固態(tài)微光實(shí)時偏振成像集成技術(shù)

梁宛玉，許 潔，戴 放，常維靜，那啟躍

（中國兵器工業(yè)第214研究所 蘇州研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215163）

1 引 言

隨著微光夜視技術(shù)的發(fā)展和其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對于高性能的微光夜視探測的需求越來越大，對探測靈敏度的要求也更高，微光偏振成像探測作為極限靈敏度偏振成像測量技術(shù)，也越來越多地得到人們的關(guān)注[1-7]。偏振是光除了波長、振幅、相位以外的又一重要屬性。物質(zhì)因其自身屬性不同會具有不同的偏振特性（會產(chǎn)生由其自身性質(zhì)決定的特征偏振），如表面特性、粗糙度、陰影和外形等[8]。偏振成像探測技術(shù)與強(qiáng)度成像、光譜成像、紅外輻射成像等技術(shù)相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢：除了獲取傳統(tǒng)成像信息外，還能夠額外獲取偏振多維信息[9]。有效利用偏振矢量信息，就可以增強(qiáng)圖像對比度，提高信噪比，從而可以改善目標(biāo)探測成像的質(zhì)量、提高探測精度[10-11]。

為了解決在微弱光照射情況下，因?yàn)楦泄舛炔蛔愣鴮?dǎo)致的偏振圖像存在較大誤差的問題，本文根據(jù)EMCCD微光成像器件的特點(diǎn)和工作原理，提出了一種固態(tài)微光實(shí)時偏振成像集成技術(shù)。在九元周期排列的偏振線列結(jié)構(gòu)中包含中心的1個白光通道和呈中心對稱分布的4個偏振方向的8個偏振通道。通過改進(jìn)的Stokes方程求解參量，實(shí)現(xiàn)了偏振度和偏振角的解析計算，這使得集成偏振的EMCCD器件在保證最低工作照度的同時，還具備微光-偏振探測功能。

本文首先對EMCCD微光成像器件的偏振成像原理[12-14]以及常見的偏振成像陣列進(jìn)行了分析，給出了偏振成像陣列的解算方法；然后根據(jù)微光成像的特點(diǎn)，對微光－偏振成像的陣列進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；最后，通過集成偏振相機(jī)完成了固態(tài)微光實(shí)時偏振成像集成技術(shù)的測試驗(yàn)證，輸出了有效微光偏振成像效果。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出在3×3的偏振陣列結(jié)構(gòu)中，加入無偏振單元，在設(shè)計思想上拋開超像元的概念，取相鄰單元的偏振信息做加權(quán)平均作為自身的偏振信息，信息準(zhǔn)確度較高，且無偏振單元的存在使得器件的最低工作照度不被降低，器件同時具備微光-偏振探測功能。

2 微光成像偏振成像陣列

2.1 微光器件偏振成像的工作原理

電子倍增CCD（Electron Multiplication CCD，EMCCD），是一種新型的全固態(tài)微光成像CCD，也稱作可控電荷CCD。與傳統(tǒng)CCD探測器的主要區(qū)別在于其在讀出寄存器和輸出放大器間嵌入了倍增寄存器，故可以實(shí)現(xiàn)電子增益[15-17]。該探測器為強(qiáng)度探測，對于偏振并不敏感。為了實(shí)現(xiàn)偏振選擇性探測，通常需要在探測器前額外加上一個偏振分束器或獨(dú)立偏振起偏器探測，但該方法需要通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)，不能獲得實(shí)時偏振成像效果。隨著分焦平面偏振成像與亞波長偏振光柵研究工作的進(jìn)步，可將偏振單元集成在探測器像元的表面，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時偏振探測[18-19]。

分焦平面偏振探測器將不同偏振方向上的微偏振片集成到焦平面上，其中微偏陣片的間距與像元間距相匹配，不同像元探測不同偏振方向[20-21]，其成像器件像元與偏振單元的集成示意圖如圖1所示。

圖1 成像器件像元與偏振單元的集成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of integration between the imaging device pixel and polarization unit

2.2 偏振成像陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1) 4個偏振方向

圖2是采用2×2偏振單元陣列組成一個超像元。該面陣由4個偏振單元組成，分別對應(yīng)0°、45°、90°、135° 4個偏振方向，以滿足Stokes矢量相關(guān)參數(shù)的獲取。

(2) 9個偏振方向

為了提升偏振態(tài)的數(shù)量，設(shè)計了如圖3所示的3×3偏振陣列，9個偏振單元分別對應(yīng)0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°和160°共9個偏振方向。這種陣列結(jié)構(gòu)有利于提升偏振信息獲取的準(zhǔn)確度，但大幅提升了陣列的復(fù)雜度和工藝制備難度，輸出圖像的分辨率大幅下降。

圖2 4個偏振方向的單元陣列設(shè)計Fig. 2 Array design in four polarization directions

圖3 9個偏振方向的陣列設(shè)計Fig. 3 Array design in nine polarization directions

2.3 偏振結(jié)構(gòu)解算

Stokes矢量是基于光強(qiáng)度的表示方法，可描述偏振光、部分偏振光與非偏振光，故偏振成像探測中適宜采用Stokes矢量來描述其偏振態(tài)。該描述法是用4個參量來描述光的偏振態(tài)，這4個參量都是強(qiáng)度的時間平均值，便于用各種探測設(shè)備或者成像設(shè)備直接或間接測量得到。根據(jù)Stokes矢量的定義，光的偏振態(tài)可表示為：

式中S0為總光強(qiáng)；S1為水平偏振方向的光強(qiáng)分量I0和垂直偏振方向的光強(qiáng)分量I90°之差；S2為偏振方向45°的光強(qiáng)分量I45°與偏振方向135°的光強(qiáng)分量I135°之差；S3為左旋偏振光的光強(qiáng)分量IL和右旋偏振光的光強(qiáng)分量IR之差。

由于在偏振探測中，圓偏振分量與線偏振分量相比很小，可以不考慮，且本文的偏振陣列為線偏振，故光的偏振態(tài)可表示為：

對于多偏振態(tài)的情況，其Stokes矢量可表示為

“怎么不行？我不是吃軟飯的，正想租個大一點(diǎn)的地方，你家后院可以用上。今后，我打算養(yǎng)花，拿到街上去賣，給兒子攢點(diǎn)學(xué)費(fèi)。”

其中，N為偏振態(tài)數(shù)量，θi為金屬線柵偏振器夾角，I(θi)為光強(qiáng)。

3 微光-偏振一體化設(shè)計優(yōu)化

3.1 偏振陣列設(shè)計優(yōu)化

綜合分析以上兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，同時考慮EMCCD器件的工作特點(diǎn)，本文提出了如圖4所示的偏振成像陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包含中心的1個白光通道和周圍的4個偏振方向的8個偏振通道，4個偏振方向的偏振通道呈中心對稱分布陣列。由于陣列結(jié)構(gòu)中偏振信息來源具有對稱性，故誤差較小，同時由于每個像元都可以輸出偏振信息，分辨率不會降低。

圖4 4個偏振方向加無偏振單元的陣列設(shè)計Fig. 4 Array design with four polarization directions and non-polarization elements

3.2 偏振成像陣列解算

對于圖4所示偏振陣列結(jié)構(gòu)，分別用無偏振像元周圍的偏振單元的光強(qiáng)計算得到中間P5的偏振信息，其0°、45°、90°、135°幾個方向的光強(qiáng)可表示為

其中P1～P9為圖4中各像元的接收光強(qiáng)，則圖4中P5的Stokes向量可由式(6)解出，這里不再用I0°+I90°作為總光強(qiáng)，而直接用無偏振單元探測輸出的光強(qiáng)P5作為總光強(qiáng)，信息準(zhǔn)確度更高。

只要獲得了線偏振的Stokes向量S0、S1和S2，即可由式（7）和式（8）得出每個像元的線偏振度DoP及偏振角AoP，進(jìn)而進(jìn)行偏振成像。

綜上分析可知，4個偏振方向加無偏振的設(shè)計更加合理，不但滿足了微光成像的要求，同時在保證Stokes信息準(zhǔn)確度的情況下也降低了制備的難度。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 多偏振態(tài)圖像的偏振評價和分析

選用幀轉(zhuǎn)移EM768EMCCD相機(jī)和偏振片（Thorlabs, WP25M-UB）等搭建了分時偏振成像系統(tǒng)，用于測試驗(yàn)證集成EMCCD偏振成像器件的成像效果。微光分時偏振成像系統(tǒng)的組成如圖5所示。

圖5 微光偏振成像系統(tǒng)Fig. 5 Low-light polarization imaging system

實(shí)驗(yàn)原理：在EMCCD與目標(biāo)之間放置偏振片，利用偏振片透過軸與參考方向的不同角度進(jìn)行多次采集，獲取多角度偏振光強(qiáng)圖像。

在完成非集成多偏振態(tài)成像系統(tǒng)搭建后，對同一目標(biāo)進(jìn)行多次圖像采集，每次旋轉(zhuǎn)金屬線柵偏振器15°，共采集12組偏振圖像（見圖6）。

按照式（3）求解，取N=3，即在12組圖像中選取3組，共包含220種組合；取N=4，共包含495種組合；取N=6，共包含924種組合；取N=12，有唯一組合。

計算每一種組合的偏振度DoP和偏振角AoP，并從其最大值、平均值、圖像對比度、圖像的熵幾個角度進(jìn)行評價，其對比結(jié)果如圖7及表1所示。其中統(tǒng)計分析是對每一種組合的平均，但在實(shí)際情況中，更傾向于0°，60°，120°的均勻取值組合，而不是0°，15°，30°之類的組合。

圖6 12偏振態(tài)成像Fig. 6 12-polarization images

表1 多偏振態(tài)圖像偏振對比Tab. 1 Comparison of polarization for multi-polarization image

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可以看出，隨著選取角度的增多，偏振度的均值和最大值、對比度降低，偏振角最大值增大。均勻取值時，4角度測量的最大值、均值、熵均為最優(yōu)。

從圖7多偏振態(tài)圖像偏振成像效果來看，幾組圖像的偏振度效果較為接近，偏振角圖像中4偏振角度測量效果最優(yōu)。

綜上所述，4偏振態(tài)是一種較為合理的選擇，增加偏振態(tài)不會明顯改善偏振效果，還會增加偏振陣列的復(fù)雜性，因此，本文討論了合理的偏振陣列結(jié)構(gòu)中偏振態(tài)選擇。

4.2 偏振相機(jī)成像效果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計的固態(tài)微光集成偏振技術(shù)的合理性，采用4個偏振方向的集成偏振成像系統(tǒng)以及本文設(shè)計的固態(tài)微光實(shí)時集成偏振成像系統(tǒng)，結(jié)合集成偏振圖像處理的流程與Stokes矢量法進(jìn)行解析，得出4個偏振方向的偏振度圖像（圖8）與4個偏振方向加上無偏通道的集成偏振成像效果（圖9）。

圖7 多偏振態(tài)圖像偏振成像效果對比Fig. 7 Comparison of the polarization imaging effects of multi-polarization images

圖8 4個偏振方向的單元陣列設(shè)計偏振度圖像Fig. 8 Polarization degree image of array with four polarization directions

圖9 4個偏振方向加無偏振單元的陣列設(shè)計偏振度圖像Fig. 9 Polarization degree image of array with four polarization directions plus the non-polarized channel

從圖8和圖9對比中可明顯看出，加入白光通道的4個偏振態(tài)的偏振度圖要明顯好于不加白光通道的4個偏振態(tài)的偏振度圖，細(xì)節(jié)信息更豐富。從而驗(yàn)證了采用傳統(tǒng)的2×2的4偏振態(tài)陣列的偏振成像方式存在偏振信息不夠準(zhǔn)確和器件工作照度降低的缺陷，而本文設(shè)計的固態(tài)微光實(shí)時集成偏振成像系統(tǒng)彌補(bǔ)了上述缺陷，在偏振成像效果方面有較大的優(yōu)勢。

4.3 偏振相機(jī)空間分辨率分析

為了直觀分析本文提出的固態(tài)微光實(shí)時集成偏振成像系統(tǒng)對目標(biāo)空間分辨率的影響，對靶標(biāo)圖像進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)圖像如圖10（彩圖見期刊電子版）所示，圖10(a)為本文設(shè)計的集成偏振相機(jī)采集的圖像，圖10(b)為EMCCD采集的原圖。比較圖10(a)與圖10(b)的紅框區(qū)域可知，采用偏振相機(jī)的偏振圖像與EMCCD采集的原圖相比，目標(biāo)細(xì)節(jié)增多；且靶標(biāo)偏振圖中靶標(biāo)目標(biāo)與背景的對比度更鮮明。

接著，對集成偏振相機(jī)采集圖像和EMCCD采集原圖的對比度和清晰度進(jìn)行分析。對比度是目標(biāo)在背景中凸顯的數(shù)據(jù)描述，對比度數(shù)值越大標(biāo)識目標(biāo)越明顯，公式為：，其中，Ii表示目標(biāo)的平均灰度值，Ib表示背景的平均灰度。清晰度是表征圖像清晰度的有效參數(shù)，其數(shù)值越大表示目標(biāo)的細(xì)節(jié)更豐富，清晰度公式為：

圖10 (a)靶標(biāo)偏振圖與(b)靶標(biāo)原圖Fig. 10 (a) Polarization diagram and (b) original diagram of the target

清晰度采用灰度梯度平均值的表示方式，m、n分別表示圖像橫向、縱向的像素數(shù)，g表示灰度圖像。結(jié)果見表2，由表2可知，集成偏振相機(jī)采集的圖像的對比度與清晰度均優(yōu)于EMCCD采集的原圖，與人眼觀察的結(jié)果相符。由此可見，本文設(shè)計的固態(tài)微光實(shí)時集成偏振成像系統(tǒng)對于圖像空間分辨率有著明顯的提升效果。

表2 偏振圖與原圖的對比度與清晰度比較Tab. 2 Comparison of contrast and clarity between the polarization image and the original image

5 結(jié) 論

本文提出一種固態(tài)微光實(shí)時集成偏振成像系統(tǒng)，結(jié)合 3×3的偏振陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計，并引入了無偏振單元結(jié)構(gòu)，在設(shè)計思想上拋開超像元的概念，取相鄰單元的偏振信息做加權(quán)平均作為自身的偏振信息，信息準(zhǔn)確度較高。且該結(jié)構(gòu)引入無偏振單元，可避免器件最低工作照度的降低，確保器件具備微光-偏振探測功能。該成像系統(tǒng)的引入，除了大幅提高探測器件對目標(biāo)的探測識別能力外，還具有加工難度低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。