90°和135°所对应光束的偏振图像时，即能够计算经目标物体1所反射光线的偏振度DOLP，也即目标物体1在图像传感器10的图像成像平面上每一像素点的线偏振度。

当然，上述通过偏振方向为0°、45°、90°和135°所对应光束，计算经目标物体1所反射光线的偏振度DOLP，仅为举例说明，具体可以不限于仅通过上述偏振方向的光线用于线偏振度DOLP的计算。

本发明实施例所述偏振成像方法，利用电压驱动电路未对液晶透镜施加驱动电压时，图像传感器10采集的初始图像和电压驱动电路分时独立控制施加于每一液晶层以获得的多幅正交偏振叠加图像。根据斯托克斯参数，计算所述目标物体1在图像传感器10的图像成像平面上每一像素点的线偏振度。

基于以上原理，当每一层液晶层均不加电时，图像传感器10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；

当对其中一层液晶层加电时，图像传感器10记录获得正交偏振叠加图像，从正交偏振叠加图像可以获得正交偏振叠加图像的图像参数I_n；

由于正交偏振叠加图像包括：偏振方向平行于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像I；偏振方向垂直于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像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加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像的图像参数，也即获得偏振图像的图像参数。

举例说明，以I_X表示其中一正交偏振叠加图像I_n中偏振方向平行于加入电压的液晶层所匹配取向角度的图像的图像参数，则根据以下公式可以计算获得I_X：

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幅正交偏振叠加图像，计算与每一幅正交偏振叠加图像相对应的偏振图像的图像参数，其中偏振图像为目标物体1所反射、偏振方向平行于对应液晶层所匹配取向角度的光束所成像的图像，也可以解释为正交偏振叠加图像所包括的偏振方向平行于对应加入电压的液晶层的取向层方向的图像。

根据以上的原理，

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相对应偏振图像中，每一像素点的光强；

其中，I_X为在与所选取的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；I_n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。

通过上述计算方式，当图2所示透镜结构至少包括取向角度分别为0度、45度、90度和135度的四层液晶层时，通过以下的过程和计算方式，可以计算获得目标物体1在图像成像平面上每一像素点的线偏振度：

当每一层液晶层均不加电时，图像传感器10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；

当只向取向层的取向角度为0度的液晶层加电时，图像传感器10获得正交偏振叠加图像，从该正交偏振叠加图像可以获得偏振图像I_0°的图像参数I_n1，根据公式(3)计算目标物体1所反射、偏振方向平行于0度的光束所成像的偏振图像I_0°的图像参数I_X1，具体地为：

当只向取向层的取向角度为45度的液晶层加电时，图像传感器10获得正交偏振叠加图像，从该正交偏振叠加图像可以获得偏振图像I_45°的图像参数I_n2，根据公式(3)计算目标物体1所反射、偏振方向平行于45度的光束所成像的偏振图像I_45°的图像参数I_X2，具体地为：

当只向取向层的取向角度为90度的液晶层加电时，图像传感器10获得正交偏振叠加图像，从该正交偏振叠加图像可以获得偏振图像I_90°的图像参数I_n3，根据公式(3)计算目标物体1所反射、偏振方向平行于90度的光束所成像的偏振图像I_90°的图像参数I_X3，具体地为：

当只向取向层的取向角度为135度的液晶层加电时，图像传感器10获得正交偏振叠加图像，从该正交偏振叠加图像可以获得偏振图像I_135°的图像参数I_n4，根据公式(3)计算目标物体1所反射、偏振方向平行于135度的光束所成像的偏振图像I_135°的图像参数I_X4，具体地为：

利用上述过程，分别计算获得经目标物体1所反射、偏振方向平行于0度、45度、90度和135度的光束所成像的偏振图像和图像参数，分别为I_X1、I_X2、I_X3和I_X4。该图像参数为二维的光强分布，于是能够获得上述图像中每一像素点位置处的光强大小。

当将经目标物体1所反射、偏振方向平行于0度、45度、90度和135度的光束所成像的每一像素点位置处的光强，用于公式(1)和(2)的计算，即能够计算获得托克斯参数S₀、S₁和S₂和目标物体1在图像成像平面上每一像素点的线偏振度DOLP(i,j)。

进一步地，本发明实施例所述成像控制方法，在计算获得目标物体1在图像成像平面上所成像每一像素点的线偏振度的步骤之后，所述方法还包括：

根据初始图像和正交偏振叠加图像获取偏振图像，之后包括：

根据偏振图像获取目标物体1在像平面中的线偏振度；

根据目标物体1在像平面中的线偏振度获取目标物体1在物平面中的线偏振度。

具体方式为：由透镜成像公式

如图9所示，以及根据目标物体1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1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1的物平面上对应该像素点的坐标，根据该一函数关系和所计算获得的目标物体1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1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1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1在物平面中与像素点相对应的位置点的线偏振度，所述方法可以应用于多领域：

具体地，本实施例提出的偏振成像方法应用于对地遥感、天文观测等领域，在这些领域中，物体所反射的反射角可以近似认为相同，根据目标物体1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1。

具体地，经目标物体1所反射的反射角θ和线偏振度DOLP之间的关系可以根据公式(4)获得：

这样，当目标物体1上其中一位置点(x,y)的反射角θ(x,y)为已知时，利用上述公式(4)可以计算出目标物体1上对应该位置点的折射率n(x,y)，基于此，获得目标物体1上每一位置点的折射率的分布，根据不同属性目标物体1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1。

进一步，当目标物体1上每一位置点的折射率n(x,y)为已知时，根据上述公式(4)可以计算目标物体1上相应位置点的反射角θ(x,y)，也即目标物体1在该位置点的法线方向

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5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(4)计算目标物体1上相应位置点的法线方向通过对上述公式(5)进行积分便可确定表面函数f(x,y)，从而获得目标物体1的表面形状。

因此，本发明实施例所述成像控制方法，当确定光源的类型和方位、目标物体1的类型和方法、图像传感器10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所示结构的透镜结构当每一电压驱动电路均不加入电压的初始图像，以及当依次向液晶层的每一电压驱动电路输出控制信号，获取目标物体1通过每一液晶层在所述图像传感器10上成像的正交偏振叠加图像，根据初始图像和正交偏振叠加图像，即能够计算目标物体1在所述图像成像平面上所成像每一像素点的线偏振度，并进一步计算目标物体1上每一位置点的线偏振度，并识别目标物体1和获得目标物体1的表面形状。

本发明实施例所述偏振成像方法，通过分时控制对多个液晶层施加驱动电压，以获得相对应的多幅偏振图像，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，操作更加方便。

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，所述偏振成像装置包括相对设置的液晶透镜和图像传感器，其特征在于：所述液晶透镜包括相互平行的至少三层液晶层、与每一层所述液晶层相适配的取向层和电极层，每一层所述液晶层对应一个所述取向层的取向角度，各所述取向角度互不相同，所述液晶透镜还包括电压驱动电路，所述电压驱动电路独立控制施加于每一层所述液晶层的驱动电压，当所述电压驱动电路对每一层所述液晶透镜施加驱动电压，每一层所述液晶层形成的液晶透镜单元的焦距相等。

2.如权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于：所述液晶层设置为四层，相邻两层所述液晶层共用一个所述电极层。

3.如权利要求2所述的偏振成像装置，其特征在于：所述电极层上设有圆孔。

4.如权利要求3所述的偏振成像装置，其特征在于：每一层所述液晶层的厚度相等。

5.如权利要求4所述的偏振成像装置，其特征在于：每一层所述液晶层的厚度不超过50微米。

6.如权利要求2至5中任一项所述的偏振成像装置，其特征在于：所述液晶透镜包括第一取向层、第二取向层、第三取向层、第四取向层，所述第一取向层的取向角度为0°，所述第二取向层的取向角度为45°，所述第三取向层的取向角度为90°，所述第四取向层的取向角度为135°。

7.一种偏振成像方法，应用于权利要求1至6中任一项所述的偏振成像装置，其特征在于：所述方法包括：

当所述电压驱动电路未向所述液晶透镜施加驱动电压时，目标物体经过液晶透镜形成初始图像，所述图像传感器记录所述初始图像；

当所述电压驱动电路分时单独控制施加于各个所述液晶层的驱动电压以形成液晶透镜单元，所述目标物体经过所述液晶透镜单元形成正交偏振叠加图像，所述图像传感器记录所述正交偏振叠加图像，所述正交偏振叠加图像的个数与所述液晶层的个数相适配；

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。

8.如权利要求7所述的偏振成像方法，其特征在于：所述液晶层设置有四层，所述电压驱动电路分时独立向四层所述液晶层施加驱动电压获得四幅所述正交偏振叠加图像。

9.如权利要求7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正交偏振叠加图像获取偏振图像，之后所述方法还包括：

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.如权利要求9所述的偏振成像方法，其特征在于：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，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。