偏振成像本领手脚一种新式的光学成像本领，不错完了扼制布景噪声、提升探伤距离、获取斟酌细节特征和识别伪装斟酌等功能。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范畴中具有邃密的应用长进。

凭据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现与传播格式脱手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像本领、偏振三维成像本领和基于超名义偏振器件的偏振探伤及成像的盘问伸开综述，并对以上偏振成像系统分别进行细心先容和相比分析。临了，对偏振成像本领的发展长进进行了斟酌。

布景与上风

传统光学成像本领主要期骗光的强度信息进行斟酌探伤和识别。经过多年的发展，天然取得了显赫跳跃，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，这导致在成像经过中光场信息丢失，况且在恶劣环境下难以畴前责任。

而偏振成像本领则不同，它期骗了光的偏振本性。光手脚一种电磁波，其偏振本性反应了电场矢量在空间传播时的振动场合。偏振成像本领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，不错得回物体的体式、材料约略度等多维信息。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执智力雄壮于强度信息，这使得偏振成像本领在特地环境下约略更有用地完了斟酌探伤。基于这些独到上风，偏振成像本领在通讯、成像和探伤等范畴皆得到了等闲应用。

基本表面

1.偏振光的Stokes表现

Stokes矢量法是形色偏振光的常用要领。它通过四个重量S=[S0,S1,S2,S3]T来表现随性偏振光的偏振态。其中，S0表现光场总强度，S1表现0°和90°场合线偏振光的光强差，S2表现±45°场合线偏振光的光强差，S3表现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（常常收用0°、±45°、90°场合）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，是以收受这种格式。同期，偏振度DoP和偏振角β是形色偏振光本性的迫切参数，可凭据Stokes矢量贪图得到。

2.菲涅耳方程

当非偏振光入射到斟酌名义时，其传播模子波及到入射光解析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斟酌名义后反射光和折射光的偏振度DoPr和DoPt的贪图公式。反射光与折射光的垂直重量与平行重量默示图

偏振成像系统的分类与本性

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贯穿旋转的线偏振片置于探伤器前，次第得回各线偏振场合的图像，临了贪图得到偏振特征图像。举例，2000年J.Peterson等针对遥感斟酌设想的分时型偏振成像仪，将探伤器积分时分与偏振片旋转时分同步克服了延时问题；2007年L.Bigué设想的高速偏振仪期骗铁电液晶光调制器手脚半波片，可完了正交双稳态切换，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年该团队改进系统完了全Stokes偏振探伤，帧率为200fps。天然这种系统结构浅易，但由于责任时需要机械旋转偏振片，无法完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期骗分光元件将反射光分红多个通说念，在每个通说念中实行不同的偏振调制决策，期骗多个探伤器分别在各通说念同期获取团结斟酌场景的多幅图像。1982年R.Azzam等设想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想缺欠，完了了精准配准。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，光路校准贫瘠，况且光能量损耗大，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率受离轴或偏心的多组光学系统对团结斟酌进行探伤，在系统孔径处，离轴遗弃四个成像透镜形成四个通说念，每个通说念遗弃偏振元件，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设想减小了分孔径阵列的偏心进程，排斥了离轴分孔径阵列组带来的特地像差，保证了成像质料。这种系统结构紧凑、制酿资本低，但离轴或偏心结构导致设想和装配较为复杂，加工缺欠会使各组光学系统性能存在各异，进而引入配准缺欠，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场合的微偏振阵列（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场合的微偏振片对应，完了单次曝光采集团结斟酌不同偏振场合的图像。1999年J.Nordin等初度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等期骗插手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，设想制作并测试了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设想并制作了可见光全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落。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，提升了偏振探伤性能。该系统具有高消光比、低损耗、结构紧凑和及时性高档优点，是现时偏振成像的盘问热门和畴昔主流场合，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和会效果差等问题。

偏振二维成像本领的要领与应用

基于偏振差分的偏振二维成像本领

偏振差分红像（PDI）的旨趣是凭据混浊介质的散射光与斟酌反射光偏振本性的各异对散射光进行扼制。骨子应用中，对偏振场合相互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，将金属斟酌悬浮于稀释的牛奶中模拟水下环境，阐明注解了该要领可呈现老例偏振成像要领不见解的名义特征。2009年T.Treibitz等将主动照明本领引入偏振成像，收受大视场东说念主工照明并加入偏振器件扼制后向散射光，但水下成像距离仅为1-2m。2016年天津大学胡浩丰等轮廓盘问了散射光和径直透射光的偏振对水下成像的影响，通过弧线拟合要领臆想斟酌信号的偏振差分图像，改善了水下成像质料。2022年南京理工大学陈钱课题组提议在一个齐全的图像变化周期内采集一系列不同偏振场合的图像，将这些图像累加的收尾手脚偏振维度的积分，进一步得到各像素的偏振度和明晰的偏振差分图像，能有用扼制图像噪声，提升水下成像质料。

此外，偏振差分本领还可用于图像去雾。2003年Y.Y. Schechner等提议偏振差分红像团结大气物理散射模子对图像重建，期骗偏振相机获取正交的两帧图像并差分处理，完了了在雾霾环境中对斟酌的明晰成像，但未商量径直透射光对偏振本性的影响。2014年合肥工业大学方帅等轮廓商量了散射光和径直透射光在成像经过中的聚合偏振效应，建造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说念主收受散射光和径直透射相团结的除雾要领，将偏振差分的想想与小波变换相团结，对距离相机400m的物体进行玄机晰度成像。

基于图像和会的偏振二维成像本领

基于伪彩色映射的图像和会：2010年D.A.Lavigne等通过索求红外强度图像、偏振度图像和偏振角图像的众人信息，完成HSV三通说念的伪彩色和会，临了映射到RGB空间得回增强图像。2011年周浦成等收受解析非负矩阵的要领对采集的偏振图像进行处理，得到特征基向量，再映射到HIS空间临了转变到RGB空间得回增强图像，可完了伪装斟酌的分离。

基于多纪律变换的图像和会：多纪律变换的要领有小波变换、撑执度变换（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期骗SVT将红外偏振图像和强度图像解析并组合，临了收复和会图像。2015年中国科学院光电本领盘问所刘征等提议基于NSST的可见光偏振图像和会要领，通过NSST解析得到多个子频带，凭据高频能量窗和频域低频均值细目和会悉数，临了得到和会图像。2016年梁健等收受多纪律定向非局部均值（MDNLM）滤波器的红外与可见光图像和会要领完了偏振去雾。

基于深度学习的图像和会：2021年中南大学张俊超级提议期骗自学习战术处理偏振图像和会问题，蚁集由编码器、和会息争码器层组成，将编码器索求的特征图像进行和会，再输入解码器生成和会图像。同庚张晶晶等提议轮回卷积神经蚁集（CCNN）的要领完了可见光偏振图像去雾，通过斟酌检测子蚁集检测烟雾区域，期骗编码器-译码器子蚁集生成无雾区域并与原始雾霾可见光偏振图像和会，临了得到玄机晰度的和会图像。 (a) 基于NSST偏振图像和会框架图；(b) 蚁集架构

偏振三维成像本领的旨趣与要领

1.偏振三维成像旨趣

光照耀到各向异性的物资名义时，会产生镜面反射光和漫反射光，凭据反射光要素不同，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。物体名义法线场合由天顶角θ（入射角）和入射平面的场合角φ共同决定。在成像经过中，基于镜面反射光的偏振三维成像本领存在天顶角不细方针问题，基于漫反射光的偏振三维成像本领天然不存在天顶角浑沌问题，但存在场合角的浑沌问题，皆需要进行去浑沌处理以得到准确的斟酌名义法线场，进而完了三维重建。由马吕斯定律知，探伤器收罗到的光强随偏振器件的旋转而变化，斟酌像素无论是以镜面反射光为主还是以漫反射光为主，其法线场合角的骨子值与贪图值均存在180°的不细目性，导致三维面形收复出现严重畸变，是以也需要对场合角进行去浑沌处理。(a)、(b) 镜面反射光和漫反射光偏振度与入射角的筹商；(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本领

1）天顶角的细目2002年D.Miyazak等东说念主收受旋转斟酌测量法处理天顶角浑沌问题，期骗布儒斯特弧线将物体名义分裂为三个区域，可对天顶角进行分区域消歧。要是物体是禁闭光滑的，处理特定区域内某一个点的浑沌问题，即可完周至区域消歧。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有关函数是单调的，通过测得光的偏振度可惟一细目天顶角，但红外光的偏振度彰着比可见光小，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团结是处理天顶角浑沌问题的有用技能。2012年C.Stolz等提议用多光谱偏振处理要领得到准确的天顶角，凭据不同波长光照下偏振度和布儒斯特角间的各异性处理天顶角的浑沌问题，但需要测量多个波段的强度值，实践装配复杂。2015年G.Missael等提议期骗圆偏振的要领处理天顶角的浑沌问题，由天顶角与圆偏振度的筹商为单调函数，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筹商；(d) 两个不同波长下入射角和偏振度筹商图；(e) 线偏振度(DoLP)、圆偏振度(DoCP)和天顶角的筹商

2）场合角消歧

2006年O.Morel等提议期骗主动照明法排斥场合角歧义，收受LED环状光源照明，从四个场合拍摄斟酌，通过分析各场合的强度图像细目场合角，但成像经过较为复杂，且对光源和，且对光源和环境的要求严格。2017年D.Miyazak等提议期骗偏振分析和空间雕琢法收复斟酌三维相貌，最初通过空间雕琢本领苟简臆想物体的三维相貌，然后加入偏振信息完了多视角偏振三维探伤，期骗奇异值解析（SVD）贪图曲面法向量，使最小二乘缺欠最小化，可臆想光滑物体的体式。

3.基于漫反射光的偏振三维成像本领

1）基于传统光学三维成像要领的偏振三维成像本领

团结光度立体视觉法的偏振三维成像：2007年G.Atkinson等提议期骗光度立体视觉本领对场合角进行消歧，通过相比三个照明角度下拍摄图像光强的大小完了对场合角的消歧，但对光源的位置要求严格，成像系统较为复杂，不易完了。

团结翱游时分法（TOF）的偏振三维成像：2017年A. Kadambi等将偏振信息与翱游时分法相团结处理场合角的浑沌问题，最初由Kinect（TOF相机）得到的约略深度获取名义法线信息，然后团结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期骗Astra3D相机获取斟酌的约略深度图，并与偏振信息和会对场合角进行消歧，完了对光滑低纹理斟酌的三维重建，但该要领仅适用于反射要素为漫反射的物体，且引入了图像配准的问题。

团结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团结，期骗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回荡为宇宙坐标系下的竣工数据，完了了高反光无纹理斟酌真确深度的测量。2019年D.Zhu等提议偏振相机和RGB相机的搀杂探伤系统，通过贪图约略深度图的梯度贪图训诲名义法线，再期骗训诲名义法线排斥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收受多视角立体几何与偏振信息和会的三维重建算法排斥了场合角歧义，并收受泊松优化要领改动天顶角偏差，完了对低纹理斟酌相貌的三三维重建。2022年武汉大学田昕等收受拟合数据项形色偏振面与和会收尾之间的线性筹商，将斟酌纹理从偏振曲面转化到和会深度中，收受鲁棒低秩矩阵解析敛迹双目深度和和会深度，提升了和会深度的精度。

团结结构光投影的偏振三维成像：2017年浙江大学汪凯巍等收受液晶投影仪（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场合的出射光，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想场景中的线偏振度（DoLP），通过DoLP来识别斟酌，并有遴荐性地进行重建，故意于高效的三维重建和偏振斟酌增强。

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本领，在权重敛迹中引入参考梯度场，对非均匀反射斟酌名义法线的浑沌进行全局校正，可得胜重构出近场和远场反射不均匀的斟酌体式，并将偏振三维成像的应用膨胀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建造红外偏振发射模子，该要领不依赖光照条款和斟酌名义的纹理特征，具有重建精度较高、及时性好和大皆据空泛等优点。

3）基于其他场合角校正算法的偏振三维成像

团结暗影收复法与偏振信息相团结的偏振三维成像：2012年A.Mahmoud等提议将暗影收复法与偏振信息相团结对斟酌完了三维重建，最初期骗偏振信息得到浑沌的场合角，然后凭据暗影信息得到的场合角组成的聚会，通过相比元素使公式值最小来细目场合角的值，但该要领假定斟酌名义是漫进行漫反射名义，对镜面反射像素并未处理，应器具有一定的局限性。

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，该要领不需要单独进行场合角去浑沌处理，在已知光源场合和斟酌名义均匀反射的情况下，最初对名义梯度进行平滑中心差分相通，然后将偏振敛迹和暗影敛迹表现为与未知深度有关的大型寥落线性方程组的步地，临了期骗线性最小二乘法对高度进行优化，并将其膨胀到一个未校准的室外场景，对不同材料的物体相貌均能完了三维重建。2022年该团队期骗落寞要素分析的算法将镜面反射和漫反射进行分离，然后期骗朗伯体反射模子将漫反射光的强度数据调动为高度数据，再凭据高度信息得到名义法线信息，临了期骗公式进行校正，可达到微米级的深度分辨率。成像收尾。(a) 基于偏振成像与双目立体视觉和会的三维重建；(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想；(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等提议深度学习团结偏振信息的要领完了斟酌三维重建，将0°、45°、90°、135°的偏振图像和浑沌法线手脚输入，通过神经蚁集学习，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收受基于卷积神经蚁集的3DMM（3D Morphable Model）模子获取每一像素的浑沌名义法线，对由偏振信息得到的名义法线进行敛迹，从而完了了在天然光照明的环境中完了东说念主脸的三维重建。

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说念主造天线按照特定端正均匀或非均匀摆设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相互作用，激励界面上光学参量的“突变”，对电磁波的相位产生调控，进而完了对电磁波偏振调动。超名义偏振器件具有体积小、制备浅易且易集成的独到上风。

2.基于超名义偏振器件的盘问与应用

连年来，跟着偏振成像本领范畴的蕃昌发展，高效准确地获取偏振信息成为要道。传统偏振元件集成度低，导致偏振成像系统结构复杂、图像配准缺欠较大，制约了该范畴发展。基于超名义结构的偏振器件约略将多样偏振元件的功能集成于一体完了偏振探伤，弥补了传统偏振成像系统的不及。

2018年，P.C.Wu等设想了基于可见光超名义的片上偏振器件，实考阐明注解集成的超名义芯片可通过单次曝光细目一组Stokes参数，遮盖可见光波段。2019年，A.Basiri等设想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，传输效力大于80%，将其与线性偏振滤波器集成在团结芯片上，约略完了全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设想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，该结构可得到随性偏振入射光包括红外光（1550nm）的光强、偏振场合等信息，得回全Stokes参数。2021年，中国科学院张冲等设想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，每个像素由三个场合的线偏振器和一个单层平面结构的圆偏振器组成，设想的圆偏振滤波器在1.6μm波长下的最大圆二色性可达 70%，在波长为1.48-1.6μm的平均透射效力可达80%以上。2022年，西安工业大学孙雪对等期骗矩形TiO2纳米结构设想了正交线性和圆偏振复用超构透镜，前者约略落寞截至x线偏振光和y线偏振光的聚焦位置，聚焦效力分别为53.81%和51.56%，后者对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光聚焦效力分别可达42.45%和42.46%。

此外，还有许多基于超名义偏振器件的盘问后果。举例，2018 年好意思国科学家E.Arbabi等设想了一种基于介质超名义的分焦平面偏振相机，通过在基底上设想非晶硅天线结构，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团结焦平面的不同位置，凭据探伤器吸收的强度信息，完了全偏振态的测量和偏振成像。2019年，N.A.Rubin等期骗矩阵傅里叶光学旨趣设想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，约略在图像传感器上形成四个对应图像，得到的场合角图像可用于三维成像。2022年，该团队具体形色了若何将超名义偏振光栅和传统的光强度成像系统相团结以创建一个约略完了全Stokes偏振测量的系统。2020年，中国科学院宋国峰团队期骗金棒和SiO2薄膜组成的单层金属超名义完了了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手脚圆偏振器，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超级像素不错完了对1.6μm波长随性偏振光的测量，该结构有望与红外焦平面探伤器集成，鼓吹红外偏振探伤器的发展。 (a) 超名义与CCD阵列的偏振测量装配；(b) 器件结构SEM图像；(c) 偏振成像；(d) 全Stokes偏振成像

回归与斟酌

著述从偏振光的表现与传播格式脱手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像本领、偏振三维成像本领和基于超名义偏振器件的偏振探伤及成像的盘问伸开综述，并对以上偏振成像系统分别进行细心先容和相比分析。

针对偏振成像经过中存在的问题，畴昔需从优化偏振成像系统、改进偏振器件和探伤器集成工艺、增强算法普适性和镌汰复杂度、完了高及时偏振探伤等四个场合久了盘问。偏振成像本领手脚一种具有巨大后劲的光学成像本领，在畴昔还有很大的发展空间。通过连接的盘问和转换，敬佩它将在更多范畴弘扬迫切作用，为咱们带来更明晰、更准确的成像效果。

声明：本文仅用作学术方针。著述着手于: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. 光学偏振成像本领的盘问、应用与进展[J]. 红外与激光工程, 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.