偏振光学成像:器件,技术与应用(特邀)

偏振是强度、波长和相位之外描述电磁波基本属性的第四个重要的“信息维度”参量,物体反射光或辐射光的偏振特性与其材质、几何形状、纹理结构和表面粗糙度、理化特性等本身性质密切相关。偏振光学成像是基于对光的偏振信息进行探测的新型光学成像手段,其利用目标反射光和背景杂散光的偏振特性差异,以达到改善目标成像质量、提高作用距离、提升探测能力和增强识别概率的目的。作为对强度、光谱和红外成像方式的有效补充手段,偏振光学成像对低信噪比复杂背景环境、强散射环境、低照度环境下的目标探测,具有重要的应用价值。结合作者多年来在偏振光学成像探测方面的研究工作基础,围绕相关的器件、技术和应用发展状况,对偏振光学成像研究领域进行了较为详细的介绍。包括偏振光学成像技术及偏振相机的国内外研究、发展和应用状况,与偏振光学成像密切相关的偏振光Stoke矩阵表示及偏振光学成像基本原理,以及研究团队在偏振相机研制及偏振光学成像探测方面开展的研究工作,主要涉及分孔径偏振光学成像系统的设计及关键器件和技术,偏振图像的信息处理技术及算法和应用。最后,对偏振光学成像研究目前需要解决的技术问题和发展方向给出了思考和建议。

水下目标偏振光学成像实验研究

搭建一种水下目标偏振光学成像探测水槽实验平台,研究斯托克斯矢量参数图像成像效果。根据图像信息指标探讨两种成像观测角度偏振图像采集方案以及最佳水下目标物距离,并分析在水体环境中多种目标材质以及不同浑浊度下目标物偏振特性信息变化。实验结果表明,采用0°、60°、120°成像采集方案,在相对较远距离以及较为浑浊的水体环境中,获取的不同材质的目标物其偏振图像仍满足目标物信息需求。由此可见,通过水下偏振光学成像获取到的图像能够较为理想地反映水下目标物的边缘细节、纹理轮廓等重要信息。

Optical polarization imaging for underwater target detection with non-scatter background

For conventional optical polarization imaging of underwater target,the polarization degree of backscatter should be pre-measured by averaging the pixel intensities in the no target region of the polarization images,and the polarization property of the target is assumed to be completely depolarized.When the scattering background is unseen in the field of view or the target is polarized,conventional method is helpless in detecting the target.An improvement is to use lots of co-polarization and cross polarization detection components.We propose a polarization subtraction method to estimate depolarization property of the scattering noise and target signal.And experiment in a quartz cuvette container is performed to demonstrate the effectiveness of the proposed method.The results show that the proposed method can work without scattering background reference,and further recover the target along with smooth surface for polarization preserving response.This study promotes the development of optical polarization imaging systems in underwater environments.

偏振空间频域成像系统及仿体验证

偏振光学成像是一种非标记、无损伤的检测技术,对亚波长微观结构的变化比较敏感,可以提供丰富的组织结构和光学信息。然而,在可见波段范围内,生物组织是强散射介质,光在组织中传播时会经历多次散射,失去原本携带的相位和偏振信息,从而影响光学成像的对比度和分辨率。本团队结合空间频域成像和偏振光学成像方法,搭建了偏振空间频域成像系统。通过高频空间频域成像控制照明光的穿透深度,利用穆勒矩阵表征样品浅层的偏振参数,进而反映样品浅层的微观结构信息。实验结果显示:偏振空间频域成像系统测得的灰阶板漫反射率与标准值线性相关(R2=0.99988);退偏系数与脂肪乳体积分数成正比关系,二向衰减系数随二向衰减器导致的二向衰减增大而增大;该系统可以准确测量四分之一波片和全波片的相位延迟,表明该系统可以准确测量样品的偏振参数。对比传统偏振光成像和偏振空间频域成像结果可以发现,偏振空间频域成像可以有效控制成像深度,精确测量样品浅层的穆勒矩阵。采用该系统对烧伤猪皮进行检测,测量结果显示:猪皮组织内部的胶原蛋白结构被破坏,相位延迟降低。本研究结果预期能够有效提升浅层组织偏振特性检测的准确性,促进肿瘤的早期检测。