CN115855259A - 一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置及方法，装置包括：控制系统、显示系统、图像传感器系统和存储系统，控制系统与显示系统、图像传感器系统及存储系统相连接，显示系统还与存储系统相连接；图像传感器系统还与存储系统相连接；控制系统对其他系统进行控制产生人为可调的光谱偏振图像存储并显示，显示系统传递人为操作信号并显示融合后图像，多光谱偏振成像系统产生不同光谱与偏振角度的光谱偏振图像并将图像融合，存储系统存储图像信息完整的光谱偏振图像，本发明可以获取多个偏振角度的图像，本发明具有不大于像元阵列的图像覆盖区，提高图像分辨率，本发明可以通过触摸屏人为控制偏振角度，实现实时可调偏振成像。

Description

一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振成像技术领域，具体涉及基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置及方法。

背景技术

偏振成像是一种新型光电探测方法。相比于传统的强度成像，偏振成像可以进一步获取目标的偏振特性，从而提高对比度，增加识别概率。偏振成像在生物医疗、工业检测、地球遥感、现代军事以及海洋和航空领域具有重要应用价值。

1996年法国研制出多角度偏振光谱成像仪POLDER，采用旋转滤光片的方式实现光谱和偏振方向的选择；2001年美国研制出液晶型 Sagnac 光谱偏振成像仪，使用了一个可变延迟的傅里叶变换偏振分光计VRFTSP作为一个集成的装置；2014年美国研制了新型斯托克斯成像光谱偏振仪，将快速成像技术与偏振调制技术相结合；2018年南京理工大学提出了一种基于FLC和Wollaston棱镜的液晶调制型傅里叶变换成像光谱偏振仪，第一次将FLC作为快速偏振调制元器件用于傅里叶变换型成像光谱仪中来测量光谱偏振信息，并米用“液晶偏振调制与画幅式干涉成像”思想，同时实现高信噪比、宽波段（400-1000nm）光谱和偏振的高速测量。

目前多光谱偏振成像装置已经实现了分孔径型，分振幅型，分时型，分焦平面型，但图像分辨率依然不理想，获取的偏振角度较为单一，且操作过程较为繁琐，会产生一定量的误差。所以一个可以获取多个偏振角度、高分辨率、可便捷调控的多光谱偏振成像装置是迫切需要的。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的偏振成像装置的分辨率较低、获取的偏振角度单一、操作繁琐和会产生误差的缺陷，从而提供一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置及方法。

一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置，包括：控制系统、显示系统、图像传感器系统和存储系统；

所述控制系统与显示系统、图像传感器系统及存储系统相连接，所述显示系统和图像传感器系统都与存储系统相连接；

所述图像传感器系统包括透镜单元、光谱分光单元、堆叠偏振片阵列单元与像元阵列单元；所述透镜单元将收集的反射光传递给光谱分光单元，光谱分光单元对反射光进行光谱分光，经过光谱分光后的光穿过所述堆叠偏振片阵列单元产生不同角度的偏振图像，所述像元阵列单元捕获不同角度的偏振图像，像元阵列单元与图像处理单元连接，所述图像处理单元与存储系统连接。

进一步，所述显示系统包括显示单元和触屏单元；所述显示单元分别与存储系统和触屏单元连接，触屏单元还与控制系统连接。

进一步，所述控制系统包括存储控制单元、显示控制单元和光谱偏振控制单元，存储控制单元与显示控制单元和存储系统连接，显示控制单元还分别与光谱偏振控制单元和触屏单元连接，所述光谱偏振控制单元还与图像传感器系统连接；

进一步，所述存储系统包括存储单元与存储控制电路单元；所述存储控制电路单元与存储单元和存储控制单元连接，所述存储单元还分别与图像处理单元、显示单元和存储控制单元连接。

进一步，所述堆叠偏振片阵列单元33包括5个偏振片阵列层，每个偏振片阵列层上设有多个偏振片。

进一步，所述偏振片阵列为6×6的偏振片阵列。

进一步，所述偏振片阵列层上的偏振片偏振角度都不同。

一种基于上述任一项所述的基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置的成像方法，包括以下步骤：

步骤一：通过触屏单元输入信号，确定所需图像的光谱及偏振角度；

步骤二：显示控制单元接收来自触屏单元的信号并传递给光谱偏振控制单元；

步骤三：光谱偏振控制单元接收显示控制单元的信号后控制光谱分光单元对透镜单元中会聚的光进行光谱分光，同时控制堆叠偏振片阵列单元激活至少一个偏振阵列层或停用至少一个偏振阵列层从实现不同偏振角度的成像；

步骤四：像元阵列单元捕获处理后图像信息并传输给图像处理单元；

步骤五：图像处理单元对不同光谱和不同偏振角度的图像进行融合处理，并将融合后的图像信息传递给存储单元；

步骤六：存储单元将图像信息传递给存储控制单元；

步骤七：存储控制单元判断该图像信息是否为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度，若图像信息为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元向存储控制电路单元发射存储信号，存储控制电路单元将存储信号发送存储单元对图像信息进行存储，存储单元并将图像信息输送至显示单元；若图像信息不是步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元向存储控制电路单元发射删除信号，存储控制电路单元将信号发送存储单元对图像信息进行删除；

步骤八：重复步骤一至步骤七，直至得到所有所需要的图像。

进一步，所述步骤五采用斯托克斯矢量法对图像进行融合。

本发明的有益效果为：

1.本发明通过堆叠偏振片阵列单元产生180个偏振角度的图像，避免了偏振角度单一的问题；

2.本发明中堆叠偏振片阵列单元产生不同偏振角度的图像且不增加像元阵列单元的覆盖区，图像分辨率提高近20%；

3.本发明可以通过触摸屏人为控制偏振角度，实现了实时角度可调；

4.本发明还可通过触摸屏人为控制图像的读取和删除，操作简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置的结构框图；

图2为堆叠偏振片阵列单元的结构图；

图3为基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像方法流程图。

附图标记说明：

1-控制系统； 11-存储控制单元； 12-显示控制单元；

13-光谱偏振控制单元； 2-显示系统； 21-显示单元；

22-触屏单元； 3-多光谱偏振成像系统； 31-透镜单元；

32-光谱分光单元； 33-堆叠偏振片阵列单元； 34-像元阵列单元；

35-图像处理单元； 4-存储系统； 41-存储单元；

42-存储控制电路单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置，包括：控制系统1、显示系统2、图像传感器系统3和存储系统4；

所述控制系统1与显示系统2、图像传感器系统3及存储系统4相连接，所述控制系统1对显示系统2、图像传感器系统3和存储系统4进行控制；所述显示系统2还与存储系统4相连接；所述图像传感器系统3还与存储系统4相连接；

所述图像传感器系统3包括深圳市磊坚特殊光源光电设备有限公司的HHL-L3透镜单元31、美国Kurios®公司的KURIOS-XL1(/M)光谱分光单元32、济南智和弘盛光电科技有限公司的thatshigh004堆叠偏振片阵列单元33与日本TOSHIBA公司的TCD2901D像元阵列单元34；所述透镜单元31收集目标物的表面反射光并传递给光谱分光单元32，光谱分光单元32对反射光进行光谱分光产生不同光谱的光，不同光谱的光经过所述堆叠偏振片阵列单元33产生不同角度的偏振图像且并不增加图像传感器的覆盖区，所述像元阵列单元34捕获不同角度的偏振图像并传输给图像处理单元35，所述图像处理单元35将不同角度的偏振图像融合处理，并将融合处理后的图像输送给存储系统4进行预存储，存储系统4将图像输送至控制系统1判断图像信息是否为所需的光谱及偏振角度，若是则存储系统4对图像进行存储并将图像输送至显示系统2将图像显示，若不是则将图像信息从存储系统4删除。

所述显示系统2包括深圳市兆显光电有限公司的MS24C009-V01显示单元21和深圳市颍创科技有限公司的雕塑家M270LFQ1触屏单元22；所述显示单元21与存储系统4和触屏单元22连接，显示单元21接收存储系统4储存的图像并显示图像，触屏单元22向控制系统1发送控制信号。

所述控制系统1包括美国Maxim Integrated公司的DS1321S+存储控制单元11、日本KEYENCE公司的MU-N11光谱偏振控制单元12和德国HIRSCHMANM公司的iflex S6显示控制单元13，存储控制单元11与显示控制单元12和存储系统4连接，显示控制单元12还与光谱偏振控制单元13和显示系统2连接，所述光谱偏振控制单元13还与图像传感器系统3连接；

所述显示控制单元12接收触屏单元22的控制信号并将控制信号传递给存储控制单元11和光谱偏振控制单元13，存储控制单元11和光谱偏振控制单元13根据控制信号控制图像传感器系统3和存储系统4进行操作；

所述存储控制单元11还接收来自存储系统4中的图像信息并判断图像信息是否为所需的光谱及偏振角度；

光谱偏振控制单元13控制光谱分光单元32进行光谱分光，光谱偏振控制单元13还控制堆叠偏振片阵列单元33激活或者停用某一偏振阵列层或多个偏振阵列层；

所述存储系统4包括深圳市特思嘉工业电子有限公司的FCD106存储单元41与存储控制电路单元42；所述存储控制电路单元42与存储单元41和存储控制单元11连接，所述存储单元41还与图像处理单元35、显示单元21和存储控制单元11连接，存储控制电路单元42接收存储控制单元11的信号并对存储单元41进行图像读取、图像存储和图像删除，所述存储单元41对满足阈值的图像进行存储，并将图像信息输送至显示单元21。

请参阅图2，本实施例中所述堆叠偏振片阵列单元33包括5个偏振片阵列层，每个偏振片阵列层上设有多个偏振片。

所述偏振片阵列为6×6的偏振片阵列，共180个偏振片。

所述偏振片阵列层上的偏振片偏振角度都不同，偏振片上的数字代表偏振角度。

请参阅图3，本发明还包括一种基于上述任一项所述的基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置的成像方法，包括以下步骤：

步骤一：通过触屏单元22输入信号，确定所要图像的光谱及偏振角度；

步骤二：显示控制单元12接收来自触屏单元22的信号并传递给光谱偏振控制单元13；

步骤三：光谱偏振控制单元13接收显示控制单元12的信号后控制光谱分光单元32对透镜单元31中会聚的光进行光谱分光，同时控制堆叠偏振片阵列单元33激活至少一个偏振阵列层或停用至少一个偏振阵列层从而实现不同偏振角度的成像；

步骤四：像元阵列单元34捕获处理后图像信息并传输给图像处理单元35；

步骤五：图像处理单元35对不同光谱和不同偏振角度的图像进行融合处理，并将融合后的图像信息传递给存储单元41；

步骤六：存储单元41将图像信息传递给存储控制单元11；

步骤七：存储控制单元11判断该图像信息是否为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度，若图像信息为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元11向存储控制电路单元42发射存储信号，存储控制电路单元42将存储信号发送存储单元41对图像信息进行存储，存储单元41并将图像信息输送至显示单元21；若图像信息不是步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元11向存储控制电路单元42发射删除信号，存储控制电路单元42将信号发送存储单元41对图像信息进行删除；

步骤八：重复步骤一至步骤七，直至得到所有所需要的图像。

所述步骤五采用斯托克斯矢量法对图像进行融合，光波偏振态的数学表达形式可由斯托克斯（Stokes）矢量表示法进行表示，是对偏振光描述的一种最为常见且全面的方法，其中“最常见”主要是因为完全偏振光、部分偏振光、自然光均可以用斯托克斯参量表示，囊括了自然界中光束所有的形态。“最全面”表示与这束光偏振态有关的其它任何一种数学表达式均可以在获取斯托克斯参量后得出。斯托克斯（Stokes）矢量法主要是利用 I 、Q、U 、V 四个偏振参量表示，通过一个列矩阵来描述光的偏振态，其公式如下：

其中 I 表示为总光强，Q表示垂直方向的线偏振分量与水平方向上的线偏振分量光强差，U 表示为 45°线偏振分量与 135°线偏振分量的光强差，左右旋的圆偏振分量用V表示，当Q、U 、V 三个参量中有一个参量不为于 0，则代表入射光存在偏振特性。还可以通过光强表征斯托克斯参量，I 、Q、U 、V 中的四个参量可以使用

、/>

、/>

、/>

进行表述，公式如下：

上述公式中，

、/>

、/>

、/>

分别表征偏振分量为的 0°、45°、90°、135°时的光强值。右旋偏振分量的光强值和左旋偏振分量的光强值分别用/>

和/>

表示。当三个偏振参量/>

、/>

、/>

平方的和等于/>

的平方时，偏振光状态为完全偏振光；当三个偏振参量/>

、/>

、

平方的和小于/>

的平方时，表示为部分偏振光；当三个偏振参量/>

、/>

、/>

平方的和等于/>

的平方且为 0 时，则表明该偏振光是完全非偏振光，即为自然光。斯托克斯矢量的量化表达式为下：

上述公式中

表示为对时间的平均，/>

为x电场方向上的振幅，/>

为电场 y 方向上的振幅，/>

为电场中 x与 y两个方向的相位差。

引入两个偏振参量概念，分别是偏振角（Angle of Polarization, AOP）、偏振度（Degree of polarization, DOP）。其中参考方向和偏振光向外传播振动的方向之间的夹角定义为 AOP 其表达式为：

DOP 即全部偏振参量的光强与总光强的比值，其表达式如下：

其中，DOP=1时为完全偏振光，DOP=0时为非偏振光即自然光。但由于大多数情况下，地物目标的反射光的圆偏振分量非常小，因此一般被忽略，即在计算偏振态信息时，经常将V 分量忽略不计，规定

，此时（4）改写为：

通过式(4)可以将多角度图像融合为偏振角图像，式(5)可以将多角度图像融合为偏振度图像。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置，其特征在于，包括：控制系统(1)、显示系统(2)、图像传感器系统(3)和存储系统(4)；

所述控制系统(1)与显示系统(2)、图像传感器系统(3)及存储系统(4)相连接，所述显示系统(2)和图像传感器系统(3)都与存储系统(4)相连接；

所述图像传感器系统(3)包括透镜单元(31)、光谱分光单元(32)、堆叠偏振片阵列单元(33)、像元阵列单元(34)和图像处理单元（35）；所述透镜单元（31）将收集的反射光传递给光谱分光单元（32），光谱分光单元（32）对反射光进行光谱分光，经过光谱分光后的光穿过所述堆叠偏振片阵列单元(33)产生不同角度的偏振图像，所述像元阵列单元（34）捕获不同角度的偏振图像，像元阵列单元（34）与图像处理单元（35）连接，所述图像处理单元（35）与存储系统（4）连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示系统（2）包括显示单元（21）和触屏单元（22）；所述显示单元（21）分别与存储系统（4）和触屏单元（22）连接，触屏单元（22）还与控制系统(1)连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制系统(1)包括存储控制单元(11)、显示控制单元(12)和光谱偏振控制单元(13)，存储控制单元(11)分别与显示控制单元(12)和存储系统(4)连接，显示控制单元(12)还分别与光谱偏振控制单元(13)和触屏单元（22）连接，所述光谱偏振控制单元（13)还与图像传感器系统(3)连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述存储系统（4）包括存储单元（41）与存储控制电路单元（42）；所述存储控制电路单元（42）分别与存储单元（41）和存储控制单元(11)连接，所述存储单元（41）还分别与图像处理单元（35）、显示单元（21）和存储控制单元(11)连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述堆叠偏振片阵列单元(33)包括5个偏振片阵列层，每个偏振片阵列层上设有多个偏振片。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述偏振片阵列为6×6的偏振片阵列。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述偏振片阵列层上的偏振片偏振角度都不同。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的基于堆叠偏振片阵列的多光谱偏振成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过触屏单元（22）输入信号，确定所需图像的光谱及偏振角度；

步骤二：显示控制单元（12）接收来自触屏单元（22）的信号并传递给光谱偏振控制单元（13）；

步骤三：光谱偏振控制单元（13）接收显示控制单元（12）的信号后控制光谱分光单元（32）对透镜单元（31）中会聚的光进行光谱分光，同时控制堆叠偏振片阵列单元（33）激活至少一个偏振阵列层或停用至少一个偏振阵列层从而实现不同偏振角度的成像；

步骤四：像元阵列单元（34）捕获处理后图像信息并传输给图像处理单元（35）；

步骤五：图像处理单元（35）对不同光谱和不同偏振角度的图像进行融合处理，并将融合后的图像信息传递给存储单元（41）；

步骤六：存储单元（41）将图像信息传递给存储控制单元（11）；

步骤七：存储控制单元（11）判断该图像信息是否为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度，若图像信息为步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元（11）向存储控制电路单元（42）发射存储信号，存储控制电路单元（42）将存储信号发送存储单元（41）对图像信息进行存储，存储单元（41）并将图像信息输送至显示单元（21）；若图像信息不是步骤一中所需图像的光谱及偏振角度则存储控制单元（11）向存储控制电路单元（42）发射删除信号，存储控制电路单元（42）将信号发送存储单元（41）对图像信息进行删除；

步骤八：重复步骤一至步骤七，直至得到所有所需要的图像。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤五采用斯托克斯矢量法对图像进行融合。

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