偏振成像技術(shù)作為一種新型的光學成像技術(shù)，可以實現(xiàn)抑制背景噪聲、提高探測距離、獲取目標細節(jié)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(lǐng)域中具有良好的應用前景。

相比傳統(tǒng)的光學三維成像技術(shù)，偏振三維成像技術(shù)能夠反映目標的材質(zhì)、粗糙度等紋理特征，不依賴背景照度、環(huán)境溫度和對比度等因素，能夠在特殊環(huán)境中實現(xiàn)目標的有效探測。此外，超表面偏振器件在光的偏振轉(zhuǎn)換、旋光、矢量光束的產(chǎn)生等方面的研究為偏振成像系統(tǒng)的便攜化、實時化提供可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，太原理工大學光電工程學院與西安電子科技大學光電工程學院的聯(lián)合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“光學偏振成像技術(shù)的研究、應用與進展”為主題的文章。該文章第一作者為李智淵，主要從事基于超表面偏振器件的偏振三維成像技術(shù)的研究工作；通訊作者為翟愛平，主要從事結(jié)構(gòu)光投影三維傳感和散射成像等方面的研究。

文中首先介紹了偏振光成像的基本理論，接著對偏振成像系統(tǒng)的四種典型結(jié)構(gòu)進行詳細介紹和比較分析，然后分別對偏振二維成像、偏振三維成像和基于超表面偏振器件的偏振探測及成像的研究進展進行綜述，最后對偏振成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向進行總結(jié)和展望。

偏振成像的基本理論

光的偏振可以用電矢量法、瓊斯矩陣法、Poincare球和Stokes矢量法來描述。在偏振成像技術(shù)的實際應用中，最為常見的是通過獲取Stokes矢量求取需要的偏振特征參數(shù)。

圖1 反射光與折射光的垂直分量與平行分量示意圖

偏振成像系統(tǒng)

分時型偏振成像系統(tǒng)由于工作時需要機械的旋轉(zhuǎn)偏振片，無法實現(xiàn)動態(tài)場景的實時探測，而分振幅、分孔徑和分焦平面三種偏振成像系統(tǒng)，能一次獲得多幅偏振子圖像，實現(xiàn)動態(tài)目標的實時探測，成為國內(nèi)外科學家研究的熱點。

分時型偏振成像系統(tǒng)是將連續(xù)旋轉(zhuǎn)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。分振幅型偏振成像系統(tǒng)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(diào)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。分孔徑型偏振成像系統(tǒng)采用離軸或偏心的多組光學系統(tǒng)對同一目標進行探測，即在系統(tǒng)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。分焦平面型偏振成像系統(tǒng)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(xiàn)單次曝光采集同一目標不同偏振方向的圖像，具有高消光比、低損耗、結(jié)構(gòu)緊湊和實時性高等優(yōu)點，是當前偏振成像的研究熱點，也是未來偏振成像系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。

偏振二維成像技術(shù)方法及應用

基于偏振差分的偏振二維成像技術(shù)

偏振差分成像（PDI）的思想來源于仿生學。PDI根據(jù)渾濁介質(zhì)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，提高了散射介質(zhì)中目標的可見性。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。

利用偏振差分的思想實現(xiàn)圖像去霧也是國內(nèi)外科學家研究的熱點。霧霾條件下，探測器接收的光主要是散射光和直接透射光，其中散射光是造成圖像退化的主要原因。

基于圖像融合的偏振二維成像技術(shù)

基于圖像融合的偏振成像技術(shù)將強度圖像和偏振特征圖像通過特定的算法進行融合，獲得比原始圖像更豐富的細節(jié)信息，有效提高目標與背景的對比度。

偏振圖像的融合可以分為三種，一是基于偽彩色映射的圖像融合。二是基于多尺度變換的圖像融合，多尺度變換的方法有小波變換、支持度變換（SVT）和非下采樣剪切波變換（NSST）等。三是基于深度學習的圖像融合。

圖2 （a）基于NSST偏振圖像融合框架圖；（b）網(wǎng)絡架構(gòu)

偏振三維成像原理及方法

偏振三維成像原理：光照射到各向異性的物質(zhì)表面時，會產(chǎn)生鏡面反射光和漫反射光。根據(jù)反射光成分的不同，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。

基于鏡面反射光的偏振三維成像技術(shù)主要包括天頂角的確定和方位角消歧。

基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)不存在天頂角模糊問題，因此對方位角的消歧方法展開綜述。主要包括：基于傳統(tǒng)光學三維成像方法、結(jié)合飛行時間法（TOF）、結(jié)合多目立體視覺法和結(jié)合結(jié)構(gòu)光投影和基于深度學習的偏振三維成像。

目前，偏振三維成像技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對單一靜態(tài)目標的三維重建。然而，基于鏡面反射光的偏振三維成像技術(shù)中天頂角的消歧過程繁瑣，無法通過一次探測確定唯一的天頂角；基于漫反射光的偏振三維成像技術(shù)存在漫反射光分量少，不易探測和鏡面反射光干擾等問題，針對其方位角的模糊問題，通常需要結(jié)合其他三維感知技術(shù)獲取先驗信息，實現(xiàn)對方位角的約束，嚴重制約了基于漫反射光偏振三維成像技術(shù)的廣泛應用。

圖3 成像結(jié)果：（a）基于偏振成像與雙目立體視覺融合的三維重建；（b）近紅外單目偏振三維成像；（c）基于稀疏線性方程組的線性深度估計；（d）基于深度學習的偏振三維重建。

基于超表面偏振器件的偏振成像

近年來，隨著偏振成像技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，高效準確的獲取偏振信息成為偏振成像技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)偏振元件集成度低，導致對應的偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、圖像配準誤差較大，嚴重制約了該領(lǐng)域的發(fā)展。基于超表面結(jié)構(gòu)的偏振器件能夠?qū)⒏鞣N偏振元件的功能集成于一體實現(xiàn)偏振探測，彌補了傳統(tǒng)偏振成像系統(tǒng)的不足。

圖4 （a）超表面與CCD陣列的偏振測量裝置；（b）器件結(jié)構(gòu)SEM圖像；（c）偏振成像；（d）全Stokes偏振成像

總結(jié)與展望

文中主要從偏振探測和成像應用兩方面對偏振成像技術(shù)進行綜述。首先比較分析了傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)，其中，分焦平面型偏振成像系統(tǒng)由于實時性高、集成性好等優(yōu)點成為當前傳統(tǒng)偏振成像的研究熱點，但其仍存在偏振陣列消光比低和圖像融合算法適用性差等缺點。基于傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)，偏振二維成像技術(shù)和偏振三維成像技術(shù)被國內(nèi)外科學家深入研究并取得了巨大進展。文中詳細介紹了基于偏振差分和圖像融合的偏振二維成像技術(shù)。偏振二維成像技術(shù)在水下和霧霾環(huán)境中取得了良好的成像效果，但是在散射因子高的環(huán)境中成像和對高、低偏振度目標的分離仍然是需要克服的難題。

對于偏振三維成像技術(shù)，文中對成像過程中解決方位角和天頂角多值性問題的方法進行詳細介紹。雖然當前已經(jīng)可以實現(xiàn)對自然環(huán)境中單一物體的高精度三維重建，但是恢復的是目標的相對高度而非絕對高度。此外，現(xiàn)有的偏振三維成像技術(shù)無法對不連續(xù)的、動態(tài)的目標實現(xiàn)三維形貌恢復，仍需針對這些問題展開進一步研究。隨著微納加工技術(shù)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展進步，體積更小、集成度更高的超表面結(jié)構(gòu)被國內(nèi)外科學家研究應用于偏振探測。文中最后對基于超表面結(jié)構(gòu)的偏振器件實現(xiàn)全偏振探測進行介紹，并介紹了超表面偏振器件在成像領(lǐng)域中的應用。

針對偏振成像過程中存在的問題，在未來的工作中，需要從以下四個方向進行深入研究：

（1）優(yōu)化偏振成像系統(tǒng)。從光源的選擇、偏振光的傳輸、偏振光的調(diào)制、偏振光的獲取及偏振光的處理五個部分進行優(yōu)化，減少各個環(huán)節(jié)中帶來的誤差；

（2）改進偏振器件和探測器的集成工藝。無論是基于金屬線柵的微偏振陣列還是基于超表面結(jié)構(gòu)的偏振器件，高精度的集成工藝能夠顯著減少像元間的串擾，提高消光比。此外，如何將超表面偏振器件與傳統(tǒng)的強度探測器相結(jié)合以增強偏振探測能力也是未來需要攻克的難題；

（3）增強算法的普適性和降低算法復雜度。偏振二維成像中需要采用更為魯棒且效果更好的算法對偏振特征圖像進行處理，提取視場中目標更多的信息。偏振三維成像中盡可能減少對其它方法的依賴，研究僅以偏振信息為主的算法實現(xiàn)目標的三維重建；

（4）實現(xiàn)高實時偏振探測。隨著三維探測在各領(lǐng)域的應用范圍不斷增加，偏振三維成像技術(shù)僅能實現(xiàn)靜態(tài)且單一連續(xù)目標的三維重建已經(jīng)不能滿足實際的應用需求。可以通過改進以下幾個方面實現(xiàn)實時探測：提高圖像獲取速率；減少三維重建所需偏振子圖像的數(shù)量；避免利用其它設(shè)備獲取先驗信息。以上均是偏振成像過程中亟待解決的的難題，合理有效的綜合各種先進工藝和方法實現(xiàn)高實時偏振探測是未來偏振成像技術(shù)的重要發(fā)展方向。

審核編輯：劉清