CN110221456B - 偏振成像装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种偏振成像装置及其方法。偏振成像装置包括沿着入射光的光线方向依次设置的旋光装置、透镜装置和图像传感器，还包括图像处理器和控制器，控制器用于控制旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态、控制透镜装置处于对焦状态或非对焦状态、控制图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；图像处理器用于根据多个图像获得偏振图像信息。本发明通过获得经过旋光装置和透镜装置的多个图像，根据多个图像获得偏振图像信息，既不需要使用偏振片，也不需要驱动部件移动，具有结构简单、操作简便、处理效率高、速度快和精度高等特点。

Description

偏振成像装置及其方法
技术领域
本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种偏振成像装置及其方法。
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。自然光不表现出偏振特性，自然光在各个偏振方向均匀分布、振幅相同，而对于部分偏振光来说，不同偏振方向上的光波振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，因此用偏振度可以区分开来一些物质，如天然物质和伪装物质的偏振度会有区别。偏振成像的原理为：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，其出射光通常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，出射光的偏振度和物质界面的固有属性和反射角(或折射角)有着直接的关系，物质界面的固有属性包括成分、结构、粗糙度、含水量等，通过获取目标的偏振图像并解析，可以更加容易识别目标，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，现有偏振图像装置通常是在目标物体与图像传感器之间设置偏振片，通过驱动偏振片偏转使图像传感器获得不同偏振角度的偏振图像。实际使用表明，由于需要设置附加的安装结构和驱动结构，结构复杂，操作繁琐，且机械移动易引入误差，因而现有偏振图像装置存在处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是，提供一种偏振成像装置及其方法，以解决现有偏振图像装置存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种偏振成像装置，包括沿着入射光的光线方向依次设置的旋光装置、透镜装置和图像传感器，还包括图像处理器和控制器，其中，
控制器，分别与所述旋光装置、透镜装置和图像传感器连接，用于控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态、控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态、控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；所述第二旋光状态的旋光角度与第一旋光状态的旋光角度之差等于90°；
图像处理器，与所述图像传感器连接，用于根据所述多个图像获得偏振图像信息。
可选地，所述旋光装置包括扭曲向列型液晶盒；当所述扭曲向列型液晶盒处于第一旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向不发生旋转，当所述TN液晶盒处于第二旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向进行90°旋转；所述透镜装置包括液晶透镜；当所述液晶透镜处于非对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线没有被调制，当所述液晶透镜处于对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线的设定方向的偏振分量被调制。
可选地，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
可选地，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
可选地，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
可选地，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
可选地，所述偏振图像信息包括第一方向的偏振图像、第二方向的偏振图像、完整的偏振图像、或者第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差，第一方向与第二方向垂直，其中，
第一方向的偏振图像＝第一图像-原始图像；
第二方向的偏振图像＝第二图像-原始图像；
目标物体的偏振图像＝第一图像与原始图像相减的结果+第二图像与原始图像相减的结果；
第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差＝第一图像与原始图像相减的结果-第二图像与原始图像相减的结果。
为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种偏振成像方法，沿着入射光的光线方向依次设置有旋光装置、透镜装置和图像传感器，所述方法包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；所述第二旋光状态的旋光角度与第一旋光状态的旋光角度之差等于90°；
根据所述多个图像获得偏振图像信息。
可选地，所述旋光装置包括扭曲向列型液晶盒；当所述扭曲向列型液晶盒处于第一旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向不发生旋转，当所述TN液晶盒处于第二旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向进行90°旋转；所述透镜装置包括液晶透镜；当所述液晶透镜处于非对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线没有被调制，当所述液晶透镜处于对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线的设定方向的偏振分量被调制。
可选地，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
可选地，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
可选地，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
可选地，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
可选地，根据所述多个图像获得偏振图像信息，包括：
将所述第一图像与原始图像相减，获得第一方向的偏振图像；或者，
将所述第二图像与原始图像相减，获得第二方向的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相加，得到完整的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相减，得到第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差；
其中，第一方向与第二方向垂直。
本发明实施例提供了一种偏振成像装置及其方法，通过控制旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态和控制透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，图像传感器采集经过旋光装置和透镜装置的光线并获得多个图像，图像处理器根据所述多个图像获得偏振图像信息，得到存在部分偏振的目标物体的偏振图像，既不需要使用偏振片，也不需要驱动部件移动，不仅结构简单，操作简便，而且避免了机械移动易引入误差，具有处理效率高、速度快和精度高等特点。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书实施例中阐述，并且，部分地从说明书实施例中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
图1为本发明实施例偏振成像装置的结构示意图；
图2为本发明偏振成像装置第一实施例的结构示意图。
附图标记说明:
10—旋光装置； 11—TN液晶盒； 20—透镜装置；
21—液晶透镜； 22—玻璃透镜； 30—图像传感器；
40—图像处理器； 50—控制器； 51—液晶驱动电路；
52—液晶透镜驱动电路； 53—控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
针对现有偏振图像装置存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷，本申请实施例提供了一种偏振成像装置。图1为本发明实施例偏振成像装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例偏振成像装置的主体结构包括旋光装置10、透镜装置20、图像传感器10、图像处理器40和控制器50，旋光装置10、透镜装置20和图像传感器10沿着来自目标物体的入射光的光线方向依次设置，即旋光装置10设置在目标物体的一侧，透镜装置20设置在旋光装置10远离目标物体一侧，图像传感器30设置在透镜装置20远离目标物体一侧，且均位于入射光的光线上。其中，
旋光装置10，与控制器50连接，用于在控制器50的控制下处于第一旋光状态或第二旋光状态；第二旋光状态的旋光角度与第一旋光状态的旋光角度之差等于90°；
透镜装置20，与控制器50连接，用于在控制器50的控制下处于对焦状态或非对焦状态；
图像传感器30，与控制器50连接，用于在控制器50的控制下采集经过旋光装置10和透镜装置20的光线，获得多个图像；
图像处理器40，与图像传感器30连接，用于从图像传感器30获取多个图像，根据所述多个图像获得偏振图像信息；
控制器50，分别与旋光装置10、透镜装置20和图像传感器30连接，用于控制旋光装置10处于第一旋光状态或第二旋光状态、控制透镜装置20处于对焦状态或非对焦状态、控制图像传感器30采集经过旋光装置10和透镜装置20的光线，获得多个图像；
其中，当旋光装置10处于第一旋光状态时，经过旋光装置10的光线的偏振方向不发生旋转，当旋光装置10处于第二旋光状态时，经过旋光装置10的光线的偏振方向进行90°旋转，即正交旋转。
其中，当透镜装置20处于非对焦状态时，经过透镜装置20的光线没有被调制，当透镜装置20处于对焦状态时，经过透镜装置20的光线的设定方向的偏振分量被调制。
其中，所述多个图像是旋光装置10对入射光进行正交旋转或不进行正交旋转和/或透镜装置20对光线的设定方向的偏振分量进行调制或不进行调制后的图像。
本发明实施中，旋光装置10可以采用扭曲向列型(Twist Nematic，TN)液晶盒，用于对入射光的偏振态进行处理，即正交旋转入射光的偏振方向。其中，第一旋光状态是指TN液晶盒工作在0°旋光状态，第二旋光状态指TN液晶盒工作在90°旋光状态。当TN液晶盒工作在0°旋光状态(第一旋光状态)时，入射光经过TN液晶盒后其偏振方向不发生旋转，当TN液晶盒工作在90°旋光状态(第二旋光状态)时，入射光经过TN液晶盒后其偏振方向进行90°旋转。TN液晶盒包括相对设置的第一基板和第二基板，液晶设置在第一基板与第二基板之间，第一基板上设置有第一电极，第二基板上设置有第二电极，在第一电极和第二电极上施加电压驱动液晶偏转，则TN液晶盒处于90°旋光状态，改变入射光的偏振方向；在第一电极和第二电极上不施加电压，则TN液晶盒处于0°旋光状态，不改变入射光的偏振方向。TN液晶盒改变入射光偏振方向的原理为本领域技术人员所熟知，这里不再赘述。
本发明实施中，透镜装置20可以采用液晶透镜，用于对晶轴方向偏振的光进行调制，即对一个设定方向偏振分量的光进行调制。液晶透镜具有两个状态：对焦状态或非对焦状态，当液晶透镜处于非对焦状态时，液晶透镜对经过旋光装置的光线不进行调制，当液晶透镜处于对焦状态时，液晶透镜对经过旋光装置的光线的设定方向的偏振分量进行调制。液晶透镜包括液晶层、取向层、第一电极、第二电极和电压驱动电路，第一电极、取向层、液晶层、第二电极沿着入射光线方向依次设置。其工作原理是：当电压驱动电路未施加驱动电压时，液晶层的液晶分子沿着取向层的方向排布，入射光的所有偏振方向透过液晶透镜后不改变原来的传播方向，此时状态称之为液晶透镜处于非对焦状态。当电压驱动电路施加驱动电压时，第一电极和第二电极之间产生电场分布使液晶层内液晶分子的排列方向角改变；对于偏振方向垂直于液晶分子取向方向的入射光，液晶层不会改变其传播方向，入射光直接透过；对于偏振方向平行于液晶分子取向方向的入射光，液晶层会改变其传播方向，此时状态称之为液晶透镜处于对焦状态。
实际实施时，考虑到液晶透镜的焦距较大，透镜装置20可以采用液晶透镜和玻璃透镜的组合结构，将液晶透镜与玻璃透镜组合起来实现对设定方向偏振分量的入射光进行调制。
本发明实施例提供了一种偏振成像装置，通过设置旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态和设置透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，图像传感器采集经过旋光装置和透镜装置的光线并获得多个图像，图像处理器根据所述多个图像获得偏振图像信息，得到存在部分偏振的目标物体的偏振图像。本发明实施例偏振成像装置既不需要使用偏振片，也不需要驱动部件移动，不仅结构简单，操作简便，而且避免了机械移动易引入误差，具有处理效率高、速度快和精度高等特点。
基于上述旋光装置和透镜装置的原理，下面通过具体实施例详细说明本发明实施例的技术方案。
第一实施例
图2为本发明偏振成像装置第一实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例偏振成像装置的主体结构包括TN液晶盒11、液晶透镜21、玻璃透镜22、图像传感器30、图像处理器40、TN液晶驱动电路51、液晶透镜驱动电路52和控制电路53。其中，液晶透镜21和玻璃透镜22组成透镜装置，TN液晶驱动电路51、液晶透镜驱动电路52和控制电路53组成控制装置，TN液晶盒11作为旋光装置。其中，
TN液晶驱动电路51，分别与TN液晶盒11和控制电路53连接，用于根据控制电路53发送的控制指令控制TN液晶盒11处于第一旋光状态或第二旋光状态，即控制TN液晶盒11对入射光的偏振态进行正交旋转或不进行正交旋转；
液晶透镜驱动电路52，分别与液晶透镜21和控制电路53连接，用于根据控制电路53发送的控制指令控制液晶透镜21处于对焦状态或非对焦状态，即控制液晶透镜21对光线设定方向的偏振分量进行调制或不进行调制；
图像传感器30，与控制电路53连接，用于根据控制电路53发送的控制指令对经过TN液晶盒11、透镜装置20和玻璃透镜22的光线进行采集，获得多个图像；
图像处理器40，与图像传感器30连接，用于从图像传感器30获取多个图像，根据所述多个图像获得偏振图像信息；
控制电路53，分别与TN液晶驱动电路51、液晶透镜驱动电路52和图像传感器30连接，用于通过发送控制信号分别控制TN液晶驱动电路51、液晶透镜驱动电路52和图像传感器30。
其中，目标物体位于TN液晶盒11的一侧，TN液晶盒11、液晶透镜21、玻璃透镜22和图像传感器30沿着来自目标物体的入射光的光线方向依次设置。实际实施时，玻璃透镜22也可以设置在TN液晶盒11与液晶透镜21之间。
由于来自目标物体的入射光(称之为物光)是自然光，因此物光可以看成是由偏振方向正交的两部分偏振光构成：X方向偏振光和Y方向偏振光，即：I＝Ix+Iy。其中，I表示物光，Ix表示物光X方向偏振光分量，Iy表示物光Y方向偏振光分量。
本实施例中，假设第一方向是X方向，第二方向是Y方向，液晶透镜21中取向层的取向方向设X方向，由于处于对焦状态的液晶透镜只对偏振方向与其取向方向相同的光进行调制，因此液晶透镜21只对入射到液晶透镜的光线的X方向偏振分量进行调制。
首先，控制TN液晶盒11工作在0°旋光状态(第一旋光状态，TN液晶盒11的第一电极和第二电极上未施加电压，也称之为TN液晶盒不工作状态)，控制液晶透镜21处于非对焦状态(液晶透镜的电压驱动电路未施加驱动电压，也称之为液晶透镜不工作状态)。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，经过液晶透镜21时其X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量未受到调制，因而物光的X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量成像于图像传感器，图像传感器30获得的图像是目标物体的原始图像Img0，Img0＝Ix+Iy。
然后，保持TN液晶盒11工作在0°旋光状态，控制液晶透镜21处于对焦状态(液晶透镜的电压驱动电路施加驱动电压，也称之为液晶透镜工作状态)。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，但经过液晶透镜21时，液晶透镜21对物光的X方向偏振分量进行调制，而Y方向偏振分量不被调制，因而被液晶透镜21调制后的X方向偏振分量和物光的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第一图像Img1，Img1＝Ix1+Iy。其中，Ix1表示物光被液晶透镜调制后的X方向偏振分量。
随后，控制TN液晶盒11工作在90°旋光状态(第二旋光状态，TN液晶盒11的第一电极和第二电极上施加电压，也称之为TN液晶盒工作状态)，保持控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光。正交旋转后的光线经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量进行调制，而Y方向偏振分量不被调制，即对物光的Y方向偏振光进行调制，物光的X方向偏振光不被调制，因而物光的X方向偏振光分量和被液晶透镜21调制后的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第二图像Img2，Img2＝Ix+Iy1。其中，Iy1表示物光被液晶透镜调制后的Y方向偏振分量。
这样，通过控制TN液晶盒11对光线的偏振态进行正交旋转或不进行正交旋转、透镜装置20对光线的X方向偏振分量进行调制或不进行调制，使得图像传感器30获得3个图像：原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2。其中，原始图像Img0是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于非对焦状态(对光线不进行调制)的图像；第一图像Img1是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像；第二图像Img2是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像。
图像传感器30获得原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2后，将上述图像发送给图像处理器40，图像处理器40通过对原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2进行处理，获得相应的偏振图像信息。
具体地，图像处理器40对原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2进行处理，获得相应的偏振图像信息，包括：
1、将第一图像Img1与原始图像Img0相减
Img1-Img0＝(Ix1+Iy)–(Ix+Iy)＝Ix1–Ix
(Ix1–Ix)表示物光X方向经过液晶透镜调制的对焦图像减去未经液晶透镜调制的非对焦图像，即物光X方向的偏振图像。
2、将第二图像Img2与原始图像Img0相减
Img2-Img0＝(Ix+Iy1)–(Ix+Iy)＝Iy1–Iy
(Iy1–Iy)表示物光Y方向经过液晶透镜调制的对焦图像减去未经液晶透镜调制的非对焦图像，即物光Y方向的偏振图像。
3、将Img1-Img2的结果与Img2-Img0的结果相加
Img1-Img0+Img2-Img0＝Ix1–Ix+Iy1–Iy
(Ix1–Ix+Iy1–Iy)表示物光完整的偏振图像。
4、将第一图像Img1与第二图像Img2相减
Img1-Img2＝(Ix1+Iy)–(Ix+Iy1)＝Ix1–Ix+Iy1–Iy
当物光为部分偏振光时，其X方向偏振分量与Y方向偏振分量不相等，(Ix1–Ix+Iy1–Iy)表示物光X方向偏振图像与Y方向偏振图像的差。
根据上述说明可以看出，本实施例所提供的偏振成像装置，采用TN液晶盒对物光的偏振态进行或不进行正交旋转(改变物光的偏振方向)，采用液晶透镜对经过正交旋转的光线进行或不进行X方向偏振分量调制，获取三个图像，根据三个图像的简单计算即可获得完整的偏振图像以及两个正交方向的偏振图像，实现了部分偏振光成像，既不需要使用偏振片，也不需要驱动部件移动，不仅结构简单，而且操作简便，且避免了机械移动易引入误差，具有处理效率高、速度快和精度高等特点，有效克服了现有偏振图像获取方式存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
第二实施例
本实施例是前述第一实施例的一种扩展。本实施例偏振成像装置的结构与前述第一实施例相同，如图2所示。与前述第一实施例不同的是，本实施例采用另一种流程获取三个图像。
本实施例中，同样假设液晶透镜中取向层的取向方向设X方向。本实施例获取三个图像的过程如下所述。
首先，控制TN液晶盒11工作在90°旋光状态，控制液晶透镜21处于非对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光。由于经过液晶透镜21时其X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量未受到调制，因而物光的X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量成像于图像传感器，图像传感器30获得的图像是目标物体的原始图像Img0，Img0＝Ix+Iy。
然后，保持TN液晶盒11工作在90°旋光状态，控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光。经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量(即物光的Y方向偏振分量)进行调制，而光线的Y方向偏振分量(即物光的X方向偏振分量)不被调制，因而物光的X方向偏振分量和被液晶透镜21调制后的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第一图像Img1，Img1＝Ix+Iy1。其中，Iy1表示物光被液晶透镜调制后的Y方向偏振分量。
随后，控制TN液晶盒11工作在0°旋光状态，保持控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量进行调制，而Y方向偏振分量不被调制，因而被液晶透镜21调制后的X方向偏振光分量和物光的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第二图像Img2，Img2＝Ix1+Iy。其中，Ix1表示物光被液晶透镜调制后的X方向偏振分量。
这样，通过控制TN液晶盒11对光线的偏振态进行正交旋转或不进行正交旋转、透镜装置20对光线的X方向偏振分量进行调制或不进行调制，使得图像传感器30获得3个图像：原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2。其中，原始图像Img0是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于非对焦状态(对光线不进行调制)的图像；第一图像Img1是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像；第二图像Img2是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像。
最后，图像处理器40对原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2进行处理，获得相应的偏振图像信息，偏振图像信息包括物光X方向的偏振图像、物光Y方向的偏振图像、物光完整的偏振图像以及X方向偏振图像与Y方向偏振图像的差，处理过程与前述第一实施例相同，这里不再赘述。
与前述第一实施例相同，本实施例具有处理效率高、速度快和精度高等特点，有效克服了现有偏振图像获取方式存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
第三实施例
本实施例是前述第一实施例的一种扩展。本实施例偏振成像装置的结构与前述第一实施例相同，如图2所示。与前述第一实施例不同的是，本实施例采用又一种流程获取三个图像。
本实施例中，同样假设液晶透镜中取向层的取向方向设X方向。本实施例获取三个图像的过程如下所述。
首先，控制TN液晶盒11工作在0°旋光状态，控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，但经过液晶透镜21时，液晶透镜21对物光的X方向偏振分量进行调制，而Y方向偏振分量不被调制，因而被液晶透镜21调制后的X方向偏振分量和物光的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第一图像Img1，Img1＝Ix1+Iy。
然后，控制TN液晶盒11工作在90°旋光状态，保持控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光。正交旋转后的光线经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量(即物光的Y方向偏振光)进行调制，而Y方向偏振分量(即物光的X方向偏振光)不被调制，因而物光的X方向偏振光分量和被液晶透镜21调制后的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第二图像Img2，Img2＝Ix+Iy1。
随后，保持TN液晶盒11工作在90°旋光状态，控制液晶透镜21处于非对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光，而光线经过液晶透镜21时其X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量未受到调制，因而物光的X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量成像于图像传感器，图像传感器30获得的图像是目标物体的原始图像Img0，Img0＝Ix+Iy。
这样，通过控制TN液晶盒11对光线的偏振态进行正交旋转或不进行正交旋转、透镜装置20对光线的X方向偏振分量进行调制或不进行调制，使得图像传感器30获得3个图像：原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2。其中，原始图像Img0是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于非对焦状态(对光线不进行调制)的图像；第一图像Img1是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像；第二图像Img2是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像。
最后，图像处理器40对原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2进行处理，获得相应的偏振图像信息，偏振图像信息包括物光X方向的偏振图像、物光Y方向的偏振图像、物光完整的偏振图像以及X方向偏振图像与Y方向偏振图像的差，处理过程与前述第一实施例相同，这里不再赘述。
与前述第一实施例相同，本实施例具有处理效率高、速度快和精度高等特点，有效克服了现有偏振图像获取方式存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
第四实施例
本实施例是前述第一实施例的一种扩展。本实施例偏振成像装置的结构与前述第一实施例相同，如图2所示。与前述第一实施例不同的是，本实施例采用又一种流程获取三个图像。
本实施例中，同样假设液晶透镜中取向层的取向方向设X方向。本实施例获取三个图像的过程如下所述。
首先，控制TN液晶盒11工作在90°旋光状态，控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时，物光的偏振态发生正交旋转，物光的X方向偏振光转换为Y方向偏振光，Y方向偏振光转换为X方向偏振光。经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量(即物光的Y方向偏振分量)进行调制，而光线的Y方向偏振分量(即物光的X方向偏振分量)不被调制，因而物光的X方向偏振分量和被液晶透镜21调制后的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第一图像Img1，Img1＝Ix+Iy1。
然后，控制TN液晶盒11工作在0°旋光状态，保持控制液晶透镜21处于对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，经过液晶透镜21时，液晶透镜21对光线的X方向偏振分量进行调制，而Y方向偏振分量不被调制，因而被液晶透镜21调制后的X方向偏振光分量和物光的Y方向偏振分量成像于图像传感器，图像传感器30获得第二图像Img2，Img2＝Ix1+Iy。其中，Ix1表示物光被液晶透镜调制后的X方向偏振分量。
随后，保持TN液晶盒11工作在0°旋光状态，控制液晶透镜21处于非对焦状态。此时，物光经过TN液晶盒11时其偏振态不发生改变，经过液晶透镜21时其X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量未受到调制，因而物光的X方向偏振光分量和Y方向偏振光分量成像于图像传感器，图像传感器30获得的图像是目标物体的原始图像Img0，Img0＝Ix+Iy。
这样，通过控制TN液晶盒11对光线的偏振态进行正交旋转或不进行正交旋转、透镜装置20对光线的X方向偏振分量进行调制或不进行调制，使得图像传感器30获得3个图像：原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2。其中，原始图像Img0是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于非对焦状态(对光线不进行调制)的图像；第一图像Img1是TN液晶盒11处于90°旋光状态(对物光进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像；第二图像Img2是TN液晶盒11处于0°旋光状态(对物光不进行正交旋转)、透镜装置20处于对焦状态(对光线进行调制)的图像。
最后，图像处理器40对原始图像Img0、第一图像Img1和第二图像Img2进行处理，获得相应的偏振图像信息，偏振图像信息包括物光X方向的偏振图像、物光Y方向的偏振图像、物光完整的偏振图像以及X方向偏振图像与Y方向偏振图像的差，处理过程与前述第一实施例相同，这里不再赘述。
与前述第一实施例相同，本实施例具有处理效率高、速度快和精度高等特点，有效克服了现有偏振图像获取方式存在的处理效率低、速度慢和误差大等缺陷。
第五实施例
基于前述实施例的技术构思和偏振成像装置的系统架构，本发明实施例提供了一种偏振成像方法。本发明实施例振成像方法中，沿着入射光的光线方向依次设置有旋光装置、透镜装置和图像传感器，所述方法包括：
S1、控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；所述第二旋光状态的旋光角度与第一旋光状态的旋光角度之差等于90°；
S2、根据所述多个图像获得偏振图像信息。
其中，所述旋光装置包括扭曲向列型液晶盒；当所述扭曲向列型液晶盒处于第一旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向不发生旋转，当所述TN液晶盒处于第二旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向进行90°旋转；所述透镜装置包括液晶透镜；当所述液晶透镜处于非对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线没有被调制，当所述液晶透镜处于对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线的设定方向的偏振分量被调制。
在一个实施例中，步骤S1包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
在另一个实施例中，步骤S1包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
在又一个实施例中，步骤S1包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
在又一个实施例中，步骤S1包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
其中，步骤S2包括：
将所述第一图像与原始图像相减，获得第一方向的偏振图像；或者，
将所述第二图像与原始图像相减，获得第二方向的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相加，得到完整的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相减，得到第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差；
其中，第一方向与第二方向垂直。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序请求实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序请求到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程信息处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程信息处理设备的处理器执行的请求产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序请求也可存储在能引导计算机或其他可编程信息处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的请求产生包括请求装置的制造品，该请求装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序请求也可装载到计算机或其他可编程信息处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的请求提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种偏振成像装置，其特征在于，包括沿着入射光的光线方向依次设置的旋光装置、透镜装置和图像传感器，还包括图像处理器和控制器，其中，
控制器，分别与所述旋光装置、透镜装置和图像传感器连接，用于控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态、控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态、控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；所述旋光装置处于第一旋光状态时，经过所述旋光装置的自然光线的偏振方向不发生旋转，所述旋光装置处于第二旋光状态时，经过所述旋光装置的自然光线的偏振方向进行90°旋转；所述多个图像包括：所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时所述图像传感器获得的目标物体的原始图像，或者，所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的目标物体的原始图像；
图像处理器，与所述图像传感器连接，用于根据所述多个图像获得偏振图像信息。
2.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，
所述旋光装置包括扭曲向列型液晶盒；当所述扭曲向列型液晶盒处于第一旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向不发生旋转，当所述扭曲向列型液晶盒处于第二旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向进行90°旋转；
所述透镜装置包括液晶透镜；当所述液晶透镜处于非对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线没有被调制，当所述液晶透镜处于对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线的设定方向的偏振分量被调制。
3.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
4.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
5.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
6.根据权利要求1所述的偏振成像装置，其特征在于，所述多个图像包括：
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的原始图像；
所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第一图像；
所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于对焦状态时，所述图像传感器获得的第二图像。
7.根据权利要求3～6任一所述的偏振成像装置，其特征在于，所述偏振图像信息包括第一方向的偏振图像、第二方向的偏振图像、完整的偏振图像、或者第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差，第一方向与第二方向垂直，其中，
第一方向的偏振图像＝第一图像-原始图像；
第二方向的偏振图像＝第二图像-原始图像；
目标物体的偏振图像＝第一图像与原始图像相减的结果+第二图像与原始图像相减的结果；
第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差＝第一图像与原始图像相减的结果-第二图像与原始图像相减的结果。
8.一种偏振成像方法，其特征在于，沿着入射光的光线方向依次设置有旋光装置、透镜装置和图像传感器，所述方法包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像；所述旋光装置处于第一旋光状态时，经过所述旋光装置的自然光线的偏振方向不发生旋转，所述旋光装置处于第二旋光状态时，经过所述旋光装置的自然光线的偏振方向进行90°旋转；所述多个图像包括：所述旋光装置处于第一旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时所述图像传感器获得的目标物体的原始图像，或者，所述旋光装置处于第二旋光状态、液晶透镜处于非对焦状态时，所述图像传感器获得的目标物体的原始图像；
根据所述多个图像获得偏振图像信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述旋光装置包括扭曲向列型液晶盒；当所述扭曲向列型液晶盒处于第一旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向不发生旋转，当所述扭曲向列型液晶盒处于第二旋光状态时，经过所述扭曲向列型液晶盒的光线的偏振方向进行90°旋转；
所述透镜装置包括液晶透镜；当所述液晶透镜处于非对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线没有被调制，当所述液晶透镜处于对焦状态时，经过所述液晶透镜的光线的设定方向的偏振分量被调制。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制所述旋光装置处于第一旋光状态或第二旋光状态，控制所述透镜装置处于对焦状态或非对焦状态，控制所述图像传感器采集经过所述旋光装置和透镜装置的光线，获得多个图像，包括：
控制所述旋光装置处于第二旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第一图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于对焦状态，控制所述图像传感器获得第二图像；
控制所述旋光装置处于第一旋光状态、所述液晶透镜处于非对焦状态，控制所述图像传感器获得原始图像。
14.根据权利要求10～13任一所述的方法，其特征在于，根据所述多个图像获得偏振图像信息，包括：
将所述第一图像与原始图像相减，获得第一方向的偏振图像；或者，
将所述第二图像与原始图像相减，获得第二方向的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相加，得到完整的偏振图像；或者，
将所述第一图像与原始图像相减的结果与将所述第二图像与原始图像相减的结果相减，得到第一方向偏振图像与第二方向偏振图像的差；
其中，第一方向与第二方向垂直。
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