CN115077706A - 一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法，属于偏振成像器件和偏振图像处理及显示技术领域。发明了一种像素阵列结构，结构中相邻的三个像素，以正反三角形形状排布；在此结构上设置偏振滤光阵列，偏振滤光阵列与像素阵列中的子像素对应；偏振滤光阵列中相邻三个不同偏振方向滤光单元按规律周期性分布。发明了适用于本偏振成像像素阵列的图像重构方法，通过超像素单元中的三个像素灰度值计算三角形顶点像素的偏振Stokes参量，对偏振阵列中每个像素遍历逐一进行计算，即可获得三幅全分辨率的偏振参量图像。本发明比现有的以4个像素为超像素单元排列更加紧密，解决了现有重构方法由于像素插值带来的分辨率降低的问题。

Description

一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法

技术领域

本发明属于偏振成像器件和偏振图像处理及显示技术领域，尤其涉及一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法。

背景技术

在偏振成像传感器中，焦平面偏振仪分割(DoFP)是一种常见的类型。由于纳米制造技术的发展以及时间同步的优势，DoFP传感器在获取实时偏振图像方面得到了广泛的关注和应用。如下图所示，DoFP传感器的关键部件是焦平面阵列(FPA)，其中每四个偏振滤波器分别采集方向为0°，45°，90°和135°的偏振光，形成一个2×2的超像素单元。这些具有周期性的超像素被排布在焦平面上，使得DoFP传感器可以同时获得四个方向的偏振图像，如图1所示。

然而，由于每个偏振滤波器只能采集到相应的偏振方向的强度信息，DoFP传感器的输出图像是单一偏振滤波器的4倍，导致空间分辨率的损失，因此，在获得DoFP传感器的输出图像后会通过插值等方法来填补缺失像素以同时获得不同偏振状态的强度图像。这一处理方式的目的是获取代表四个偏振通道的全分辨率图像。

按照偏振探测中的计算原理实际仅获得目标光源在三个方向上的偏振强度参数即可，然而，上述的偏振式图像传感器中，大多均以每4个像素为超级单元进行成像，造成排布密度较小的现象。此外，在获得焦平面偏振图像后，通常采用插值方法得到的四个偏振通道的强度图像，造成分辨率较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法，能够用以解决现有的焦平面偏振成像像素阵列排布密度较小问题，及对已获取的焦平面偏振图像进行处理，避免由插值引起的像素误差，从而获得全分辨率的偏振Stokes参量图像。

为实现上述目的，本发明的一种焦平面偏振成像阵列结构及其偏振参量图像重构方法的具体技术方案如下：

一种焦平面偏振成像像素阵列结构，包括图像传感器像素阵列结构上设置偏振滤光阵列，如图2；

图像传感器像素阵列由多个正方形的像素单元构成，相邻的三个像素单元构成正反交替分布的第一三角形，每一第一三角形构成一个超像素单元，相邻的两个像素单元同时共用两个子像素，如图3；

偏振滤光阵列由多个正方形的偏振滤光单元构成，相邻的三个偏振滤光单元构成正反交替分布的第二三角形，每一第二三角形构成一个超滤光单元，如图4；

每一个像素单元与每一偏振滤光单元一一对应，超滤光单元与超像素单元排布方式一致；

每一个超滤光单元上的三个偏振滤光单元偏振方向不同，用于采集不同偏振方向的光信号。

进一步，图像传感器像素阵列的相邻行之间相差一个像素单元尺寸的1/2进行错位排列，且相间两行的像素单元排布方式相同。

进一步，偏振滤光阵列的相邻行之间相差一个偏振滤光单元尺寸的1/2进行错位排列，上述偏振滤光单元的排列方式是以每相邻三个像素为一周期，按顺序依次排布；其中，相邻两行的排列方式刚好相差一个子像素，每间隔一行的两行偏振滤光单元排列方式相同，如图4，每一个图像传感器像素阵列单元上对应贴上(或刻划)不同方向的偏振滤光单元，利用已设定的不同方向的偏振滤光单元(a，b，c)，得到特定方向的偏振光信号。

进一步，第一三角形和第二三角形均为等边三角形。

本发明还提供了一种应用焦平面偏振成像像素阵列结构的图像像素重构方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

以超像素单元像素中的三个灰度值I_a，I_b，I_c，计算偏振Stokes矢量的S₀，S₁，S₂参量，将这三个参量值作为此正三角形顶点处像素的偏振参量；

将此包含三个偏振方向的三角形区域作为一个滑动窗口(图5，灰色三个像素就是滑动窗口)，在整个像素阵列(不考虑阵列边界处的像素)上，让滑动窗口以一个像素大小为步长，依次从左至右，从上到下，遍历滑过像素阵列上的每一个像素；

即可计算出每一个像素的Stokes参量，从而得到像素矩阵的全分辨率偏振Stokes参量图像，即得到S₀，S₁，S₂三幅全分辨率偏振图像。

进一步，具体描述偏振Stokes矢量计算如下：

当三角形偏振滤光单元按a，b，c偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝2I₀-S₁cos2a-S₂sin2a (3)

其中，S₀，S₁，S₂分别为像素的三个偏振产量，I_a，I_b，I_c分别为超像素单元中三个像素的灰度值；

最后，利用公式(1)、(2)和(3)依次对焦平面偏振像素阵列中的每个超像素单元像素进行计算，以获得三个全分辨偏振参量图像；

例如，当三角形偏振滤光单元按0°，45°，90°偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝I₀+I₉₀；

S₁＝I₀-I₉₀；

S₂＝2I₄₅+S₀；

其中，I₀，I₄₅，I₉₀分别为超像素单元中三个像素的灰度值。

当三角形偏振滤光单元按0°，60°，120°偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝2(I₀+I₆₀+I₁₂₀)/3；

S₁＝2(2I₀-I₆₀-I₁₂₀)/3；

S₂＝2(I₀-I₁₂₀)/3；

其中，I₀，I₆₀，I₁₂₀分别为超像素单元中三个像素的灰度值。

最后，利用公式(1)、(2)和(3)，依次对焦平面偏振像素阵列中的每个像素进行计算，以获得三个全分辨偏振参量图像。

本发明的焦平面偏振成像器件像素阵列排布及图像像素重构方法具有以下优点：本发明实施例提供的一种焦平面偏振像素阵列结构及焦平面偏振图像像素重构方法，该像素结构中的子像素由边长相等的正方形按一定的规律排布为三角形状态，并在成像阵列的像素上对应有规律的贴上三种不同方向的偏振滤光片，以每三个子像素构成一个超像素单元。由于每个偏振像素记录了三分之一的偏振测量，因此，这一焦平面偏振像素阵列结构的空间分辨率提高。每个超像素单元均由正反三角形交替排列、且任意超像素单元与其相邻超像素单元共用两个不同方向的偏振子像素，该偏振像素结构的排列方式具有重复性，进而提高了每个像素的利用率和不同方向间的相关性。本发明实施例提供了一种针对本发明中焦平面偏振成像像素阵列结构的像素重构方法，某一偏振方向子像素与相邻像素构成一个呈三角形的超像素单元，利用超像素单元中的三个像素灰度值来计算其中每一个像素的偏振Stokes参量。依次对偏振阵列中每个像素逐一进行计算，得到全分辨率的S₀，S₁，S₂偏振图像。

附图说明

图1为背景技术中提及的偏振图像。

图2为本申请提出的一种焦平面偏振像素阵列结构示意图(图中a、b、c为不同方向的偏振滤光片)。

图3为本申请第一实施例提供的图像传感器像素阵列结构及相邻的六个像素单元组成一个正六边形结构示意图。

图4为本申请第二实施例中焦平面偏振像素阵列结构示意图(图中a、b、c为不同方向的偏振滤光片)。

图5为一种焦平面偏振成像像素重构方法的概要(正三角形三个像素灰度计算的三个偏振参量值作为501的值)。

图中标记说明：201、图像传感器像素阵列；202、偏振滤光阵列；301-303、像素单元；304-305、超像素单元；401-403、偏振滤光单元；404-405、超滤光单元；501-503、一个超像素单元中的像素。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种焦平面偏振成像器件像素阵列排布及图像像素重构方法做进一步详细的描述。

如图2-图5所示，本发明提出一种分焦平面偏振成像像素阵列结构及其偏振图像重构方法，提出每相邻两行像素相差1/2像素尺寸的错位排列方式，构成三角结构超像素单元，比现有4个像素为超像素单元排列更加紧密；提出偏振图像重构方法，解决现有重构方法由于像素插值带来的分辨率降低的问题，获得全分辨率的偏振Stokes参量图像。

本发明主要涉及两部分内容，第一部分是为了保证得到高质量、高分辨率的焦平面偏振图像，发明了一种像素阵列结构，该结构中相邻的三个像素，以正反三角形形状排布；在此像素阵列结构上按一定规律周期性在每一个像素上贴上不同方向的偏振片，构成微偏振阵列。第二部分，发明了适用于本偏振成像像素阵列的偏振图像像素重构方法，通过构成三角结构超像素单元中的三个像素灰度值来计算三角形顶点像素的偏振Stokes参量。对偏振阵列中每个像素逐一进行计算，即可获得三幅全分辨率的S₀，S₁，S₂偏振参量图像。

本申请实施例提供了一种焦平面偏振成像像素阵列结构，图像传感器像素阵列201及其上方设置的偏振滤光阵列202，每一个图像传感器像素阵列201与偏振滤光阵列202一一对应，如图2；

在成像器件中，像素结构是传感器的重要组成部分。此外，在成像过程中，每个像素点不是独立存在的，而是彼此相关联的。像素间的关联度受像素结构排布的影响，且这一指标将会直接影响到后续的图像信息处理。

为了保证图像传感器中像素间有较强的关联度，本申请实施例提供了一种图像传感器中的像素结构，所述图像传感器像素阵列201由多个正方形的像素单元301，302，303构成，相邻的三个像素单元301，302，303构成正反交替分布的第一三角形，每一第一三角形构成一个超像素单元304，305，如图3；偏振滤光阵列202由多个正方形的偏振滤光单元401，402，403构成，相邻的三个偏振滤光单元401，402，403构成正反交替分布的第二三角形，每一第二三角形构成一个超滤光单元404，405，且超滤光单元404，405与超像素单元304，305排布方式一致，如图4；

每一个超滤光单元404，405上的三个偏振滤光单元401，402，403偏振方向不同，用于采集不同偏振方向的光信号。

在本实施方式中，图像传感器像素阵列201的相邻行之间相差一个像素单元尺寸的1/2进行错位排列，且相间两行的像素单元排布方式相同。

基于上述的像素阵列结构，本发明实施例依次在图像传感器像素阵列201上贴上不同方向的偏振滤光片，其整体示意图如图4所示，已知三个方向的偏振强度，就可以计算相应的偏振特性。在图3中所示的每个正反三角形中均贴上不同三个方向的偏振滤光片以组成一个焦平面结构，即形成的焦平面偏振结构中每个不同子像素能够同时接受不同偏振方向的偏振光信号。

在本实施方式中，偏振滤光阵列202的相邻行之间相差一个偏振滤光单元尺寸的1/2进行错位排列，上述偏振滤光单元的排列方式是以每相邻三个像素为一周期，按顺序依次排布；其中，相邻两行的排列方式刚好相差一个子像素，每间隔一行的两行偏振滤光单元排列方式相同，图4，每一个偏振滤光单元上对应贴上或刻划不同方向的偏振滤光单元，利用已设定的不同方向的偏振滤光单元a，b，c，得到特定方向的偏振光信号。

在本实施方式中，超滤光单元404，405的三角形结构上的三个偏振滤光单元401，402，403的偏振方向不同，分别标记为a，b，c，如图5，将每一偏振滤光单元401，402，403对应a，b，c偏振方向的像素灰度值标记为I_a，I_b，I_c。

在本实施方式中，偏振方向a，b，c分别为0°，45°，90°时，每个超像素单元404，405会获得三个不同偏振方向的像素灰度值I₀，I₄₅，I₉₀。

在本实施方式中，偏振方向a，b，c为0°，60°，120°时，每个超像素单元404，405会获得三个不同偏振方向的像素灰度值I₀，I₆₀，I₁₂₀。

在本实施方式中，第一三角形和第二三角形均为等边三角形。

一种应用焦平面偏振成像像素阵列结构的图像像素重构方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，图5是一种基于焦平面偏振图像像素重构方法的概要：

我们以超像素单元中三个像素501，502，503的灰度值I_a，I_b，I_c计算偏振Stokes矢量的S₀，S₁，S₂参量，将这三个参量值作为此正三角形顶点处像素501的偏振参量；

将此包含三个偏振方向的三角形区域作为一个滑动窗口图5，灰色三个像素就是滑动窗口，在整个像素阵列不考虑阵列边界处的像素上，让滑动窗口以一个像素大小为步长，依次从左至右，从上到下，遍历滑过像素阵列中的每一个像素；

即可计算出每一个像素的Stokes参量，从而得到像素矩阵的全分辨率偏振Stokes参量图像，即得到S₀，S₁，S₂三幅全分辨率偏振图像。

在本实施方式中，具体描述偏振Stokes矢量计算如下：

当三角形偏振滤光单元按a，b，c偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝2I_a-S₁cos2a-S₂sin2a (3)

其中，S₀，S₁，S₂分别为像素501的三个偏振产量，I_a，I_b，I_c分别为超像素单元中像素501，502，503的灰度值；

例如，当三角形偏振滤光单元按0°，45°，90°偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝I₀+I₉₀；

S₁＝I₀-I₉₀；

S₂＝2I₄₅+S₀；

其中，I₀，I₄₅，I₉₀分别为超像素单元中三个像素的灰度值。

当三角形偏振滤光单元按0°，60°，120°偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝2(I₀+I₆₀+I₁₂₀)/3；

S₁＝2(2I₀-I₆₀-I₁₂₀)/3；

S₂＝2(I₀-I₁₂₀)/3；

其中，I₀，I₆₀，I₁₂₀分别为超像素单元中三个像素的灰度值。

最后，利用公式(1)、(2)和(3)依次对焦平面偏振像素阵列中的每个像素进行计算，以获得三个全分辨偏振参量图像。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种焦平面偏振成像阵列结构，其特征在于，包括图像传感器像素阵列(201)及其上方设置的偏振滤光阵列(202)；

图像传感器像素阵列(201)由多个像素单元构成，相邻的三个像素单元(301，302，303)构成正反交替分布的第一三角形，每一第一三角形构成一个超像素单元(304，305)；

偏振滤光阵列(202)由多个偏振滤光单元构成，相邻的三个偏振滤光单元(401，402，403)构成正反交替分布的第二三角形，每一第二三角形构成一个超滤光单元(404，405)；

每一个像素单元(301，302，303)与每一偏振滤光单元(401，402，403)一一对应，超滤光单元(404，405)与超像素单元(304，305)排布方式一致；

每一个超滤光单元(404，405)上的三个偏振滤光单元(401，402，403)偏振方向不同，用于采集不同偏振方向的光信号。

2.根据权利要求1所述的焦平面偏振成像阵列结构，其特征在于，图像传感器像素阵列(201)的相邻行之间相差一个像素单元尺寸的1/2进行错位排列，且相间两行的像素单元排布方式相同。

3.根据权利要求1所述的焦平面偏振成像阵列结构，其特征在于，超滤光单元(404，405)的三角形结构上的三个偏振滤光单元(401，402，403)的偏振方向不同，分别标记为a，b，c，将每一偏振滤光单元(401，402，403)对应a，b，c偏振方向的像素灰度值标记为I_a，I_b，I_c。

4.根据权利要求3所述的焦平面偏振成像阵列结构，其特征在于，a＝0°，b＝45°或60°，c＝90°或120°。

5.一种应用如权利要求1-4中任意一项所述的焦平面偏振成像阵列结构的偏振参量图像重构方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

以超像素单元中的三个像素(501，502，503)的灰度值I_a，I_b，I_c，计算偏振Stokes矢量的S₀，S₁，S₂参量，将这三个参量值作为此正三角形顶点处像素(501)的偏振参量；

将此包含三个偏振方向的三角形区域作为一个滑动窗口，在整个像素阵列上，让滑动窗口以一个像素大小为步长，依次从左至右，从上到下，遍历滑过像素阵列上的每一个像素；

即可计算出每一个像素的Stokes参量，从而得到像素矩阵的全分辨率偏振Stokes参量图像，即得到S₀，S₁，S₂三幅全分辨率偏振图像。

6.根据权利要求5所述的焦平面偏振成像阵列结构的偏振参量图像重构方法，其特征在于，具体描述偏振Stokes矢量计算如下：

当三角形偏振滤光单元按a，b，c偏振方向排布时，正三角形顶点像素偏振参量为：

S₀＝2I_a-S₁cos2a-S₂sin2a (3)

其中，S₀，S₁，S₂分别为像素(501)的三个偏振参量，I_a，I_b，I_c分别为超像素单元中三个像素(501，502，503)的灰度值；

最后，利用公式(1)、(2)和(3)依次对焦平面偏振像素阵列中的每个超像素单元像素进行计算，以获得三个全分辨偏振参量图像。

Images