CN109164529A - 高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置 - Google Patents

高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置，解决了现有技术中存在的分焦平面偏振成像方式偏振信息空间采样率低，偏振信息恢复误差大的问题。本发明的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，所述最小周期单元为超像素；所述超像素由0°、45°、90°三个方向偏振单元组成；其中一个方向偏振单元为两组，构成高采样率偏振单元；三个方向偏振单元中的高采样率偏振单元占45°或‑45°对角线方向；每组偏振单元为一个镜片。

Description

高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置
技术领域
本发明涉及一种微偏振片阵列及其成像装置，具体用于实现高采样率实时偏振成像。
背景技术
随着微纳加工工艺的进一步发展，分焦平面偏振成像技术得以实现，其核心在于将微纳光栅偏振阵列与CCD或CMOS焦平面高精度对准贴合封装，从而实现实时偏振成像。微纳光栅偏振阵列的常规排布模式为一个2×2超像素单元在全像素周期性排列，该超像素单元包含0°、45°、90°、135°四个方向的偏振单元，以在一次成像过程实现四个方向偏振图像的同时获取。但是，由于每个像素位置只能采集一个方向的偏振信息，这使得分焦平面偏振成像方式存在瞬时视场误差，需要对所得偏振马赛克图像进行去马赛克才能恢复每个像素位置未能采集的其他方向偏振信息。在每个超像素中，四个偏振方向的微偏振片各出现一次，所以各个方向偏振信息的空间采样率是一样的，只为全阵列的1/4，采样率越低去马赛克误差必然越大，从而降低获取偏振图像的质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供公开了一种高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置，解决了现有技术中存在的分焦平面偏振成像方式偏振信息空间采样率低，偏振信息恢复误差大的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，所述最小周期单元为超像素；所述超像素由0°、45°、90°三个方向偏振单元组成；其中一个方向偏振单元为两组，构成高采样率偏振单元；三个方向偏振单元中的高采样率偏振单元占45°或-45°对角线方向；每组偏振单元为一个镜片。
作为本发明公开的微偏振片阵列的一种优选实施方式：高采样率偏振单元占45°对角线方向，低采样率偏振单元占-45°对角线方向或高采样率偏振单元占-45°对角线方向，低采样率偏振单元占45°对角线方向。
作为本发明公开的微偏振片阵列的一种优选实施方式：每个最小周期单元由两个0°偏振单元A，一个45°偏振单元B，一个90°偏振单元C组成，两个0°偏振单元A分布在-45°对角线位置，45°偏振单元B与90°偏振单元C分布在45°对角线位置。
本发明还公开了成像装置，包含分焦平面偏振成像机芯、图像传感器、读出电路和图像显示器，沿着入射光方向，所述图像传感器的前方设置有任一上述的微偏振片阵列。
作为本发明公开的成像装置的一种优选实施方式：所述图像传感器为CCD或者CMOS；入射光经分焦平面偏振成像机芯的镜头聚焦到图像传感器上，将入射光转化为每个像素点上的电信号，将图像传感器与所述微偏振片阵列组合，经读出电路完成光电转换以及去马赛克处理过程，最终图像在图像显示器中显示。
本发明有益效果是：
本发明公开的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置，通过改变常规微纳光栅偏振阵列的排布模式，利用偏振信息的冗余性，将偏振信息的采集方向由四个减少到三个，在不影响场景线偏振信息获取能力的同时，提高其中一个线偏振方向信息空间采样率为原采样率的两倍，从而减小偏振信息恢复误差。
附图说明
图1a至图1d是本发明实现高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列的一种具体实施方式的超像素排布结构图；
图1a至图1d中超像素采用0°、45°、90°偏振单元组合，且0°偏振单元占45°或-45°对角线方向的排布；
图2a至图2c分别对应图1a排布模式下0°、45°、90°偏振方向空间采样分布图；
图3a至图3d是采用0°、45°、90°偏振单元组合，且90°偏振单元占45°或-45°对角线方向的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列的超像素排布结构图；
图4a至图4d是采用0°、45°、90°偏振单元组合，且45°偏振单元占45°或-45°对角线方向的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列的超像素排布结构图；
图5是本发明实现高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列应用于传统数码相机时组成的成像装置的成像原理示意图；
附图标记说明：
图1a中，A：0°偏振单元，B：45°偏振单元，C：90°偏振单元；
图5中，1：入射光，2：分焦平面偏振成像机芯(包括镜头)，3：高采样率微偏振片阵列，4：图像传感器，5：读出电路，6：图像显示装置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
本发明公开了一种实现高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列及其成像装置；所述微偏振片阵列包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，最小周期单元也即超像素是指有着最少像素数的重复单元。如图1a-1d所示，微偏振片阵列的超像素由0°、45°、90°三个方向偏振单元组成，高采样率偏振单元占45°或-45°对角线方向，由图2a-2c可知，高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列的超像素的采样率为其他方向偏振空间采样率的2倍，所以在进行偏振信息恢复时先对高采样率偏振方向信息进行恢复，然后基于此利用偏振相关性再对其他方向偏振进行恢复，减小恢复误差。
需要说明的是，传统微偏振(片)(阵)列的超像素由0°、45°、90°、135°四个方向偏振单元组成，即采集0°、45°、90°、135°四个方向偏振信息，但其实存在信息冗余，根据偏振成像理论：
S0＝I0+I90＝I45+I135
S1＝I0-I90
S2＝I45-I135＝2I45-I0-I90
式中S0、S1、S2表示前三个斯托克斯参量，I0、I45、I90、I135表示0°、45°、90°、135°四个方向线偏振强度，可以发现只利用0°、45°、90°、135°中的三个方向偏振信息即可计算场景的线偏振参量。本发明即基于此在不影响场景偏振信息获取的条件下提高某一方向偏振信息的空间采样率为原有的两倍，从而减小偏振信息恢复误差。
本发明的每个超像素中高采样率偏振单元与低采样率偏振单元的排布方式可以但不限于以下形式：高采样率偏振单元占45°对角线方向，低采样率偏振单元占-45°对角线方向；高采样率偏振单元占-45°对角线方向，低采样率偏振单元占45°对角线方向。
图1a显示了本发明提出的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列的一种最小周期排布模式，由两个0°偏振单元A，一个45°偏振单元B，一个90°偏振单元C组成，两个0°偏振单元A分布在-45°对角线位置，45°偏振单元B与90°偏振单元C分布在45°对角线位置。
图1b显示排布模式与图1a区别在于45°偏振单元B与90°偏振单元C在超像素单元中位置互换。
图1c和图1d显示排布模式中两个0°偏振单元A分布在45°对角线位置，45°偏振单元B与90°偏振单元C分布在-45°对角线位置，二者区别在于45°偏振单元B与90°偏振单元C在超像素单元中位置相反。所以上述排布中0°偏振单元A的空间采样率为其他方向偏振单元空间采样率的两倍，即为高采样率偏振单元。
图2a至图2c分别显示对应图1a排布模式下0°、45°、90°偏振方向空间采样分布图，可以发现0°偏振方向空间采样率是其他两个方向的两倍，所以在进行偏振去马赛克信息恢复过程中先对0°偏振方向进行恢复补全，由于其高空间采样率，采用同样的恢复算法其恢复精度必然更高，然后在此基础上利用偏振信息的相关性进一步恢复其他两个方向的偏振信息，从而提高整体偏振信息恢复精度。
图3a-3d所示4种高采样率超像素排布模式同样由0°、45°、90°三个方向偏振单元组成，区别在于高采样率偏振单元为90°偏振单元，排布规律与图1一致，高空间采样率单元位于45°或-45°对角线方向，其他偏振单元位于其他位置。相似的，当高采样率偏振单元为45°偏振单元时，可得相应高采样率超像素排布模式如图4a-4d所示。
如上所述的各个阵列模式中，基本组成单元均为0°、45°、90°三个方向偏振单元，图1、图2与图3对应高采样率偏振单元分别为0°、90°、45°偏振单元，排布规律相同，均可作为高采样率微偏振列的排布模式。
图5为示出了本发明的成像装置的具体实施方式；将本发明实现高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，应用于数码相机时的成像原理示意图，其中入射光1经分焦平面偏振成像机芯2镜头聚焦到图像传感器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与本发明实现高采样率实时偏振成像的微偏阵列3组合，经读出电路5完成光电转换以及去马赛克等处理过程，最终图像在图像显示器6中显示出来。
本发明的实现高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列中采用三个方向偏振单元的组合构成最小重复周期排布模式，通过提高其中某一方向偏振单元的空间采样率，提高相应方向偏振信息的恢复精度，从而进一步利用偏振信息的相关性提高其他方向偏振信息的恢复精度，减小集成后的分焦平面偏振成像相机的去马赛克误差。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (5)

1.高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，其特征在于：包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，所述最小周期单元为超像素；所述超像素由0°、45°、90°三个方向偏振单元组成；其中一个方向偏振单元为两组，构成高采样率偏振单元；三个方向偏振单元中的高采样率偏振单元占45°或-45°对角线方向；每组偏振单元为一个镜片。
2.如权利要求1所述的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，其特征在于：高采样率偏振单元占45°对角线方向，低采样率偏振单元占-45°对角线方向或高采样率偏振单元占-45°对角线方向，低采样率偏振单元占45°对角线方向。
3.如权利要求1所述的高采样率实时偏振成像的微偏振片阵列，其特征在于：每个最小周期单元由两个0°偏振单元A，一个45°偏振单元B，一个90°偏振单元C组成，两个0°偏振单元A分布在-45°对角线位置，45°偏振单元B与90°偏振单元C分布在45°对角线位置。
4.成像装置，包含分焦平面偏振成像机芯、图像传感器、读出电路和图像显示器，其特征在于：沿着入射光方向，所述图像传感器的前方设置有如权利要求1-3任一所述的微偏振片阵列。
5.如权利要求4所述的成像装置，其特征在于：所述图像传感器为CCD或者CMOS；入射光经分焦平面偏振成像机芯的镜头聚焦到图像传感器上，将入射光转化为每个像素点上的电信号，将图像传感器与所述微偏振片阵列组合，经读出电路完成光电转换以及去马赛克处理过程，最终图像在图像显示器中显示。
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