偏振成像手艺算作一种新式的光学成像手艺，不错终了欺压布景噪声、栽植探伤距离、获取方针细节特征和识别伪装方针等功能。由于成像空间维度的不同，偏振二维成像和偏振三维成像在不同畛域中具有精致的应用远景。
阐述偏振成像系统结构的不同，偏振成像系统可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型四种。
太旨趣工大学李智渊团队从偏振光的表露与传播神色脱手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像手艺、偏振三维成像手艺和基于超名义偏振器件的偏振探伤及成像的征询伸开综述，并对以上偏振成像系统分别进行详备先容和比拟分析。临了，对偏振成像手艺的发展远景进行了瞻望。
布景与上风
传统光学成像手艺主要诈欺光的强度信息进行方针探伤和识别。经过多年的发展，天然取得了权贵逾越，但仍然存在一些问题。举例，它只可获取光的强度信息，而无法获取光谱、偏振、相位等其他多维物理量，这导致在成像历程中光场信息丢失，何况在恶劣环境下难以平常责任。
而偏振成像手艺则不同，它诈欺了光的偏振本性。光算作一种电磁波，其偏振本性反应了电场矢量在空间传播时的振动标的。偏振成像手艺通过分析光波被物体反射前后偏振本性的改变，如偏振度、偏振角等，不错得回物体的阵势、材料拘泥度等多维信息。而且，在有散射介质存在的弱光环境中，反射光的偏振信息保抓才能高大于强度信息，这使得偏振成像手艺在异常环境下简略更有用地终了方针探伤。基于这些特有上风，偏振成像手艺在通讯、成像和探伤等畛域皆得到了无为应用。
基本表面
1.偏振光的Stokes表露
Stokes矢量法是形色偏振光的常用阵势。它通过四个重量S=[S0,S1,S2,S3]T来表露纵情偏振光的偏振态。其中，S0表露光场总强度，S1表露0°和90°标的线偏振光的光强差，S2表露±45°标的线偏振光的光强差，S3表露左旋与右旋圆偏振光的光强差。这些重量可通过采集特定角度（常常选取0°、±45°、90°标的）的偏振子图像并对其强度信息处理得到。由于现存探伤器无法径直获取光的相位信息，是以经受这种神色。同期，偏振度DoP和偏振角β是形色偏振光本性的抨击参数，可阐述Stokes矢量筹谋得到。
2.菲涅耳方程
当非偏振光入射到方针名义时，其传播模子触及到入射光理解为垂直和平行于入射平面的重量。菲涅耳方程给出了垂直（平行）于入射平面的线偏振光的反射光振幅与入射光振幅之比。基于此方程，咱们还不错求得非偏振光入射到方针名义后反射光和折射光的偏振度DoPr和DoPt的筹谋公式。反射光与折射光的垂直重量与平行重量暗示图
偏振成像系统的分类与特色
1.分时型偏振成像系统
分时型偏振成像系统的责任旨趣是将聚集旋转的线偏振片置于探伤器前，挨次得回各线偏振标的的图像，临了筹谋得到偏振特征图像。举例，2000年J.Peterson等针对遥感方针想象的分时型偏振成像仪，将探伤器积分时辰与偏振片旋转时辰同步克服了延时问题；2007年L.Bigué想象的高速偏振仪诈欺铁电液晶光调制器算作半波片，可终了正交双稳态切换，通过处理两帧正交组态图像得回偏振度，图像采集速度可达360Hz；2010年该团队改进系统终了全Stokes偏振探伤，帧率为200fps。天然这种系统结构简便，但由于责任时需要机械旋转偏振片，无法终了动态场景的及时探伤，不外它常用于偏振差分红像和三维成像。
2.分振幅型偏振成像系统
分振幅型偏振成像系统诈欺分光元件将反射光分红多个通谈，在每个通谈中奉行不同的偏振调制决策，诈欺多个探伤器分别在各通谈同期获取并吞方针场景的多幅图像。1982年R.Azzam等想象了第一台分振幅偏振测量仪，但各光路获取的偏振子图像对应像素所反应的物体信息有偏差，需要对采集到的图像进行配准。2005年A.M.Phenis等将偏振光学元件组合为一个分束器组件减少了臆测罪状，终裸露精准配准。2017年国防科技大学王玉杰等提议多录像机标定算法进一步完善配准。该系统具有及时探伤的优点，但结构复杂，光路校准费事，何况光能量损耗大，导致弱光环境中获取图像对比度低，信噪比低。
3.分孔径型偏振成像系统
分孔径型偏振成像系统辖受离轴或偏心的多组光学系统对并吞方针进行探伤，在系统孔径处，离轴摈弃四个成像透镜形成四个通谈，每个通谈摈弃偏振元件，通过一次曝光获取各偏振重量的强度图像。2021年刘星洋等通过紧凑的结构想象减小了分孔径阵列的偏心进程，摈弃了离轴分孔径阵列组带来的迥殊像差，保证了成像质地。这种系统结构紧凑、制形老本低，但离轴或偏心结构导致想象和装配较为复杂，加工罪状会使各组光学系统性能存在各异，进而引入配准罪状，需要对强度图像进行预处理以得回准确偏振信息。
4.分焦平面型偏振成像系统
分焦平面型偏振成像系统把不同偏振标的的微偏振阵列（MPA）集成于探伤器焦平面（FPA）前，探伤器每一个感光像元与一个标的的微偏振片对应，终了单次曝光采集并吞方针不同偏振标的的图像。1999年J.Nordin等初次研制了分焦平面型偏振成像仪，但微偏振器消光比很低。2010年R.Perkins等诈欺干与光刻工艺制作铝纳米线滤波器阵列并径直千里积在成像传感器顶部，想象制作并测试了100万像素的集成铝纳米线偏振滤波器CCD成像阵列。同庚香港科技大学赵晓锦等想象并制作了可见光全Stokes偏振成像的液晶MPA，具有较高的偏振消光比和偏振透过率，但在红外波段偏振本性下跌。2018年Sony公司推出的可见光分焦平面偏振探伤器通过在每个像元和微偏振器中间集成一个微透镜，栽植了偏振探伤性能。该系统具有高消光比、低损耗、结构紧凑和及时性高档优点，是现时偏振成像的征询热门和将来主流标的，但对MPA和FPA的装配精度要求高，存在偏振图像的非均匀性和偏振图像交融效果差等问题。
偏振二维成像手艺的阵势与应用
基于偏振差分的偏振二维成像手艺
偏振差分红像（PDI）的旨趣是阐述欺凌介质的散射光与方针反射光偏振本性的各异对散射光进行欺压。履行应用中，对偏振标的互相正交的线偏振图像进行差分得到偏振差分图像（即 Stokes矢量中的S1)。
1995年M.P.Rowe等搭建偏振差分红像系统，将金属方针悬浮于稀释的牛奶中模拟水下环境，讲明了该阵势可呈现通例偏振成像阵势不能见的名义特征。2009年T.Treibitz等将主动照明手艺引入偏振成像，经受大视场东谈主工照明并加入偏振器件欺压后向散射光，但水下成像距离仅为1-2m。2016年天津大学胡浩丰等笼统征询了散射光和径直透射光的偏振对水下成像的影响，通过弧线拟合阵势臆测方针信号的偏振差分图像，改善了水下成像质地。2022年南京理工大学陈钱课题组提议在一个完好意思的图像变化周期内采集一系列不同偏振标的的图像，将这些图像累加的驱散算作偏振维度的积分，进一步得到各像素的偏振度和廓清的偏振差分图像，能有用欺压图像噪声，栽植水下成像质地。
此外，偏振差分手艺还可用于图像去雾。2003年Y.Y. Schechner等提议偏振差分红像衔尾大气物理散射模子对图像重建，诈欺偏振相机获取正交的两帧图像并差分处理，终裸露在雾霾环境中对方针的廓清成像，但未探讨径直透射光对偏振本性的影响。2014年合肥工业大学方帅等笼统探讨了散射光和径直透射光在成像历程中的妥协偏振效应，诞生了新的偏振去雾模子，收复了更多场景信息。2015年西安电子科技大学刘飞等东谈主经受散射光和径直透射相衔尾的除雾阵势，将偏振差分的想想与小波变换相衔尾，对距离相机400m的物体进行高廓清度成像。
基于图像交融的偏振二维成像手艺
基于伪彩色映射的图像交融：2010年D.A.Lavigne等通过索要红外强度图像、偏振度图像和偏振角图像的大众信息，完成HSV三通谈的伪彩色交融，临了映射到RGB空间得回增强图像。2011年周浦成等经受理解非负矩阵的阵势对采集的偏振图像进行处理，得到特征基向量，再映射到HIS空间临了改革到RGB空间得回增强图像，可终了伪装方针的分离。
基于多圭臬变换的图像交融：多圭臬变换的阵势有小波变换、营救度变换（SVT）和非下采样剪切波变换（NSST）等。举例 2013年中北大学杨风暴等诈欺SVT将红外偏振图像和强度图像理解并组合，临了收复交融图像。2015年中国科学院光电手艺征询所刘征等提议基于NSST的可见光偏振图像交融阵势，通过NSST理解得到多个子频带，阐述高频能量窗和频域低频均值细目交融总共，临了得到交融图像。2016年梁健等经受多圭臬定向非局部均值（MDNLM）滤波器的红外与可见光图像交融阵势终了偏振去雾。
基于深度学习的图像交融：2021年中南大学张俊超级提议诈欺自学习战略贬责偏振图像交融问题，集聚由编码器、交融息争码器层组成，将编码器索要的特征图像进行交融，再输入解码器生成交融图像。同庚张晶晶等提议轮回卷积神经集聚（CCNN）的阵势终了可见光偏振图像去雾，通过方针检测子集聚检测烟雾区域，诈欺编码器-译码器子集聚生成无雾区域并与原始雾霾可见光偏振图像交融，临了得到高廓清度的交融图像。 (a) 基于NSST偏振图像交融框架图；(b) 集聚架构
偏振三维成像手艺的旨趣与阵势
1.偏振三维成像旨趣
光映照到各向异性的物资名义时，会产生镜面反射光和漫反射光，阐述反射光因素不同，偏振三维成像可分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。物体名义法线标的由天顶角θ（入射角）和入射平面的地方角φ共同决定。在成像历程中，基于镜面反射光的偏振三维成像手艺存在天顶角不细见识问题，基于漫反射光的偏振三维成像手艺天然不存在天顶角拖拉问题，但存在地方角的拖拉问题，皆需要进行去拖拉处理以得到准确的方针名义法线场，进而终了三维重建。由马吕斯定律知，探伤器网罗到的光强随偏振器件的旋转而变化，方针像素不管是以镜面反射光为主依然以漫反射光为主，其法线地方角的履行值与筹谋值均存在180°的不细目性，导致三维面形收复出现严重畸变，是以也需要对地方角进行去拖拉处理。(a)、(b) 镜面反射光和漫反射光偏振度与入射角的关系；(c) 光强随偏振器旋转角度变化弧线
2.基于镜面反射光的偏振三维成像手艺
1）天顶角的细目2002年D.Miyazak等东谈主经受旋转方针测量法贬责天顶角拖拉问题，诈欺布儒斯特弧线将物体名义辩认为三个区域，可对天顶角进行分区域消歧。若是物体是禁闭光滑的，贬责特定区域内某一个点的拖拉问题，即可完周详区域消歧。同庚发现当使用红外光照明时，镜面反射光偏振度与天顶角的联系函数是单调的，通过测得光的偏振度可惟一细目天顶角，但红外光的偏振度显着比可见光小，关于较小的入射角，偏振度很难测量，是以将可见光和红外光相衔尾是处理天顶角拖拉问题的有用技能。2012年C.Stolz等提议用多光谱偏振处理阵势得到准确的天顶角，阐述不同波长光照下偏振度和布儒斯特角间的各异性贬责天顶角的拖拉问题，但需要测量多个波段的强度值，实验安装复杂。2015年G.Missael等提议诈欺圆偏振的阵势处理天顶角的拖拉问题，由天顶角与圆偏振度的关系为单调函数，可惟一细目天顶角。(a)(b) 布儒斯特分割；(c) 红外光和可见光下入射角与偏振度的关系；(d) 两个不同波长下入射角和偏振度关系图；(e) 线偏振度(DoLP)、圆偏振度(DoCP)和天顶角的关系
2）地方角消歧
2006年O.Morel等提议诈欺主动照明法摈弃地方角歧义，经受LED环状光源照明，从四个标的拍摄方针，通过分析各标的的强度图像细目地方角，但成像历程较为复杂，且对光源和，且对光源和环境的要求严格。2017年D.Miyazak等提议诈欺偏振分析和空间雕塑法收复方针三维模样，领先通过空间雕塑手艺简短臆测物体的三维模样，然后加入偏振信息终了多视角偏振三维探伤，诈欺奇异值理解（SVD）筹谋曲面法向量，使最小二乘罪状最小化，可臆测光滑物体的阵势。
3.基于漫反射光的偏振三维成像手艺
1）基于传统光学三维成像阵势的偏振三维成像手艺
衔尾光度立体视觉法的偏振三维成像：2007年G.Atkinson等提议诈欺光度立体视觉手艺对地方角进行消歧，通过比拟三个照明角度下拍摄图像光强的大小终了对地方角的消歧，但对光源的位置要求严格，成像系统较为复杂，不易终了。
衔尾飞行时辰法（TOF）的偏振三维成像：2017年A. Kadambi等将偏振信息与飞行时辰法相衔尾贬责地方角的拖拉问题，领先由Kinect（TOF相机）得到的不祥深度获取名义法线信息，然后衔尾公式校正由偏振信息得到的surface法线场。2019年北京大学杨锦发等诈欺Astra3D相机获取方针的不祥深度图，并与偏振信息交融对地方角进行消歧，终了对光滑低纹理方针的三维重建，但该阵势仅适用于反射因素为漫反射的物体，且引入了图像配准的问题。
衔尾多目立体视觉法的偏振三维成像：2017年西北工业大学平茜茜等将偏振信息与双目立体视觉相衔尾，诈欺双目立体视觉法标定得到相机参数，将偏振得到的图像像素坐标系下的点云数据蜕变为全国坐标系下的十够数据，终裸露高反光无纹理方针真正深度的测量。2019年D.Zhu等提议偏振相机和RGB相机的羼杂探伤系统，通过筹谋不祥深度图的梯度筹谋造就名义法线，再诈欺造就名义法线摈弃由偏振信息获取的名义法线的歧义。2021年北京大学张瑞华等经受多视角立体几何与偏振信息交融的三维重建算法摈弃了地方角歧义，并经受泊松优化阵势修订天顶角偏差，终了对低纹理方针模样的三三维重建。2022年武汉大学田昕等经受拟合数据项形色偏振面与交融驱散之间的线性关系，将方针纹理从偏振曲面转移到交融深度中，经受鲁棒低秩矩阵理解敛迹双目深度和交融深度，栽植了交融深度的精度。
衔尾结构光投影的偏振三维成像：2017年浙江大学汪凯巍等经受液晶投影仪（LCD），通过在液晶两头施加不同强度的电压可快速得回具有不同偏振标的的出射光，无需旋转线偏振片进行偏振调制，通过对每个结构光图的快照臆测场景中的线偏振度（DoLP），通过DoLP来识别方针，并有选择性地进行重建，有益于高效的三维重建和偏振方针增强。
2）基于红外偏振的三维成像
2021年西安电子科技大学韩平丽等提议一种近红外单目偏振三维成像手艺，在权重敛迹中引入参考梯度场，对非均匀反射方针名义法线的拖拉进行全局校正，可告捷重构出近场和远场反射不均匀的方针阵势，并将偏振三维成像的应用扩张到复杂光照条款和较长的探伤距离，分辨率为微米级。同庚西北工业大学李磊磊等诞生红外偏振放射模子，该阵势不依赖光照条款和方针名义的纹理特征，具有重建精度较高、及时性好和大皆据浮泛等优点。
3）基于其他地方角校正算法的偏振三维成像
衔尾暗影收复法与偏振信息相衔尾的偏振三维成像：2012年A.Mahmoud等提议将暗影收复法与偏振信息相衔尾对方针终了三维重建，领先诈欺偏振信息得到拖拉的地方角，然后阐述暗影信息得到的地方角组成的集结，通过比拟元素使公式值最小来细目地方角的值，但该阵势假定方针名义是漫进行漫反射名义，对镜面反射像素并未处理，应器用有一定的局限性。
基于求解大型寥落线性方程组的偏振三维成像：2019年W.Smith等提议通过求解大型寥落线性方程组从单帧偏振图像中收复名义高度，该阵势不需要单独进行地方角去拖拉处理，在已知光源标的和方针名义均匀反射的情况下，领先对名义梯度进行平滑中心差分访佛，然后将偏振敛迹和暗影敛迹表露为与未知深度联系的大型寥落线性方程组的步地，临了诈欺线性最小二乘法对高度进行优化，并将其扩张到一个未校准的室外场景，对不同材料的物体模样均能终了三维重建。2022年该团队诈欺空隙因素分析的算法将镜面反射和漫反射进行分离，然后诈欺朗伯体反射模子将漫反射光的强度数据调度为高度数据，再阐述高度信息得到名义法线信息，临了诈欺公式进行校正，可达到微米级的深度分辨率。成像驱散。(a) 基于偏振成像与双目立体视觉交融的三维重建；(b) 近红外单目偏振三维成像；(c) 基于寥落线性方程组的线性深度臆测；(d) 基于深度学习的偏振三维重建
4）基于深度学习的偏振三维成像 2020年Y.Ba等提议深度学习衔尾偏振信息的阵势终了方针三维重建，将0°、45°、90°、135°的偏振图像和拖拉法线算作输入，通过神经集聚学习，最终输出准确的名义法线。2022年西安电子科技大学韩平丽等经受基于卷积神经集聚的3DMM（3D Morphable Model）模子获取每一像素的拖拉名义法线，对由偏振信息得到的名义法线进行敛迹，从而终裸露在天然光照明的环境中终了东谈主脸的三维重建。
基于超名义偏振器件的偏振成像
1.超名义的本性与上风
超名义是一种由亚波长东谈主造天线按照特定规则均匀或非均匀胪列而成的二维光学元件。与传统光学元件不同，超名义的亚波长结构与入射电磁波互相作用，激发界面上光学参量的“突变”，对电磁波的相位产生调控，进而终了对电磁波偏振调度。超名义偏振器件具有体积小、制备简便且易集成的特有上风。
2.基于超名义偏振器件的征询与应用
比年来，跟着偏振成像手艺畛域的郁勃发展，高效准确地获取偏振信息成为要害。传统偏振元件集成度低，导致偏振成像系统结构复杂、图像配准罪状较大，制约了该畛域发展。基于超名义结构的偏振器件简略将各式偏振元件的功能集成于一体终了偏振探伤，弥补了传统偏振成像系统的不及。
2018年，P.C.Wu等想象了基于可见光超名义的片上偏振器件，实考讲明集成的超名义芯片可通过单次曝光细目一组Stokes参数，袒护可见光波段。2019年，A.Basiri等想象了用于近红外偏振检测的双层手性超名义结构，总厚度小于1μm，圆偏振器消光比高达35∶1，传输遵循大于80%，将其与线性偏振滤波器集成在并吞芯片上，简略终了全Stokes偏振检测。2020年，浙江大学徐杨和南京大学王肖沐等提议并想象了由四个超名义集成石墨烯-硅光电探伤器组成的片上偏振仪，该结构可得到纵情偏振入射光包括红外光（1550nm）的光强、偏振标的等信息，得回全Stokes参数。2021年，中国科学院张冲等想象并制作了用于近红外全Stokes偏振探伤的高效全介电像素超名义，每个像素由三个标的的线偏振器和一个单层平面结构的圆偏振器组成，想象的圆偏振滤波器在1.6μm波长下的最大圆二色性可达 70%，在波长为1.48-1.6μm的平均透射遵循可达80%以上。2022年，西安工业大学孙雪对等诈欺矩形TiO2纳米结构想象了正交线性和圆偏振复用超构透镜，前者简略空隙截止x线偏振光和y线偏振光的聚焦位置，聚焦遵循分别为53.81%和51.56%，后者对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光聚焦遵循分别可达42.45%和42.46%。
此外，还有好多基于超名义偏振器件的征询遵循。举例，2018 年好意思国科学家E.Arbabi等想象了一种基于介质超名义的分焦平面偏振相机，通过在基底上想象非晶硅天线结构，具有三组不同的偏振基，不错分别得到(I0，I90)、（I45，I-45）、（I1,Ir）三组正交偏振态，将三组偏振态正交的光聚焦到并吞焦平面的不同位置，阐述探伤器给与的强度信息，终了全偏振态的测量和偏振成像。2019年，N.A.Rubin等诈欺矩阵傅里叶光学道期望象并制作了超名义偏振衍射光栅，当光入射到光栅上时，光栅不错将具有不同偏振信息的光进行分选并衍射到不同级次，简略在图像传感器上形成四个对应图像，得到的地方角图像可用于三维成像。2022年，该团队具体形色了怎样将超名义偏振光栅和传统的光强度成像系统相衔尾以创建一个简略终了全Stokes偏振测量的系统。2020年，中国科学院宋国峰团队诈欺金棒和SiO2薄膜组成的单层金属超名义终裸露0°、45°和90°偏光器的功能，入射光波长为1.6μm时，平均消光比均为33dB，责任带宽为100nm。此外，添加SiO2隔绝层和U型金纳米结构组成双层金属超名义算作圆偏振器，在1.6μm波长下透射模式下的圆偏光二色性达到89%，消光比为830:1。由四个小像素组成的全Stokes超级像素不错终了对1.6μm波长纵情偏振光的测量，该结构有望与红外焦平面探伤器集成，鼓舞红外偏振探伤器的发展。 (a) 超名义与CCD阵列的偏振测量安装；(b) 器件结构SEM图像；(c) 偏振成像；(d) 全Stokes偏振成像
回来与瞻望
著作从偏振光的表露与传播神色脱手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像手艺、偏振三维成像手艺和基于超名义偏振器件的偏振探伤及成像的征询伸开综述，并对以上偏振成像系统分别进行详备先容和比拟分析。
针对偏振成像历程中存在的问题，将来需从优化偏振成像系统、改进偏振器件和探伤器集成工艺、增强算法普适性和缩短复杂度、终了高及时偏振探伤等四个标的真切征询。偏振成像手艺算作一种具有巨大后劲的光学成像手艺，在将来还有很大的发展空间。通过握住的征询和翻新，信服它将在更多畛域发扬抨击作用，为咱们带来更廓清、更准确的成像效果。
声明：本文仅用作学术见识。著作起首于:李智渊, 翟爱平, 冀莹泽, 李国辉, 王东, 王文艳, 石林林, 冀婷, 刘飞, 崔艳霞. 光学偏振成像手艺的征询、应用与进展[J]. 红外与激光工程万博体育(中国)官方网站, 2023, 52(9): 20220808. Zhiyuan Li, Aiping Zhai, Yingze Ji, Guohui Li, Dong Wang, Wenyan Wang, Linlin Shi, Ting Ji, Fei Liu, Yanxia Cui. Research, application and progress of optical polarization imaging technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(9): 20220808.
