CN109104582A - 一种实时超分辨偏振红外光电成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电成像方法技术领域，特别涉及一种实时超分辨偏振红外光电成像方法。以克服现有技术存在的重建图像精度低，且算法复杂，实时性不能保证，且不能同时记录场景的偏振态信息的缺点。本发明采用的方法为目标的红外辐射经过红外成像镜头，成像在一次像平面上；在中间像平面上，放置一长方形的视场光阑；中间像经过中继成像透镜阵列成4个等大的实像在红外焦平面阵列探测器的光敏面上；紧贴探测器光敏面的前表面，放置偏振片阵列和放置孔径编码掩模，构成偏振编码孔径阵列，只允许水平或垂直偏振的光透过掩模到达光敏面；根据红外焦平面阵列探测器获得的4副偏振强度调制图像，通过水平、垂直方向像素插值完成实时超分辨偏振图像重构。

Description

一种实时超分辨偏振红外光电成像方法

技术领域

本发明涉及光电成像方法技术领域，特别涉及一种实时超分辨偏振红外光电成像方法。

背景技术

红外成像技术是利用光学成像系统和红外焦平面传感器把目标和背景的红外辐射转换为电信号的成像技术，它把人眼不可见红外辐射转换为人眼可识别的图像。由于它具有全天候的观测能力，在目标的探测、识别等方面具有很强的抗干扰能力，因此，从二十世纪60、70年代开始，广泛应用于工业检测、遥感光谱测量、医学成像、天文观测和军事目标的探测和识别等领域。在红外光电成像系统中，由光学衍射决定的分辨极限远远小于探测器本身的像元尺寸，因此红外焦平面传感器的像元大小决定了系统的分辨率。对于红外焦平面探测器，目前采用非硅光敏材料制作(砷化镓、碲镉汞等)，由于半导体工艺和材料性质的限制，其像元尺寸比较大，像元宽度一般为20μm量级。在不改变探测器的前提下提高系统的性能，为了获得具有更高空间分辨率的图像，通常采用图像处理的方法，然而通常该类方法的性能高度依赖于场景，且运算量大。另外，通常物体的热辐射包含有偏振信息，蕴涵着目标多种信息的偏振特性，因此获得目标的偏振态特征能为目标识别等领域提供大量新的信息。目前，偏振态的测量有两类方法：一种是采用多个探测器同时获得不同偏振态的图像，缺点是成像系统成本高；另一种是用一个探测器阵列在不同时刻获得不同偏振态的图像，缺点是不能实时测量。

另一方面，编码孔径成像是一种利用适当的编码掩模提高系统的性能的成像手段，在X射线成像、压缩感知和红外成像等领域获得了广泛的应用。美国Duke大学Brady等人在2006年展示了焦平面编码成像的可行性，他们采用哈达码编码模板调制光场信息，通过多次测量在一个探测器上获得同一场景的多幅调制的图像阵列，但是该方法不能实时测量，也不能记录场景的偏振信息。

国防科大的肖龙龙等人在2011年，提出了一种提高红外成像分辨率的焦平面编码成像方法。该技术基于压缩感知理论，通过在光学系统的焦平面上放置孔径编码掩膜对入射光强信息进行调制，最后采用压缩感知理论中的稀疏优化算法重构出原始图像。该技术展示了系统的分辨率取决于编码孔径掩膜尺寸而非焦平面阵列像元大小，从而大幅度提高成像质量。但该方法的缺点是需要记录多次不同编码下的场景图像，同时该方法不能记录场景的偏振态信息。而且实践中发现，在压缩孔径编码中，理论上虽然可以通过较少的测量得到更高的分辨率，但是实际中重建图像精度低，且算法复杂，实时性不能保证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种实时超分辨偏振红外光电成像方法，以克服现有技术存在的重建图像精度低，且算法复杂，实时性不能保证，且不能同时记录场景的偏振态信息的缺点。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种实时超分辨偏振红外光电成像方法，其特征在于：所采用的装置包括光路上依次设置的红外成像镜头1，视场光阑3，2×2透镜阵列4，偏振片阵列5，孔径编码掩模6和红外焦平面阵列探测器7；

依次包括以下步骤：

1)目标的红外辐射经过红外成像镜头，成像在一次像平面上；

2)在中间像平面上，放置一长方形的视场光阑，视场光阑的尺寸保证中间像经过中继透镜成像在红外焦平面阵列探测器上时，所成像不超过光敏面大小的1/4；

3)中间像经过2×2的中继成像透镜阵列成4个等大的实像在红外焦平面阵列探测器的光敏面上，其中，每一个透镜成像在光敏面的不同位置，4个像充满探测器且位置互不重合；

4)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置偏振片阵列：

a)与4个等大的实像相对应，偏振片阵列分为上下2部分；

b)上面的偏振片透振方向为水平方向，下面偏振片的透振方向为垂直方向；

5)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置孔径编码掩模：

a)与4个等大的实像对应，掩模分为4个区域；

b)每一个区域的掩模形状各不相同，且子掩模数目与对应面积的探测器上的像素数相同，子掩模大小与感光像元的尺寸相同；

c)每一子掩模为偏振二值掩模，只有透光部分到达光敏面；

d)在第1个区域中，每一子掩模包括一个2×1的掩模子阵，其中子阵左边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第2个区域中，每一子掩模包括一个2×1的掩模子阵，其中子阵右边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第3个区域中，每一子掩模包括一个1×2的振掩模子阵，其中子阵上边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第4个区域中，每一子掩模包括一个1×2的掩模子阵，其中子阵下边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；

6)偏振片阵列和孔径编码掩模相结合构成偏振编码孔径阵列，只允许水平或垂直偏振的光透过掩模到达光敏面；

7)根据红外焦平面阵列探测器获得的4副偏振强度调制图像，通过水平、垂直方向像素插值完成实时超分辨偏振图像重构。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、发明通过一次测量提高了分辨率，同时获得了图像的水平、垂直两个方向的偏振信息；

2、本发明采用2×2透镜阵列作为中继成像透镜，使场景同时成像在探测器的4个区域，结合偏振掩模技术，采用了线性插值技术，运用了简单的算法，在获取目标偏振信息的同时，提高了测量的实时性；

3、本发明与焦平面压缩孔径编码技术相比，该方法重建速度快，精度高；

4、本发明方法简单，成本低廉；不要求减小红外焦平面阵列的像元尺寸提高分辨率，通过编码孔径技术，使实际的分辨率仅受限于子掩模透光孔径，而编码孔径的制作是采用成熟的光刻技术，成本低，且精度可以达到0.1微米。

附图说明

图1是实现本发明方法的装置结构示意图；

图2是孔径编码掩模装置示意图；

图3是偏振片阵列示意图；

图中：1-红外成像镜头，2-一次像平面，3-视场光阑，4-2×2透镜阵列，5-偏振片阵列，6-孔径编码掩模，7-红外焦平面阵列探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明采用的装置结构为透射式成像结构，包括光路上依次设置的红外成像镜头1，视场光阑3，2×2透镜阵列4，偏振片阵列5，孔径编码掩模6和红外焦平面阵列探测器7。

参见图2，是孔径编码掩模装置6的示意图。参见图3，是偏振片阵列5的示意图，箭头所示为透振方向。

实施例：本发明应用于短波红外波段(900-1700nm)的实时超分辨偏振成像。

1)目标的短波红外辐射(900-1700nm)经过红外成像镜头1，成像在一次像平面2上；

2)在中间像平面2上，放置一长方形的视场光阑3，视场光阑的两个边长a、b。

3)中间像经过2×2的中继成像透镜阵列4按照放大倍率M＝1的关系成4个等大的实像在红外焦平面阵列探测器光敏面7上，每一个透镜成像在光敏面的不同位置，4个像充满探测器且位置互不重合。探测器采用铟镓砷(InGaAs)材料制成，像元数目为640x512，每个像元的尺寸为20μm x 20μm(水平方向x垂直方向)，光敏面的边长为l₁、l₂分别为12.8mm、10.24mm。

4)因为二次成像的放大倍率为1，视场光阑的边长分别取为a＝l₁/2＝6.4mm,b＝l₂/2＝5.12mm，以保证二次成像时不超过探测器面积的1/4；

5)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置偏振片阵列，如图3所示：

a)与4个等大的实像相对应，偏振片阵列分为上下2部分，与探测器上下相对应；

b)上面的偏振片透振方向为水平方向，下面偏振片的透振方向为垂直方向；

6)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置孔径编码掩模，如图2所示：

a)与4个等大的实像对应，掩模分为4个区域I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，4个区域中的子掩模形状各不相同；

b)每一个区域的子掩模数目为320x 256，子掩模大小为20μm x 20μm，与感光像元的尺寸相同，调整掩模的位置使每一个像素与一个子掩模重合；

c)每一子掩模为偏振二值掩模，分为透光和不透光区域，只有透光部分到达光敏面；

d)在第1个区域中，每一子掩模包括一个2×1的水平偏振掩模子阵，其中子阵左边透光，透光区域的大小为10μm x 20μm；在第2个区域中，每一子掩模包括一个2×1的水平偏振掩模子阵，其中子阵右边透光，透光区域的大小10μm x 20μm；在第3个区域中，每一子掩模包括一个1×2的垂直偏振掩模子阵，其中子阵上边透光，透光区域的大小20μm x 10μm；在第4个区域中，每一子掩模包括一个1×2的垂直偏振掩模子阵，其中子阵下边透光，透光区域的大小为20μm x 10μm；

7)根据红外焦平面阵列探测器获得的4副偏振强度调制图像，通过水平、垂直方向像素插值完成实时超分辨偏振图像重构。

a)水平方向：由于区域I、Ⅱ的对应子掩模恰好覆盖了同一像素，因此I、Ⅱ输出的图像交替插值，即可完成该方向的超分辨重建，得到新建图像I₁，分辨率为640x 256，I₁沿该方向的最小分辨距离为10μm，是像元尺寸的1/2；I₁沿垂直方向进行线性插值，即可得到水平偏振状态下的分辨率为640x 512的超分辨图像。

b)垂直方向：由于区域Ⅲ、Ⅳ的对应子掩模恰好覆盖了同一像素，因此Ⅲ、Ⅳ输出的图像交替插值，即可完成该方向的超分辨重建，得到新建图像I₂，分辨率为320x 512，I₂沿该方向的最小分辨距离为10μm，是像元尺寸的1/2；I₂沿水平方向进行线性插值，即可得到垂直偏振状态下的分辨率为640x 512超分辨图像。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种实时超分辨偏振红外光电成像方法，其特征在于：所采用的装置包括光路上依次设置的红外成像镜头1，视场光阑3，2×2透镜阵列4，偏振片阵列5，孔径编码掩模6和红外焦平面阵列探测器7；

依次包括以下步骤：

1)目标的红外辐射经过红外成像镜头(1)，成像在一次像平面(2)上；

2)在中间像平面上，放置一长方形的视场光阑(3)，视场光阑(3)的尺寸保证中间像经过中继透镜成像在红外焦平面阵列探测器上时，所成像不超过光敏面大小的1/4；

3)中间像经过2×2的中继成像透镜阵列成4个等大的实像在红外焦平面阵列探测器(7)的光敏面上，其中，每一个透镜成像在光敏面的不同位置，4个像充满探测器且位置互不重合；

4)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置偏振片阵列(5)：

a)与4个等大的实像相对应，偏振片阵列(5)分为上下2部分；

b)上面的偏振片透振方向为水平方向，下面偏振片的透振方向为垂直方向；

5)紧贴红外焦平面阵列探测器光敏面的前表面，放置孔径编码掩模(6)：

a)与4个等大的实像对应，掩模分为4个区域；

b)每一个区域的掩模形状各不相同，且子掩模数目与对应面积的探测器上的像素数相同，子掩模大小与感光像元的尺寸相同；

c)每一子掩模为偏振二值掩模，只有透光部分到达光敏面；

d)在第1个区域中，每一子掩模包括一个2×1的掩模子阵，其中子阵左边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第2个区域中，每一子掩模包括一个2×1的掩模子阵，其中子阵右边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第3个区域中，每一子掩模包括一个1×2的振掩模子阵，其中子阵上边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；在第4个区域中，每一子掩模包括一个1×2的掩模子阵，其中子阵下边透光，透光区域的大小为感光像元尺寸的1/2；

6)偏振片阵列(5)和孔径编码掩模(6)相结合构成偏振编码孔径阵列，只允许水平或垂直偏振的光透过掩模到达光敏面；

7)根据红外焦平面阵列探测器(7)获得的4副偏振强度调制图像，通过水平、垂直方向像素插值完成实时超分辨偏振图像重构。