CN115950534A - 分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，包括依次连接的光电转换单元、图像处理单元和输入输出接口；所述光电转换单元包括从上至下依次设置的光谱调制层、偏振调制层和光电转换层；所述光谱调制层由微陷波滤光片阵列组成；所述偏振调制层由微偏振片组成。本发明能够实现目标多光谱信息与偏振信息的同步探测成像。

Description

分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器。

背景技术

随着成像技术的不断发展，传统的光强成像已经不能满足人类需求。人们开始追求一些生物发达的复眼成像视觉系统，比如螳螂虾的复眼视觉系统能够很好的探测到人眼察觉不到的偏振光，在分辨4个线性偏振方向和2种圆偏振态的同时，还可以同步感知16个不同波段的光谱信息。相比于传统的光强成像，偏振成像和光谱成像不仅能获取光强信息，还都具有对目标特征独特的成像能力。其中，偏振成像技术不仅可以获取目标的光强信息，还可以计算出目标的偏振度和偏振角等信息，可以反映目标的结构特性、表面粗糙度等特性，可以增强目标与背景的对比度、去除水面或者玻璃面的反射。光谱信息可以反映目标对光波的吸收、反射或折射特性。结合光谱成像和偏振成像技术的优势，高质量多光谱偏振成像技术已成为一个前沿研究方向。目前多光谱偏振成像技术主要应用于卫星遥感领域，除此之外还有医疗诊断、三维成像、目标识别等领域。研究多光谱偏振成像技术，可用于更好地测量目标场景通过光所传递的信息，解析目标特征，服务于各个领域。但是还存在高光通量多光谱偏振成像技术理论和制造高光通量多光谱偏振成像的可行性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，包括依次连接的光电转换单元、图像处理单元和输入输出接口；所述光电转换单元包括从上至下依次设置的光谱调制层、偏振调制层和光电转换层；所述光谱调制层由微陷波滤光片阵列组成；所述偏振调制层由微偏振片组成。

进一步的，所述微陷波滤光片阵列中每个微陷波滤光片在同一平面。

进一步的，所述偏振调制层的每个微偏振片在同一平面，包括0°、45°、90°、135°四种不同方向的微偏振片。

进一步的，使用四个不同波段的陷波滤光片构成一个超像素，或使用三个不同波段的陷波滤光片和一个不覆盖滤光片的像素构成一个超像素。

进一步的，使用去马赛克算法，提高某一波段某一偏振态像素分辨率。去马赛克算法，在仅考虑微偏振单元超像素时，可以根据以下方程求解：

其中||·||_F表示F范数，||·||₁表示1范数，S表示探测器捕获的马赛克数据，T表示降采样矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，η表示正则化系数。求解不同方向的偏振态信息对应不同的降采样矩阵。同理，该去马赛克算法适用于仅考虑陷波滤光片单位的超像素情况，也适合同时考虑微偏振片和微陷波滤光片的超像素情况。

进一步的，所述光电转换层采用CCD、CMOS、可见光的探测器或红外波段的探测器。

进一步的，所述图像处理单元采集图像数据的光谱分辨率，利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，求解方程如下

其中||·||_F表示F范数，||·||₁表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数；

通过K-SVD进行字典训练得到D，再通过使用增广拉格朗日方法，进行交替方向乘子法的求解，最终解出在约束条件下的偏振高光谱数据F＝DB。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明能够实现目标多光谱信息与偏振信息的同步探测成像，平衡时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率三者之间的矛盾。探测器获得的空间、多光谱和偏振共四个维度信息，能够更加有利于目标识别与分类；

2、本发明可以根据实际要求，更换陷波滤光片，就可以改变探测目标的光谱范围，实现灵活的对不同场景进行数据采集

3、本发明可以根据实际要求，使用光谱重构或者超分辨率算法，实现更高分辨率的图像。

附图说明

图1为本发明探测器结构示意图；

图2为本发明一实施例中图像处理单元和输入输出接口示意图；

图3为本发明一实施例中光谱调制层微陷波滤光片分布示意图；

图4为本发明一实施例中偏振调制层微偏振片分布示意图；

图5为本发明一实施例中探测器4×4超像素示意图；

图6为本发明一实施例中488nm、532nm、632nm和全透滤光片(PAN)透过率曲线；

图中：1-光谱调制层，2-偏振调制层、3-光电转换层、4-图像处理单元，5-输入输出接口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，包括依次连接的光电转换单元、图像处理单元4和输入输出接口5；所述光电转换单元包括从上至下依次设置的光谱调制层1、偏振调制层2和光电转换层3。

参考图3，在本实施例中，优选的，光谱调制层由微陷波滤光片阵列组成；微陷波滤光片阵列中每个微陷波滤光片在同一平面，陷波中心波长取决于使用场景。

参考图4，在本实施例中，优选的，偏振调制层的每个微偏振片在同一平面，不同方向的微偏振片按一定规律进行排列，如90°、45°、135°、0°，不同排列顺序将对去马赛克算法产生一定影响。，包括0°、45°、90°、135°四种不同方向的微偏振片。

优选的，使用去马赛克算法，提高某一波段某一偏振态像素分辨率。

去马赛克算法，在仅考虑微偏振单元超像素时，可以根据以下方程求解：

其中||·||_F表示F范数，||·||₁表示1范数，S表示探测器捕获的马赛克数据，T表示降采样矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，η表示正则化系数。求解不同方向的偏振态信息对应不同的降采样矩阵。同理，该去马赛克算法适用于仅考虑陷波滤光片单位的超像素情况，也适合同时考虑微偏振片和微陷波滤光片的超像素情况。

优选的，光谱调制层和偏振调制层的空间平面坐标与光电转换层的像素坐标是一致的。微陷波滤光片阵列、微偏振片阵列采用矩形阵列分布。

在本实施例中，目标透射或反射不同角度的光线，经过前置光学系统，再经过微陷波滤光片进行光谱调制，然后经过微偏振片进行偏振调制，最后在光电转换层完成从光信号到电信号的转变。最后得到的图像特点：同一偏振态具有不同的光谱信息；不同偏振态具有相同的光谱信息。

在本实施例中，使用四个不同波段的陷波滤光片构成一个超像素，或使用三个不同波段的陷波滤光片和一个不覆盖滤光片的像素构成一个超像素。

在本实施例中，光电转换层采用CCD、CMOS、可见光的探测器或红外波段的探测器。

在本实施例中，每个相机芯片上有四个偏振态，分别是0°、45°、90°、135°四个偏振态。如图5所示，分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器偏振相机芯片上的偏振态像素分布规律。如果偏振相机获取一张图片为矩阵A，像素大小为M×N，M，N为偶数，则每个偏振态图片像素大小均为M/2×N/2，按照MATLAB软件语法，0°度偏振态图像P₀＝A(2:2:end,2:2:end)，45°度偏振态图像P₄₅＝A(1:2:end,2:2:end)，90°度偏振态图像P₉₀＝A(1:2:end,1:2:end)，135°度偏振态图像P₁₃₅＝A(2:2:end,1:2:end)。

当光电转换层输出数字信号到处理器单元时，可以进行相对应的图像处理操作，下面以光谱超分辨率为例：

上诉系统中，一次曝光只采集到4张偏振光谱波段图像，为提升所采集图像数据的光谱分辨率，利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，求解方程如下

其中||·||_F表示F范数，||·||₁表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数；

通过K-SVD进行字典训练得到D，再通过使用增广拉格朗日方法，进行交替方向乘子法的求解，最终解出在约束条件下的偏振高光谱数据F＝DB。

本发明中，以成像质量、简化结构、同步多维度信息采集和系统可行性角度出发，设计制造分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器。阵列距离不宜过大，否则造成图像空间分辨率降低。根据目标实际波长范围，选用具有合适量子效应的相机和对应的滤光片，从而得到比较合适的设计结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，其特征在于，包括依次连接的光电转换单元、图像处理单元和输入输出接口；所述光电转换单元包括从上至下依次设置的光谱调制层、偏振调制层和光电转换层；所述光谱调制层由微陷波滤光片阵列组成；所述偏振调制层由微偏振片组成。

2.根据权利要求1所述的分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，其特征在于，所述微陷波滤光片阵列中每个微陷波滤光片在同一平面。

根据权利要求1所述的分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像。

3.探测器，其特征在于，所述偏振调制层的每个微偏振片在同一平面。

4.根据权利要求1所述的分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，其特征在于，使用四个不同波段的陷波滤光片构成一个超像素，或使用三个不同波段的陷波滤光片和一个不覆盖滤光片的像素构成一个超像素。

5.根据权利要求1所述的分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，其特征在于，所述光电转换层采用CCD、CMOS、可见光的探测器或红外波段的探测器。

6.根据权利要求1所述的分焦平面式高光通量仿生多光谱偏振成像探测器，其特征在于，所述图像处理单元采集图像数据的光谱分辨率，利用压缩感知原理结合稀疏性和光滑性先验信息对采集图像进行光谱超分辨率计算，求解方程如下

其中||·||_F表示F范数，||·||₁表示1范数，Y表示探测器捕获的数据，H表示系统采集矩阵，D表示字典，B表示对应的稀疏矩阵，λ表示波长自变量，μ表示稀疏约束项的系数，γ表示光谱光滑约束项的系数；

通过K-SVD进行字典训练得到D，再通过使用增广拉格朗日方法，进行交替方向乘子法的求解，最终解出在约束条件下的偏振高光谱数据F＝DB。

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