传统的强度成像、偏振成像和光谱成像技术已广泛应用于日常生活、工业生产、医学检测及军事侦察等多个领域。然而,这些单一模式的成像方法在面对复杂环境时,如雨雪、雾霾等恶劣天气条件,或水下、烟雾等散射介质及伪装目标等,其成像质量会受到显著影响。
偏振光谱成像技术是强度成像、偏振成像与光谱成像的有机结合,能够同时获取目标的空间、偏振和光谱信息。所得的偏振光谱图像是关于强度、偏振和光谱数据的超立方体[1]。强度成像通过获取目标与光相互作用产生的强度信息,揭示目标的空间分布特性[2]。偏振成像技术可提取目标与光相互作用产生的偏振信息,从而获取与表面纹理、粗糙度、材料介电常数等相关的物理信息,并具备凸显目标、辨别真伪等优势[3]。光谱成像技术通过分析目标与光相互作用产生的光谱信息,可获取目标的化学组成等特征[4]。强度成像、光谱成像和偏振成像各有优势与局限,偏振光谱成像技术综合运用这3种成像手段,能够高效获取目标的多维信息,在复杂环境中有效提升目标辨识度并增大探测距离,广泛应用于目标检测、环境监测、医学诊断、农作物估产等军民领域[5-10],具有广阔的发展前景。
本文首先简要回顾了偏振光谱成像技术的发展历程,重点分析了分焦平面偏振光谱成像系统的技术思路。随后,探讨了偏振光谱成像技术在军事和民用领域的典型应用。最后,对该技术的未来发展方向及潜在应用前景进行了展望。
1 偏振光谱成像技术的分类和特点
非快照式偏振光谱成像器件由于成像机理的限制,成像速度较慢,难以应用于时间敏感目标或动态场景的快照式成像。为了解决这一问题,研究人员致力于探索能够同时捕获目标的强度、光谱和偏振三维数据信息的快照式偏振光谱成像技术。典型的快照式偏振光谱成像器件如图2所示。
偏振光栅是一种偏振敏感的各向异性透射光栅[20]。基于偏振光栅的偏振光谱成像仪(polarization grating imaging spectropolarimeter,PGIS)结合3组偏振光栅与不同状态的波片,实现透射光偏振态的调制,并将不同斯托克斯参量的光谱信息映射到探测器的不同区域,最终复原偏振光谱信息。相较于 CTICSP,该技术具有更高的光谱分辨率,但对探测器的尺寸和分辨率要求较高,且成像分辨率较低。
编码孔径偏振光谱成像仪结合编码孔径与双折射晶体,并利用压缩感知技术对偏振光谱信息进行重构[21],经过编码孔径的光经双折射晶体分解成2束光并在 CCD 上成像,最终解调获得目标的空间、偏振及光谱信息。该成像技术可实现较高的空间及光谱分辨率,但无法获取完整的全斯托克斯信息。
微纳加工工艺的快速发展推动了微偏阵列(micro-polarizer array,MPA)的广泛应用,并进一步促进了分焦平面偏振光谱成像技术的发展。索尼公司的 IMX250MYR 彩色偏振传感器[24]由2部分阵列组成:采用 Chun 模式[25]的微偏阵列以及采用 Bayer 模式[26]的彩色滤波阵列,二者以上下叠加的结构组合而成,如图 3 所示。由于单个像素点仅能捕获特定位置的单一波段和单一偏振角度信息,因此需要专门的插值算法来恢复全分辨率图像,即去马赛克技术[27]。Tu等[28]将2台彩色偏振分焦平面(division of focal plane,DOFP)相机组合在一起(这两台相机同样由 Chun 模式的微偏阵列和 Bayer 模式的彩色滤波阵列构成, 区别在于其嵌套模式的不同),其中入射光通过非偏振立方体分束器被分成2束。一台相机结合1/4波片以捕捉光的圆偏振态,另一台则用于感知线偏振态。该成像系统需要高精度配准,以实现准确的偏振光谱信息获取。
通过分析国内外研究现状,非快照式和快照式偏振光谱成像技术的优劣势对比如表 1 所示。从总体趋势来看,偏振光谱成像技术正朝着小型化、轻量化和高实时性的方向发展。非快照式偏振光谱成像技术已难以满足对成像时效性及器件结构紧凑性要求较高的探测需求,因此研究快照式偏振光谱成像技术具有重要意义。其中,基于分焦平面的偏振光谱成像系统具备结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低和实时性强等优势。尽管其成像模式导致空间分辨率较低,但可通过后续的图像处理算法优化信息获取,最终获得高精度的偏振光谱信息,在高动态场景中具有重要的应用价值。
表1 非快照式与快照式偏振光谱成像技术的优劣势对比Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of non-snapshot and snapshot polarization spectral imaging techniques |
| 成像模式 | 技术方案 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|---|
| 非快照式 | POLDER转轮型[12] | 结构简单 | 成像实时性差 |
| LCTF型[13] | 简易,成本低 | 稳定性差,调焦不便 | |
| AOTF+LCVR型[18] | 波段范围宽,可编程操控 | 空间分辨率低 | |
| MSPI光弹调制型[14] | 测量精度高 | 制造难度大,需标定配准 | |
| 棱镜分光型[17] | 测量精度高 | 需扫描成像 | |
| 空间调制傅里叶变换型[15-16] | 高信噪比 | 需推扫成像,耗时长 | |
| 快照式 | 计算层析型(CTICSP)[19] | 无运动部件 | 空间、光谱分辨率低,计算量大 |
| 偏振光栅型(PGIS)[20] | 光谱分辨率高 | 制造工艺复杂,成本高 | |
| 编码孔径型[21] | 空间、光谱分辨率高 | 偏振信息不足 | |
| 微透镜阵列型[22] | 结构简单 | 空间分辨率低,装调困难 | |
| 分焦平面型[24] | 结构紧凑,功耗低 | 空间分辨率低 |
2 分焦平面偏振光谱成像技术
在微型无人机、医学内窥检测等动态平台中,成像设备在复杂环境下的抗干扰能力尤为重要。偏振光谱成像技术可获取目标的多维信息,满足抗干扰成像的需求[32]。然而,这些动态平台对成像设备的体积、重量、功耗及实时性也提出了严格要求。
分焦平面偏振光谱成像技术无需传统分光元件,具备结构紧凑、稳定性高、集成度高、体积小、重量轻、功耗低、成本低、可快照成像等优势,在遥感探测、目标识别探测和生物医学等领域应用广泛,被认为是未来偏振光谱成像技术的重要发展方向[1]。
分焦平面偏振光谱成像器件可直接输出偏振光谱马赛克图像,并通过去马赛克算法重构偏振光谱图像,最终得到的偏振光谱图像质量由偏振光谱分光元件和偏振光谱图像处理算法决定。
2.1 偏振光谱分光元件
传统的一维亚波长金属光栅主要用于偏振调制,因其结构简单、易于加工且偏振调制能力强,已成为分焦平面偏振成像技术的主要实现手段。例如:目前可见光波段应用最广泛的分焦平面偏振成像探测器是索尼(Sony)公司的IMX250MZR传感器,其采用亚波长一维光栅来制备像素级微偏振片,通过改变光栅方向,即可调整微偏振片的透光轴。然而,现有的亚波长金属光栅在探测器的响应波段上呈现宽带带通特性,缺乏光谱调制功能,因此无法实现偏振光谱成像。
相较于传统的亚波长金属光栅,上述金属-介质-金属结构的亚波长偏振光谱光栅仍为一维光栅结构,仅需增加光栅层的镀膜工艺,相对简单。所使用的材料仍为半导体加工中常见的材料,因此非常适用于与传统电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)的集成工艺,具备重要的实际应用价值。
综上,相较于传统滤光片,亚波长光栅滤光片具有结构简单、体积小、集成度高、设计自由度大等优势。亚波长光栅滤光片能够同时实现偏振和光谱滤波功能,因此对其展开研究具有重要意义。
常见的亚波长光栅通常采用一维栅条或二维对称的结构[36]。为进一步拓展设计的多样性,并获得更加紧凑的结构以满足更多应用需求,研究人员基于亚波长光栅的概念,利用超材料(metamaterial)设计了超表面(metasurface)。近年来,超材料作为一种新型人工电磁材料受到了广泛关注;这种材料由亚波长的“人工原子”按照特定方式组合而成。当晶格尺度远小于波长时,超材料能够表现出类似于均匀介质的特性,这使其在电磁波的控制和应用方面展现出广阔前景。超表面由超材料单元以周期性或非周期性方式排列形成的超薄二维阵列构成,如图8b所示[39]。超材料使用的是人工复合材料,可通过人工设计不同的形状或尺寸,以匹配不同的实际应用需求。
分焦平面偏振光谱成像探测器的技术已从传统的彩色(三波段)逐步扩展至多波段。此类探测器具有体积小、重量轻、集成度高以及实时成像等显著优势,契合了偏振光谱成像向小型化发展的趋势。随着技术的不断进步,该类探测器逐渐成为偏振光谱成像领域的主流选择,有力推动了偏振光谱成像技术的发展与应用。
2.2 偏振光谱去马赛克
分焦平面偏振光谱成像系统具有快照式成像、体积小、重量轻、功耗低等优势。然而,该系统本质上是通过牺牲空间分辨率来换取时间分辨率,这种空间采样机制导致传感器的每个像素位置只能获取某一波段下某个偏振方向的图像信息,而该像素位置的其他光谱和偏振信息则缺失。直接采用下采样方式进行偏振多光谱信息重构将导致严重的瞬时视场误差。为了重构每个像素未捕获的其他光谱及偏振信息,从而提高图像分辨率,必须对捕获的偏振光谱马赛克图像进行去马赛克处理,这也是获取高质量偏振光谱图像的关键环节之一。
与光谱去马赛克和偏振去马赛克不同,偏振光谱去马赛克包含更多通道的信息。例如,在具有4 个偏振角度和 4 个光谱波段的情况下,需要从偏振光谱马赛克图像中恢复出 16 个通道的信息。由于缺失信息较多,传统的图像去马赛克方法已不再适用。文献[50]提出的偏振光谱去马赛克算法采用广义全变分与加权张量核范数最小化实现偏振光谱去马赛克。尽管该算法结构较为复杂,并且需要对每幅输入的偏振光谱马赛克图像进行迭代优化求解,但其适用范围较广,可用于任何偏振光谱阵列的去马赛克。
不同去马赛克算法的优劣势对比见表2。总体而言,与多光谱马赛克图像和偏振马赛克图像相比,偏振光谱马赛克图像存在空间、偏振及光谱信息高度耦合的问题。后续研究应重点解决偏振光谱马赛克图像中空间、偏振和光谱信息的强耦合关系解耦问题,从而实现光谱与偏振信息的高保真重构。
2.3 偏振光谱图像数据库
3 偏振光谱成像技术典型应用场景
偏振光谱成像技术能够高效获取目标的多维信息,有效提高复杂环境中的目标辨识度,并延长探测距离。该技术最初主要应用于遥感和军事领域,如大气成分分析、海洋监测以及隐蔽目标探测等。随着技术的不断发展和完善,偏振光谱成像技术在医疗检测领域也展现出显著优势,例如在肿瘤早期诊断、皮肤病检测和组织病理分析等方面发挥了重要作用。
3.1 军事侦察
2019年,Xu等[55]研究了红外高光谱偏振特性在伪装目标识别中的应用,并进行了长波红外高光谱偏振成像实验。实验中,采集了塑料、玻璃和铝等材料在3种不同温度下的图像数据,通过对比分析这些材料在相同温差环境中的光谱辐亮度与偏振度变化趋势。研究发现,在相同温度条件下,这些材料的红外偏振特性相比其辐射亮度表现出更显著的增强效果,并呈现出明显的波段选择性。此外,随着温度差异的增大,不同伪装目标的红外偏振特性增强幅度差距也相应增加。这表明,可以利用伪装目标因温度变化导致的偏振特性增强差异,为高效目标识别提供新的技术手段。这项研究揭示了通过分析伪装物体的红外偏振特征来提高识别准确性的潜力。
3.2 空间探测
3.3 医疗诊断
3.4 遥感探测
Ding等[58]提出了一种近紫外到近红外波段的阈值云检测方法(near ultraviolet to near infrared detection threshold,NNDT),该方法利用0.38 μm波段的辐射信息及其与1.64 μm波段的比值来区分云和天空,有效利用了近紫外波段在云和地表物体辐射特性上的差异。研究表明,NNDT算法替代了云检测对热红外波段的依赖,避免了传统云识别算法对最小地表反射率数据库的需求,为气溶胶和二氧化碳参数的反演奠定了基础。
4 结语
近年来,随着微纳加工工艺的进步,分焦平面偏振光谱成像技术得到了迅猛发展,使相关成像设备在降低成本的同时,实现了小型化和高实时性,从而拓宽了偏振光谱成像系统的应用范围。偏振光谱视觉的应用已从理论研究逐步扩展到实际应用。
分焦平面偏振光谱成像技术的未来研究仍将主要集中在成像设备和去马赛克算法两个方向。成像设备的发展趋势包括全偏振、多波段、高分辨率、高度集成以及智能化。通过优化偏振光谱分光器件的设计与制造工艺,可在提高消光比和透过率的同时,有效降低不同偏振光谱通道间的串扰,从而提升系统的成像精度及复杂环境下的图像质量。例如:超表面作为新兴的二维超材料,其亚波长尺度的人工微结构单元能够灵活调控电磁波的振幅、相位和偏振态等特性,在成像设备研发中具有重要作用。超表面可用于设计新型偏振控制器件或光谱滤波器,以提升系统性能。去马赛克算法则通过改进成像物理模型,并结合最新的图像处理技术,实现高质量的偏振光谱信息复原,从而进一步提高处理效率、精度和智能化水平。
作为一种新兴的成像技术,偏振光谱成像在应用层面仍具有巨大的潜力。目前,该技术在目标检测、三维成像、医学诊疗和散射介质成像等领域已取得一定进展。未来,随着材料科学、工艺技术和人工智能的进一步发展,分焦平面快照式偏振光谱成像技术将在空间探测、火灾救援、医疗诊断和工业生产等多个领域得到更广泛的应用。