偏振成像技術的簡介及展望
偏振成像技術作為一種新型的光學成像技術，可以實現抑制背景噪聲、提高探測距離、獲取目標細節特征和識別偽裝目標等功能。由于成像空間維度的不同，偏振二維成像和偏振三維成像在不同領域中具有良好的應用前景。
根據偏振成像系統結構的不同，偏振成像系統可分為分時型、分振幅型、分孔徑型和分焦平面型四種。
太原理工大學李智淵團隊從偏振光的表示與傳播方式入手，先后對偏振成像系統、偏振二維成像技術、偏振三維成像技術和基于超表面偏振器件的偏振探測及成像的研究展開綜述，并對以上偏振成像系統分別進行詳細介紹和比較分析。最后，對偏振成像技術的發展前景進行了展望。
背景與優勢
傳統光學成像技術主要利用光的強度信息進行目標探測和識別。經過多年的發展，雖然取得了顯著進步，但仍然存在一些問題。例如，它只能獲取光的強度信息，而無法獲取光譜、偏振、相位等其他多維物理量，這導致在成像過程中光場信息丟失，并且在惡劣環境下難以正常工作。
而偏振成像技術則不同，它利用了光的偏振特性。光作為一種電磁波，其偏振特性反映了電場矢量在空間傳播時的振動方向。偏振成像技術通過分析光波被物體反射前后偏振特性的改變，如偏振度、偏振角等，可以獲得物體的形狀、材料和粗糙度等多維信息。而且，在有散射介質存在的弱光環境中，反射光的偏振信息保持能力遠大于強度信息，這使得偏振成像技術在特殊環境下能夠更有效地實現目標探測。基于這些獨特優勢，偏振成像技術在通信、成像和探測等領域都得到了廣泛應用。
基本理論
1.偏振光的Stokes表示
Stokes矢量法是描述偏振光的常用方法。它通過四個分量S=[S0,S1,S2,S3]T來表示任意偏振光的偏振態。其中，S0表示光場總強度，S1表示0°和90°方向線偏振光的光強差，S2表示±45°方向線偏振光的光強差，S3表示左旋與右旋圓偏振光的光強差。這些分量可通過采集特定角度（通常選取0°、±45°、90°方向）的偏振子圖像并對其強度信息處理得到。由于現有探測器無法直接獲取光的相位信息，所以采用這種方式。同時，偏振度DoP和偏振角β是描述偏振光特性的重要參數，可根據Stokes矢量計算得到。
當非偏振光入射到目標表面時，其傳播模型涉及到入射光分解為垂直和平行于入射平面的分量。菲涅耳方程給出了垂直（平行）于入射平面的線偏振光的反射光振幅與入射光振幅之比。基于此方程，我們還可以求得非偏振光入射到目標表面后反射光和折射光的偏振度DoPr和DoPt的計算公式。
偏振成像系統的分類與特點
1.分時型偏振成像系統
分時型偏振成像系統的工作原理是將連續旋轉的線偏振片置于探測器前，依次獲得各線偏振方向的圖像，最后計算得到偏振特征圖像。例如，2000年J.Peterson等針對遙感目標設計的分時型偏振成像儀，將探測器積分時間與偏振片旋轉時間同步克服了延時問題；2007年L.Bigué設計的高速偏振儀利用鐵電液晶光調制器作為半波片，可實現正交雙穩態切換，通過處理兩幀正交組態圖像獲得偏振度，圖像采集速率可達360Hz；2010年該團隊改進系統實現全Stokes偏振探測，幀率為200fps。雖然這種系統結構簡單，但由于工作時需要機械旋轉偏振片，無法實現動態場景的實時探測，不過它常用于偏振差分成像和三維成像。
分振幅型偏振成像系統利用分光元件將反射光分成多個通道，在每個通道中實施不同的偏振調制方案，利用多個探測器分別在各通道同時獲取同一目標場景的多幅圖像。1982年R.Azzam等設計了第一臺分振幅偏振測量儀，但各光路獲取的偏振子圖像對應像素所反映的物體信息有偏差，需要對采集到的圖像進行配準。2005年A.M.Phenis等將偏振光學元件組合為一個分束器組件減少了估計誤差，實現了精確配準。2017年國防科技大學王玉杰等提出多攝像機標定算法進一步完善配準。該系統具有實時探測的優點，但結構復雜，光路校準困難，并且光能量損耗大，導致弱光環境中獲取圖像對比度低，信噪比低。
3.分孔徑型偏振成像系統
分孔徑型偏振成像系統采用離軸或偏心的多組光學系統對同一目標進行探測，在系統孔徑處，離軸放置四個成像透鏡形成四個通道，每個通道放置偏振元件，通過一次曝光獲取各偏振分量的強度圖像。2021年劉星洋等通過緊湊的結構設計減小了分孔徑陣列的偏心程度，消除了離軸分孔徑陣列組帶來的額外像差，保證了成像質量。這種系統結構緊湊、制造成本低，但離軸或偏心結構導致設計和裝配較為復雜，加工誤差會使各組光學系統性能存在差異，進而引入配準誤差，需要對強度圖像進行預處理以獲得準確偏振信息。
4.分焦平面型偏振成像系統
分焦平面型偏振成像系統把不同偏振方向的微偏振陣列（MPA）集成于探測器焦平面（FPA）前，探測器每一個感光像元與一個方向的微偏振片對應，實現單次曝光采集同一目標不同偏振方向的圖像。1999年J.Nordin等首次研制了分焦平面型偏振成像儀，但微偏振器消光比很低。2010年R.Perkins等利用干涉光刻工藝制作鋁納米線濾波器陣列并直接沉積在成像傳感器頂部，設計制作并測試了100萬像素的集成鋁納米線偏振濾波器CCD成像陣列。同年香港科技大學趙曉錦等設計并制作了可見光全Stokes偏振成像的液晶MPA，具有較高的偏振消光比和偏振透過率，但在紅外波段偏振特性下降。2018年Sony公司推出的可見光分焦平面偏振探測器通過在每個像元和微偏振器中間集成一個微透鏡，提高了偏振探測性能。該系統具有高消光比、低損耗、結構緊湊和實時性高等優點，是當前偏振成像的研究熱點和未來主流方向，但對MPA和FPA的裝配精度要求高，存在偏振圖像的非均勻性和偏振圖像融合效果差等問題。
偏振二維成像技術的方法與應用
基于偏振差分的偏振二維成像技術
偏振差分成像（PDI）的原理是根據渾濁介質的散射光與目標反射光偏振特性的差異對散射光進行抑制。實際應用中，對偏振方向相互正交的線偏振圖像進行差分得到偏振差分圖像（即 Stokes矢量中的S1)。
此外，偏振差分技術還可用于圖像去霧。2003年Y.Y. Schechner等提出偏振差分成像結合大氣物理散射模型對圖像重建，利用偏振相機獲取正交的兩幀圖像并差分處理，實現了在霧霾環境中對目標的清晰成像，但未考慮直接透射光對偏振特性的影響。2014年合肥工業大學方帥等綜合考慮了散射光和直接透射光在成像過程中的聯合偏振效應，建立了新的偏振去霧模型，恢復了更多場景信息。2015年西安電子科技大學劉飛等人采用散射光和直接透射相結合的除霧方法，將偏振差分的思想與小波變換相結合，對距離相機400m的物體進行高清晰度成像。
基于圖像融合的偏振二維成像技術
基于偽彩色映射的圖像融合：2010年D.A.Lavigne等通過提取紅外強度圖像、偏振度圖像和偏振角圖像的公共信息，完成HSV三通道的偽彩色融合，最后映射到RGB空間獲得增強圖像。2011年周浦成等采用分解非負矩陣的方法對采集的偏振圖像進行處理，得到特征基向量，再映射到HIS空間最后轉變到RGB空間獲得增強圖像，可實現偽裝目標的分離。
基于深度學習的圖像融合：2021年中南大學張俊超等提出利用自學習策略解決偏振圖像融合問題，網絡由編碼器、融合和解碼器層組成，將編碼器提取的特征圖像進行融合，再輸入解碼器生成融合圖像。同年張晶晶等提出循環卷積神經網絡（CCNN）的方法實現可見光偏振圖像去霧，通過目標檢測子網絡檢測煙霧區域，利用編碼器-譯碼器子網絡生成無霧區域并與原始霧霾可見光偏振圖像融合，最后得到高清晰度的融合圖像。
偏振三維成像技術的原理與方法
1.偏振三維成像原理
光照射到各向異性的物質表面時，會產生鏡面反射光和漫反射光，根據反射光成分不同，偏振三維成像可分為基于鏡面反射光和漫反射光的偏振三維成像。物體表面法線方向由天頂角θ（入射角）和入射平面的方位角φ共同決定。在成像過程中，基于鏡面反射光的偏振三維成像技術存在天頂角不確定的問題，基于漫反射光的偏振三維成像技術雖然不存在天頂角模糊問題，但存在方位角的模糊問題，都需要進行去模糊處理以得到準確的目標表面法線場，進而實現三維重建。由馬呂斯定律知，探測器收集到的光強隨偏振器件的旋轉而變化，目標像素無論是以鏡面反射光為主還是以漫反射光為主，其法線方位角的實際值與計算值均存在180°的不確定性，導致三維面形恢復出現嚴重畸變，所以也需要對方位角進行去模糊處理。
2.基于鏡面反射光的偏振三維成像技術
1）天頂角的確定
2002年D.Miyazak等人采用旋轉目標測量法解決天頂角模糊問題，利用布儒斯特曲線將物體表面劃分為三個區域，可對天頂角進行分區域消歧。如果物體是封閉光滑的，解決特定區域內某一個點的模糊問題，即可完成全區域消歧。同年發現當使用紅外光照明時，鏡面反射光偏振度與天頂角的相關函數是單調的，通過測得光的偏振度可唯一確定天頂角，但紅外光的偏振度明顯比可見光小，對于較小的入射角，偏振度很難測量，所以將可見光和紅外光相結合是處理天頂角模糊問題的有效手段。2012年C.Stolz等提出用多光譜偏振處理方法得到準確的天頂角，根據不同波長光照下偏振度和布儒斯特角間的差異性解決天頂角的模糊問題，但需要測量多個波段的強度值，實驗裝置復雜。2015年G.Missael等提出利用圓偏振的方法處理天頂角的模糊問題，由天頂角與圓偏振度的關系為單調函數，可唯一確定天頂角。
2）方位角消歧
2006年O.Morel等提出利用主動照明法消除方位角歧義，采用LED環狀光源照明，從四個方向拍攝目標，通過分析各方向的強度圖像確定方位角，但成像過程較為復雜，且對光源和，且對光源和環境的要求嚴格。2017年D.Miyazak等提出利用偏振分析和空間雕刻法恢復目標三維形貌，首先通過空間雕刻技術粗略估計物體的三維形貌，然后加入偏振信息實現多視角偏振三維探測，利用奇異值分解（SVD）計算曲面法向量，使最小二乘誤差最小化，可估計光滑物體的形狀。
3.基于漫反射光的偏振三維成像技術
1）基于傳統光學三維成像方法的偏振三維成像技術
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結合光度立體視覺法的偏振三維成像：2007年G.Atkinson等提出利用光度立體視覺技術對方位角進行消歧，通過比較三個照明角度下拍攝圖像光強的大小實現對方位角的消歧，但對光源的位置要求嚴格，成像系統較為復雜，不易實現。
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結合飛行時間法（TOF）的偏振三維成像：2017年A. Kadambi等將偏振信息與飛行時間法相結合解決方位角的模糊問題，首先由Kinect（TOF相機）得到的粗糙深度獲取表面法線信息，然后結合公式校正由偏振信息得到的surface法線場。2019年北京大學楊錦發等利用Astra3D相機獲取目標的粗糙深度圖，并與偏振信息融合對方位角進行消歧，實現對光滑低紋理目標的三維重建，但該方法僅適用于反射成分為漫反射的物體，且引入了圖像配準的問題。
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結合多目立體視覺法的偏振三維成像：2017年西北工業大學平茜茜等將偏振信息與雙目立體視覺相結合，利用雙目立體視覺法標定得到相機參數，將偏振得到的圖像像素坐標系下的點云數據轉化為世界坐標系下的絕對數據，實現了高反光無紋理目標真實深度的測量。2019年D.Zhu等提出偏振相機和RGB相機的混合探測系統，通過計算粗糙深度圖的梯度計算引導表面法線，再利用引導表面法線消除由偏振信息獲取的表面法線的歧義。2021年北京大學張瑞華等采用多視角立體幾何與偏振信息融合的三維重建算法消除了方位角歧義，并采用泊松優化方法糾正天頂角偏差，實現對低紋理目標形貌的三三維重建。2022年武漢大學田昕等采用擬合數據項描述偏振面與融合結果之間的線性關系，將目標紋理從偏振曲面轉移到融合深度中，采用魯棒低秩矩陣分解約束雙目深度和融合深度，提高了融合深度的精度。
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結合結構光投影的偏振三維成像：2017年浙江大學汪凱巍等采用液晶投影儀（LCD），通過在液晶兩端施加不同強度的電壓可快速獲得具有不同偏振方向的出射光，無需旋轉線偏振片進行偏振調制，通過對每個結構光圖的快照估計場景中的線偏振度（DoLP），通過DoLP來識別目標，并有選擇性地進行重建，有利于高效的三維重建和偏振目標增強。
2）基于紅外偏振的三維成像
2021年西安電子科技大學韓平麗等提出一種近紅外單目偏振三維成像技術，在權重約束中引入參考梯度場，對非均勻反射目標表面法線的模糊進行全局校正，可成功重構出近場和遠場反射不均勻的目標形狀，并將偏振三維成像的應用擴展到復雜光照條件和較長的探測距離，分辨率為微米級。同年西北工業大學李磊磊等建立紅外偏振輻射模型，該方法不依賴光照條件和目標表面的紋理特征，具有重建精度較高、實時性好和無數據空洞等優點。
3）基于其他方位角校正算法的偏振三維成像
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結合陰影恢復法與偏振信息相結合的偏振三維成像：2012年A.Mahmoud等提出將陰影恢復法與偏振信息相結合對目標實現三維重建，首先利用偏振信息得到模糊的方位角，然后根據陰影信息得到的方位角構成的集合，通過比較元素使公式值最小來確定方位角的值，但該方法假設目標表面是漫進行漫反射表面，對鏡面反射像素并未處理，應用具有一定的局限性。
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基于求解大型稀疏線性方程組的偏振三維成像：2019年W.Smith等提出通過求解大型稀疏線性方程組從單幀偏振圖像中恢復表面高度，該方法不需要單獨進行方位角去模糊處理，在已知光源方向和目標表面均勻反射的情況下，首先對表面梯度進行平滑中心差分近似，然后將偏振約束和陰影約束表示為與未知深度相關的大型稀疏線性方程組的形式，最后利用線性最小二乘法對高度進行優化，并將其擴展到一個未校準的室外場景，對不同材料的物體形貌均能實現三維重建。2022年該團隊利用獨立成分分析的算法將鏡面反射和漫反射進行分離，然后利用朗伯體反射模型將漫反射光的強度數據轉換為高度數據，再根據高度信息得到表面法線信息，最后利用公式進行校正，可達到微米級的深度分辨率。
4）基于深度學習的偏振三維成像
2020年Y.Ba等提出深度學習結合偏振信息的方法實現目標三維重建，將0°、45°、90°、135°的偏振圖像和模糊法線作為輸入，通過神經網絡學習，最終輸出準確的表面法線。2022年西安電子科技大學韓平麗等采用基于卷積神經網絡的3DMM（3D Morphable Model）模型獲取每一像素的模糊表面法線，對由偏振信息得到的表面法線進行約束，從而實現了在自然光照明的環境中實現人臉的三維重建。
基于超表面偏振器件的偏振成像
1.超表面的特性與優勢
超表面是一種由亞波長人造天線按照特定順序均勻或非均勻排列而成的二維光學元件。與傳統光學元件不同，超表面的亞波長結構與入射電磁波相互作用，引發界面上光學參量的“突變”，對電磁波的相位產生調控，進而實現對電磁波偏振轉換。超表面偏振器件具有體積小、制備簡單且易集成的獨特優勢。
2.基于超表面偏振器件的研究與應用
近年來，隨著偏振成像技術領域的蓬勃發展，高效準確地獲取偏振信息成為關鍵。傳統偏振元件集成度低，導致偏振成像系統結構復雜、圖像配準誤差較大，制約了該領域發展。基于超表面結構的偏振器件能夠將各種偏振元件的功能集成于一體實現偏振探測，彌補了傳統偏振成像系統的不足。
此外，還有很多基于超表面偏振器件的研究成果。例如，2018 年美國科學家E.Arbabi等設計了一種基于介質超表面的分焦平面偏振相機，通過在基底上設計非晶硅天線結構，具有三組不同的偏振基，可以分別得到(I0，I90)、（I45，I-45）、（I1,Ir）三組正交偏振態，將三組偏振態正交的光聚焦到同一焦平面的不同位置，根據探測器接收的強度信息，實現全偏振態的測量和偏振成像。2019年，N.A.Rubin等利用矩陣傅里葉光學原理設計并制作了超表面偏振衍射光柵，當光入射到光柵上時，光柵可以將具有不同偏振信息的光進行分選并衍射到不同級次，能夠在圖像傳感器上形成四個對應圖像，得到的方位角圖像可用于三維成像。2022年，該團隊具體描述了如何將超表面偏振光柵和傳統的光強度成像系統相結合以創建一個能夠實現全Stokes偏振測量的系統。2020年，中國科學院宋國峰團隊利用金棒和SiO2薄膜組成的單層金屬超表面實現了0°、45°和90°偏光器的功能，入射光波長為1.6μm時，平均消光比均為33dB，工作帶寬為100nm。此外，添加SiO2間隔層和U型金納米結構組成雙層金屬超表面作為圓偏振器，在1.6μm波長下透射模式下的圓偏光二色性達到89%，消光比為830:1。由四個小像素組成的全Stokes超級像素可以實現對1.6μm波長任意偏振光的測量，該結構有望與紅外焦平面探測器集成，推動紅外偏振探測器的發展。
總結與展望
文章從偏振光的表示與傳播方式入手，先后對偏振成像系統、偏振二維成像技術、偏振三維成像技術和基于超表面偏振器件的偏振探測及成像的研究展開綜述，并對以上偏振成像系統分別進行詳細介紹和比較分析。
針對偏振成像過程中存在的問題，未來需從優化偏振成像系統、改進偏振器件和探測器集成工藝、增強算法普適性和降低復雜度、實現高實時偏振探測等四個方向深入研究。
偏振成像技術作為一種具有巨大潛力的光學成像技術，在未來還有很大的發展空間。通過不斷的研究和創新，相信它將在更多領域發揮重要作用，為我們帶來更清晰、更準確的成像效果。
聲明：本文僅用作學術目的。文章來源于:李智淵, 翟愛平, 冀瑩澤, 李國輝, 王東, 王文艷, 石林林, 冀婷, 劉飛, 崔艷霞. 光學偏振成像技術的研究、應用與進展[J]. 紅外與激光工程, 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.
