CN110543028B - 一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，采用多个3×3像元构成部分叠加重复的偏振阵列，每个偏振阵列包括9个偏振单元，分别对应中心的1个无偏振单元和周围的4个偏振方向的8个偏振单元；4个偏振方向为0°、45°、90°和135°，每个偏振方向对应为重复的两个偏振单元。本发明设计思想上抛开超像元的概念，取相邻单元的偏振信息做加权平均作为自身的偏振信息，信息准确度较高，且无偏振单元的存在使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光‑偏振探测功能；大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低、易于实现器件集成等优点。

Description

一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构

技术领域

本发明涉及一种实时偏振成像阵列结构，属于偏振成像探测技术领域。

背景技术

随着微光夜视技术的发展和其应用领域的不断拓展，对于高性能的微光夜视探测的需求越来越大，不但对探测灵敏度提出更高的要求，微光偏振成像探测作为极限灵敏度偏振成像测量技术，也越来越多地得到人们的关注。由于偏振是电磁波的重要特征，偏振是光除了波长、振幅、相位以外的又一重要属性。物质因其自身属性不同会具有不同的偏振特性(会产生其自身性质决定的特征偏振)，也就是说物质因其自身属性不同会具有不同的偏振特性，如表面特性、粗糙度、阴影和外形等等。偏振成像探测技术与强度成像、光谱成像、红外辐射成像等技术相比，具有独特的优势：除了获取传统成像信息外，还能够额外获取偏振多维信息。有效利用偏振矢量信息，就可以增强图像对比度，提高信噪比，从而可以改善目标探测成像的质量、提高探测精度。

电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，简称EMCCD)，是一种新型的全固态微光成像CCD，也称作可控电荷CCD，与传统CCD探测器的主要区别在于在读出寄存器和输出放大器间嵌入了倍增寄存器以实现电子增益。该探测器为强度探测，对于偏振并不敏感。为了实现偏振选择性探测，通常需要在探测器前额外加上一个偏振分束器或独立偏振起偏器探测，但该方法需要通过机械旋转，不能实时地获得入射光的偏振特性。随着分焦平面偏振成像与亚波长偏振光栅研究工作的进展，为了方便实时偏振探测，可将偏振片集成在探测器像元的表面。

分焦平面偏振探测器是指把不同偏振方向上的微偏振片集成到焦平面上，其中微偏阵片的间距与像元间距相匹配，不同像元探测不同偏振方向。其中引入超像元概念，即物理意义上的四个2*2像元组成一个超像元，其中超像元中的4个子像元同时探测不同偏振方向上信息，然后通过计算得到超像元对应的Stokes参数。但是目前大多数分焦平面偏振探测器只探测线偏振光信息。分焦平面偏振探测器能实现不同偏振方向同时探测，且探测器光路结构紧凑，容易对准。但是对于每个超像元，其中4个子像元之间成像时会产生一个像元的对准误差，这可以通过算法处理解决。同样，分焦平面偏振探测也降低了探测器的空间分辨率。

分焦平面偏振探测器的成像原理和彩色成像传感器类似，都使用了Bayer模型。对于彩色成像传感器，滤光膜直接生长在焦平面的不同像元上。这些像元按照Bayer模型排列，形成了以2*2最小重复单元的超像元，从而显示可见光所有波段的探测。对于分焦平面偏振探测器，按照微偏振片分布方式的不同，主要有两种类型的探测模式。第一种探测模式，其超像元是由一个0°偏振方向、一个45°偏振方向、两个无偏振像元组成。第二种探测模式，其超像元是由四个偏振方向组成，分别是：0°，45°，90°，135°。两种方式都能完全获得Stokes矢量前3个参数，但第一种模式对于S₀的提取有更高信噪比，而第二种模式对于S₁和S₂的提取有更高信噪比。通过对Stokes参数的计算，便可以获得线偏振度和偏振角图像。

发明内容

本发明的目的是根据现有EMCCD微光成像器件的特点和工作原理，提供一种实现满足微光成像实时偏振成像阵列结构设计，以解决现有技术中存在的在微弱光照射情况下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。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，

采用多个3×3像元构成部分叠加重复的偏振阵列，每个偏振阵列包括9个偏振单元，分别对应中心的1个无偏振单元和周围的4个偏振方向的8个偏振单元；

4个偏振方向为0°、45°、90°和135°，每个偏振方向对应为重复的两个偏振单元。

进一步地，周围的4个偏振方向的8个偏振单元以中心的1个无偏振单元为中心呈中心对称分布阵列。

进一步地，对于无偏振单元，可采用周围的8个偏振单元的光强计算得到其偏振信息。

进一步地，偏振方向0°、45°、90°、135°的光强分别由下式表示：

其中，P₁、P₂、P₃、P₄、P₆、P₇、P₈、P₉分别为除中心的无偏振单元以外顺序排列的各偏振单元对应接收的光强。

进一步地，根据Stokes矢量定义，像元的光的偏振态由下式表示：

式中，S₀为总光强，直接用无偏振单元探测输出的光强P₅作为总光强；S₁为水平偏振方向的光强分量I₀和垂直偏振方向的光强分量I₉₀之差；S₂为偏振方向45°的光强分量I₄₅与偏振方向135°的光强分量I₁₃₅之差。

进一步地，根据偏振态的Stokes向量S₀、S₁和S₂，得出每个像元的线偏振度DoP及偏振角AoP，进而进行偏振成像。

进一步地，线偏振度为：

进一步地，偏振角为：

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明提出3×3的偏振阵列结构，并加入无偏振单元的结构，设计思想上也抛开超像元的概念，取相邻单元的偏振信息做加权平均作为自身的偏振信息，信息准确度较高，且无偏振单元的存在使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光-偏振探测功能。

2、本发明提出3×3的偏振阵列结构，由于偏振信息来源具有对称性，引入的误差较小，与传统四元超像元计算方式相比，该方法不会降低器件的成像分辨率。

3、本发明了提出的偏振阵列结构除了满足微光偏振成像的需要，大幅提高对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低、易于实现器件集成等优点。

附图说明

图1为四个偏振方向的单元阵列设计图。

图2为九个偏振方向的阵列设计图。

图3为四个偏振方向加无偏振单元的阵列设计图。

图4为偏振单元计算划分示意图。

图5为四个偏振方向的单元阵列设计偏振度图像。

图6为四个偏振方向加无偏振单元的阵列设计偏振度图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

对于偏振成像的解算过程，通常利用当前像元及其周围像元的响应直接或间接得到该像元对不同方向的偏振分量或偏振态，进而解算出偏振信息，完成偏振成像解算。微纳偏振光栅单元集成于成像器件表面，每个光敏单元均对应一个偏振单元，为实现光敏单元对不同方向偏振光的探测，设计了图1～图3的偏振阵列方案。

第一种技术方案如下：为了实现分焦平面偏振成像，采用一个2×2偏振单元阵列组成一个超像元，如图1所示。该面阵由4个偏振单元组成，分别对应0°、45°、90°、135°四个偏振方向，以满足Stokes矢量相关参数的获取。

进一步在四个偏振单元之间，设计了一定宽度的金属光栅作为隔离，避免相邻像元之间的串扰。与此同时隔离光栅的存在，也会导致像元透过率的降低。此外，以超像元1/4面积区域的偏振信息作为整个超像元某角度的偏振信息，也存在一定的误差。

第二种技术方案如下：为了进一步提升偏振态的数量，在第一种方案的基础上，设计了3×3偏振阵列如图2所示，每个偏振阵列包括9个偏振单元，分别对应0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°和160°共9个偏振方向。这种阵列结构有利于提升偏振信息的获取的准确度。但由于微光成像时，光的强度极微弱，不利于偏振成像，因此要在第二种方案中加入白光通道，即无偏振的单元。

进一步由于偏振方向的增多，提升了阵列的复杂度和工艺制备难度，输出图像的分辨率也下降了，因此要减少偏振态的数量。

第三种技术方案如下：在保留第二种技术方案3×3偏振阵列设计的基础上，抛开了超像元的设计理念，并采用无偏振的单元设计，增强集成偏振器件对微光的响应，具体偏振阵列结构如图3所示。让3×3个像元构成重复单元，每个重复单元包含4个偏振方向(0°、45°、90°、135°，每个方向两个)和1个无偏振单元。其中对于像元P5，虽然其本身是无偏振的，但可以采用相邻单元的偏振信息加权平均作为P5的偏振信息，由于偏振信息来源具有对称性，故误差较小。采用这种阵列，每个像元都可以输出偏振信息，分辨率不会降低。

以下针对以上三种技术方案的偏振度和偏振角的解算过程进行描述。

偏振光的描述方式包括琼斯矢量、Stokes矢量(斯托克斯矢量)和三维矢量等，琼斯矢量和三维矢量都是基于光偏振振幅的表示方法，不便于描述部分偏振光和非偏振光。而自然界中辐射或反射光大多数为部分偏振光，Stokes矢量是基于光强度的表示方法，可描述偏振光、部分偏振光与非偏振光，故偏振成像探测中适宜采用Stokes矢量来描述其偏振态。

Stokes矢量描述法是用四个参量来描述光的偏振态，这四个参量都是强度的时间平均值，便于用各种探测设备或者成像设备直接或间接测量得到。根据Stokes矢量的定义，光的偏振态可由下式表示：

式中S₀为总光强；S₁为水平偏振方向的光强分量I₀和垂直偏振方向的光强分量I₉₀之差；S₂为偏振方向45°的光强分量I₄₅与偏振方向135°的光强分量I₁₃₅之差；S₃为左旋偏振光的光强分量I_L和右旋偏振光的光强分量I_R之差。

在偏振探测中，圆偏振分量与线偏振分量相比很小，可以不考虑圆偏振分量，且本申请研究的偏振阵列为线偏振，故光的偏振态可由下式表示

对于第二种技术方案中采用0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°和160°共9个偏振方向光的偏振态，根据Stokes矢量的定义，相应的偏振态由下式表示：

式中，θ_i表示9个偏振方向，I(θ_i)则表示每个偏振方向像素接受的光强，计算复杂，难度大。

对于第三种技术方案图3所示的偏振阵列结构，分别用无偏振像元周围的偏振单元的光强计算得到中间P5的偏振信息，其0°、45°、90°、135°几个方向的光强可由下式表示。

对于方案三，其中P₁～P₉为图3所示中各像素接收的光强，计算单元的划分如图4所示，中心像元的偏振信息通过中心像元与周围8个像元综合计算，图4中A1，A2，A3，A4为划分的计算单元示意。则图3中P₅的Stokes向量可由下式解出，在这里不再是用I₀+I₉₀作为总光强，而直接用无偏振单元探测输出的光强P₅作为总光强，信息准确度更高。

只要获得了线偏振的Stokes向量S₀、S₁和S₂，即可得出每个像元的线偏振度DoP及偏振角AoP，进而进行偏振成像。

由此可知，无论是采用第一种技术方案4个偏振方向的设计，还是采用第二种技术方案9个偏振方向，又或者采用第三种技术方案4个偏振方向加无偏振的设计，都能获取完备的线偏振Stokes信息，进而进行偏振成像。4个偏振方向的设计在于结构更简单，制备难度低。9个偏振方向的设计在于获得的Stokes信息更为精确。第三种技术方案4个偏振方向加无偏振的设计更加合理，不但满足了微光成像的要求，同时在保证Stokes信息准确度的情况下也降低了制备的难度。在一实施例中应用第一种技术方案和第三种技术方案的偏振度图像分别如图5、图6所示。从图中也可明显看出第三种技术方案偏振度图要明显好于第一种技术方案偏振度图，细节信息更丰富。

本发明提出3×3的偏振阵列结构，并加入无偏振单元的结构，设计思想上也抛开超像元的概念，取相邻单元的偏振信息做加权平均作为自身的偏振信息，信息准确度较高，且无偏振单元的存在使得器件的最低工作照度不被降低，器件同时具备微光-偏振探测功能。大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外，还具有加工难度低、成本低、易于实现器件集成等优点。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，其特征是，

采用多个3×3像元构成部分叠加重复的偏振阵列，每个偏振阵列包括9个偏振单元，分别对应中心的1个无偏振单元和周围的4个偏振方向的8个偏振单元；

4个偏振方向为0°、45°、90°和135°，每个偏振方向对应为重复的两个偏振单元；

周围的4个偏振方向的8个偏振单元以中心的1个无偏振单元为中心呈中心对称分布阵列；

对于无偏振单元，采用周围的8个偏振单元的光强计算得到其偏振信息；

偏振方向0°、45°、90°、135°的光强分别由下式表示：

其中，P₁、P₉分别为偏振方向为135°的偏振单元对应接收的光强；P₂、P₈分别为偏振方向为45°的偏振单元对应接收的光强；P₃、P₇分别为偏振方向为90°的偏振单元对应接收的光强；P₄、P₆分别为偏振方向为0°的偏振单元对应接收的光强；

根据Stokes矢量定义，像元的光的偏振态由下式表示：

式中，S₀为总光强，直接用无偏振单元探测输出的光强P₅作为总光强；S₁为水平偏振方向的光强分量I₀和垂直偏振方向的光强分量I₉₀之差；S₂为偏振方向45°的光强分量I₄₅与偏振方向135°的光强分量I₁₃₅之差。

2.根据权利要求1所述的一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，其特征是，根据偏振态的Stokes矢量S₀、S₁和S₂，得出每个像元的线偏振度DoP及偏振角AoP，进而进行偏振成像。

3.根据权利要求2所述的一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，其特征是，线偏振度为：

4.根据权利要求2所述的一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构，其特征是，偏振角为：

Images