CN114518171B - 一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，具体步骤包括：(1)设计像素化偏振敏感光子器件，每个像素包括两种或者两种以上的各向异性纳米单元，使得两种正交的偏振光传播通过单个像素之后的归一化振幅差在0.02以上；(2)使用不同波长的单色光入射到所述像素化偏振敏感光子器件，同时改变入射光的偏振态，表征得到不同偏振态下光子器件每个像素的光谱，获取先验知识；(3)搭建成像系统，对成像场景进行光学采集；(4)构建并训练重建算法，重建全斯托克斯参量。本发明构建的偏振敏感的像素化光学器件可完成全偏振的光学调制，而且结合压缩感知理论与深度学习，可以通过一次采集，实现全斯托克斯的偏振成像。

Description

一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学、计算摄像学和深度学习领域，尤其涉及一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法。

背景技术

当成像目标与背景辐射强度接近时，目标容易淹没在背景信号当中，导致成像探测器无法形成有效的光强对比度。或当成像目标在水下时，由于水面反射偏振光的影响使得水下目标难以被探测。为了在这些复杂的环境中探测和识别目标，光学偏振成像技术蕴育而生。然而传统的偏振成像技术仍存在许多缺点与不足，如工作波长单一、分辨率损失、系统庞大、无法实现全Stokes偏振成像等。因此，突破现有技术的瓶颈，发展大带宽、消像差、高分辨、且易于集成化的全Stokes偏振成像系统将使其向实际应用迈进一大步。

发明内容

针对传统偏振成像系统的缺陷，本发明的目的在于提出一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法。该成像方法还具有大带宽、高分辨等多种优点。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，包括如下步骤：

步骤1，设计像素化偏振敏感光子器件，每个像素包括两种或者两种以上的各向异性纳米单元，使得两种正交的偏振光传播通过单个像素之后的归一化振幅差在0.02以上；

步骤2，使用不同波长的单色光入射到所述像素化偏振敏感光子器件，同时改变入射光的偏振态，表征得到不同偏振态下光子器件每个像素的光谱，获取先验知识；

步骤3，搭建成像系统，对成像场景进行光学采集；

步骤4，构建并训练重建算法，利用步骤2和3的结果重建全斯托克斯参量。

进一步地，步骤3中，所述成像系统包括光学镜头、所述像素化偏振敏感光子器件和传感器；所述像素化偏振敏感光子器件位于光学镜头和传感器之间。

进一步地，所述像素化偏振敏感光子器件直接加工在传感器表面。

进一步地，步骤1中，所述纳米单元结构包括第一介质材料、第二介质材料和基底，第一介质材料为第二介质材料的覆层，第二介质材料位于基底上。

进一步地，所述第二介质材料的折射率大于或等于基底的折射率；所述第二介质材料的折射率大于第一介质材料的折射率，且两者的折射率差大于0.4。

进一步地，步骤1中，所述纳米单元的高度H≤3λ，长宽均不大于1.5λ，周期P≤2λ，λ为入射光波长。

进一步地，步骤2中，改变入射光的偏振态包括六种：0°,90°,45°,135°的线偏振光和两种正交的圆偏振光。

进一步地，步骤2中，采用LED灯接积分球作为光源，在积分球出光口与像素化偏振敏感光子器件之间设有偏振装置。

进一步地，步骤4中，重建算法采用编码器-解码器结构，其输入信号分为两路，分别为步骤2中获取的器件光谱偏振响应与步骤3中采集得到的场景图像，经过编码器提取特征后并联送入解码器，由解码器重建出全斯托克斯图像。

进一步地，所述重建算法训练使用的数据集由光谱数据集生成，同时加入随机缩放因子调节各光谱通道幅值，以覆盖偏振数据的统计分布。

本发明提出了一套完整的集成式全斯托克斯偏振成像方法，该方法主要包括像素化偏振敏感光子器件的设计与制备、先验信息的采集和重建算法设计三部分。在硬件方面，设计的像素化偏振敏感光子器件能对包括圆偏振在内的所有偏振光均具有不同的响应，并且这种响应具有大带宽的特性，有能力覆盖整个可见光波段。在算法方面，本发明联合了压缩感知理论与深度学习，不仅能有效实现偏振态的重建，而且进一步提高了偏振信息的识别能力，提高了偏振图像的质量。值得一提的是，该方法由于不需要进行分孔径成像，可以充分利用成像传感器上的每个像素，因此具有高分辨的成像能力。在本发明中，使用单片超表面器件即可完成全偏振的光学调制，而且器件具有超薄的厚度，容易实现与探测器的无缝集成，推动了偏振成像系统向高度集成化方向发展。

附图说明

图1示出了本发明成像方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例中一种可选的成像装置示意图；

图3示出了本发明实施例中另一种可选的成像装置示意图；

图4示出了本发明实施例中像素化偏振敏感光子器件的一种可选的阵列示意图；

图5示出了本发明实施例中像素化偏振敏感光子器件可选的单个像素示意图；

图6示出了本发明实施例中像素化偏振敏感光子器件的一种可选的超胞，(a)是正视图，(b)是俯视图；

图7示出了本发明实施例中像素化偏振敏感光子器件对左旋和右旋光的影响仿真图，(a)右旋和(b)左旋圆偏振光入射情况下得到的光谱曲线；

图8示出了本发明实施例中算法结构示意图。

图中，1-光学镜头，2-像素化偏振敏感光子器件，3-传感器，4-第一介质材料，5-第二介质材料，6-基底。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

参照附图，本实施例的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，具体实现步骤如下：

步骤1，像素化偏振敏感光子器件的设计

像素化偏振敏感光子器件2由i×j的像素组成(图4)，相邻两个像素的偏振敏感特性不同，每个像素又由N×N的纳米单元结构组成。在本实施例中，设计的成像系统工作波长范围为可见光波段400-700nm。在每个纳米单元结构中，第二介质材料的折射率大于或等于基底的折射率，第二介质材料和基底可以为硅、氧化硅、氮化硅、氮化镓、氧化钛或氧化铪。第二介质材料的折射率大于和第一介质材料。两者的折射率差大于0.4。第一介质材料可以为空气、氧化硅或氟化镁。

在本实施例中，以二氧化钛材料作为第二介质材料5，空气作为第一介质材料1，基底6为二氧化硅，构成可见光波段的高效纳米结构单元。纳米结构的高度均为600nm，呈周期为360nm的正方晶格排列。本发明所述的偏振敏感光子器件中的每个像素主要由两种或者多种不同的纳米结构周期排列而成，图5给出了单个像素的一种示例。器件的尺寸大小为1.8mm，其中单个像素的大小为3.6μm，整个阵列由256种像素混合而成。每个像素可以由两种或者两种以上的纳米结构构成，需要满足的条件是：两种正交的偏振光传播通过单个像素之后的归一化振幅差在0.02以上。图6展示了由两种纳米结构交织而成的超胞。这两种纳米结构的长轴和短轴分别选取：结构1(100nm,210nm)，结构2(175nm,90nm)，结构1的旋转角度为0度，结构2的旋转角度为45度。图7为超胞的仿真结果，可以看出，对于正交的两个偏振入射获得了完全不同的光谱，验证了偏振敏感光子器件的有效性。

步骤2，先验知识的获取

标定采用LED灯接积分球作为光源，根据任务需求选择合适滤光片组放置于积分球出光口处。积分球出光口与像素化偏振敏感光子器件之间放置偏振设备，以调节入射光偏振态，偏振态共分六种，分别为0°、45°、90°、135°的线偏振光和两种正交的圆偏振光(左旋、右旋态)，使用相机拍摄像素化偏振敏感光子器件即可获取不同偏振、光谱下的响应值。

步骤3，成像系统的搭建

搭建光学成像系统，如图2所示，前端为光学镜头1，中间为像素化偏振敏感光子器件2，后端为传感器3。图3展示了像素化偏振敏感光子器件2也可以加工在传感器3表面。

步骤4，深度学习重建算法

算法训练数据集采集自31通道的可见光光谱数据集，随机抽取同一场景下六帧光谱数据，并对每个通道乘以0-1随机值后作为数据集标签，以覆盖偏振数据的统计分布，标签与标定所得的偏振响应曲线点成积分后可得训练数据对。

采用神经网络作为算法基础架构，结构细节见图8。算法采用编码器-解码器结构，输入信号分为两路，分别为步骤2中标定得到的器件光谱偏振响应与步骤3中采集得到的场景图像，经过编码器提取特征后并联送入解码器，由解码器重建出全斯托克斯图像。网络基础结构为残差链接的卷积神经网络，损失函数为网络输出与数据集中的标签的L2范数。

本实施例基于各向异性纳米单元结构对偏振敏感的特性，构建了偏振敏感的像素化光学器件，结合压缩感知理论，可以通过一次采集，实现全斯托克斯的偏振成像。由于像素化偏振敏感光学器件的超薄、平板特点，能够与现有的成像传感器进行完美结合制成高度集成的全斯托克斯偏振相机。

Claims (9)

1.一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设计像素化偏振敏感光子器件，每个像素包括两种或者两种以上的各向异性纳米单元，使得两种正交的偏振光传播通过单个像素之后的归一化振幅差在0.02以上；

步骤2，使用不同波长的单色光入射到所述像素化偏振敏感光子器件，同时改变入射光的偏振态，表征得到不同偏振态下光子器件每个像素的光谱，获取先验知识；

步骤3，搭建成像系统，对成像场景进行光学采集；

步骤4，构建并训练重建算法，利用步骤2和3的结果重建全斯托克斯参量；所述重建算法采用编码器-解码器结构，其输入信号分为两路，分别为步骤2中获取的器件光谱偏振响应与步骤3中采集得到的场景图像，经过编码器提取特征后并联送入解码器，由解码器重建出全斯托克斯图像。

2.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，步骤3中，所述成像系统包括光学镜头、所述像素化偏振敏感光子器件和传感器；所述像素化偏振敏感光子器件位于光学镜头和传感器之间。

3.如权利要求2所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，所述像素化偏振敏感光子器件直接加工在传感器表面。

4.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，步骤1中，所述纳米单元结构包括第一介质材料、第二介质材料和基底，第一介质材料为第二介质材料的覆层，第二介质材料位于基底上。

5.如权利要求4所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，所述第二介质材料的折射率大于或等于基底的折射率；所述第二介质材料的折射率大于第一介质材料的折射率，且两者的折射率差大于0.4。

6.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，步骤1中，所述纳米单元的高度H≤3λ，长宽均不大于1.5λ，周期P≤2λ，λ为入射光波长。

7.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，步骤2中，改变入射光的偏振态包括六种：0°,90°,45°,135°的线偏振光和两种正交的圆偏振光。

8.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，步骤2中，采用LED灯接积分球作为光源，在积分球出光口与像素化偏振敏感光子器件之间设有偏振装置。

9.如权利要求1所述的一种集成式的全斯托克斯偏振成像方法，其特征在于，所述重建算法训练使用的数据集由光谱数据集生成，同时加入随机缩放因子调节各光谱通道幅值，以覆盖偏振数据的统计分布。