偏振成像相機見過很多，但這種設計思路你見過幾個？

偏振光學成像主要是通過拍攝多幅（一般三幅或四幅）經不同檢偏器調製後的強度圖像，並進行偏振信息提取來實現的。因此，多幅圖像的同時探測和偏振信息的實時提取成為偏振光學成像探測技術能否實際應用的前提條件。中科院西安光機所任立勇課題組設計並研製了一種分孔徑全偏振態同時探測型實時彩色偏振成像相機，以下是其設計思路，供業內同仁參考。

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設計思路

根據獲取圖像方式的不同，現行的偏振光學成像系統主要分為兩大類：分時偏振成像系統和同時偏振成像系統。其中，分時偏振成像系統結構相對簡單，適用於對靜止目標進行偏振成像，主要用於偏振成像的原理性驗證；同時偏振成像系統結構複雜，可對運動目標進行偏振成像，具有較強的適應性。

偏振成像系統又可分為振幅分光成像系統、孔徑分光成像系統和焦平面分光成像系統3種：

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振幅分光成像系統一般利用稜鏡進行分光和偏振調製，各分光光路需獨立設計並採用多個探測器進行成像；

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孔徑分光系統採用前置望遠系統，通過對孔徑不同區域分別進行偏振調製後成像在單探測器的不同位置，從而實現同時偏振成像；

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焦平面分光成像系統與前兩種系統不同，並不對相機的光學部分進行改造，而是對探測器進行改造，通過探測器前的微偏振片陣列使得不同像素點接收不同偏振調製的強度圖像，再通過插值同時得到不同偏振態下的強度圖像。

相比之下，孔徑分光成像系統具有光路設計簡便、可靠性高、造價低等優點，其缺點在於只能對遠距離物體成像。因此，針對遠距離目標偏振成像應用，我們研製了分孔徑全偏振態同時探測型實時彩色偏振成像相機。

光學設計

光學系統採用了前置光學望遠系統與分光聚焦系統相互獨立的設計思路。首先，入射光經過望遠系統縮束後平行輸出；然後，在輸出面利用一組斜方稜鏡分成四路光，偏振片膠合在斜方稜鏡入射面，消除斜方稜鏡折射帶來的偏振探測誤差，四路偏振片分別為0°方位角偏振片、45°方位角偏振片、90°方位角偏振片和左旋圓偏振片；最後，經過4個相同的聚焦系統聚焦，並由另一組斜方稜鏡進行合束，成像在1個探測器的4個象限中。

整個分光聚焦系統原理示意圖如圖1所示。系統焦距為望遠系統放大倍率與聚焦系統焦距的乘積，因此該設計思想的特點在於可根據實際應用需求選擇望遠系統放大倍率以調整系統焦距。

圖1 偏振相機分光聚焦部分原理示意圖

寬頻圓偏振片設計

圓偏振片一般是由1個線偏振片和1個1/4波片膠合而成，因波片是波長敏感器件，因此普通的圓偏振片只針對一個波長進行調製。而該偏振相機工作波段為400-700 nm，只有消色差波片與線偏振片膠合而成的寬頻圓偏振片才能滿足實際需求。

消色差波片是由二氧化硅晶體和氟化鎂晶體光軸垂直膠合製作而成

電子學系統設計

電子學系統在圖像信號採集和偏振信息處理方面均採用FPGA來實現，目的在於提高硬體的處理速度。研製的偏振相機所有的圖像運算都在硬體中實現，以保證成像的實時性。相機採用兩種輸出方式：一種是HDMI高清模擬信號輸出，用於實時視頻監視；另一種是CameraLink數字圖像輸出，用於存儲原始圖像數據。相機輸出頻率設計為25幀/秒。

相機定標

相機尺寸為180 mm×86 mm×86 mm。圖2(a)為共焦面偏振分布示意圖，圖2(b)為研製的偏振相機實物圖。

圖2 (a)共焦面偏振分布示意圖(b)偏振成像相機樣機實物圖

從相機拍攝的原始圖像圖3中可以看出，該圖像並沒有完全對準，不能直接用來進行偏振計算。

圖3 偏振相機拍攝的原始圖像

在進行偏振計算之前，需要先對圖像進行定標操作。首先，利用仿射變換模型對圖像進行快速的切割和配准，配准精度優於2個像素；其次，對各圖像亮度進行校正，消除由透鏡組光暈現象導致的強度不均；最後，進行偏振定標，減小相機量子雜訊和偏振片消光不徹底導致的偏振探測誤差。

(a) Stokes矢量測量結果

(b) 線偏振度測量結果

圖4 偏振成像相機對線偏振片的Stokes矢量及偏振度測量結果。 從(b)可以看出，定標後相機線偏振探測精確度優於95%。

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實驗效果

利用所研製的偏振相機，完成了實時全偏振度成像演算法和實時偏振去霧成像演算法的開發和驗證，相機輸出效果分別如圖5和圖6所示。

(a) 強度圖 (b) 全偏振度圖

圖5 全偏振度成像效果

(a) 霧霾圖像 (b) 去霧效果圖

圖6 偏振去霧效果

根據不同應用場合的需求，該偏振相機可實時輸出全偏振度圖像或偏振去霧強度圖像。我們提出的偏振去霧演算法具有2個創新點：

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針對直接從圖像中估算偏振度信息誤差較大的缺點，創新性地提出了直接採用估算偏振角信息作為演算法的判據，有效提高了演算法的去霧能力；

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對偏振去霧演算法中關鍵參數的估算提出了全新的方案，擺脫了現行偏振去霧演算法都需要天空背景的束縛，同時簡化了演算法，使其更具有普適性和實時性。

結束語

中科院西安光機所研製的分孔徑全偏振態同時探測型實時彩色偏振成像相機可用於高速移動目標、隱藏偽裝目標及低對比度目標的實時跟蹤與探測；還可用於煙霧霾、薄雲及渾濁水下環境中目標的超視距成像探測。同時，該偏振相機的設計思想可快速移植到現行光學成像系統中，作為現有探測手段的有效補充。

來源：http://www.oeshow.cn