基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究

构建一种小型、简洁的活体微循环多光谱成像系统,将正交偏振光谱成像术OPS Imaging及液晶可调谐滤光片LCTF应用于活体微循环多光谱成像。LCTF具有较高的成像质量、较低的功耗、且没有移动部件和图像移动,能够连续、随机地在可见-近红外波段上快速实现波长的任意调谐。利用该系统,对活体裸鼠的耳廓采用检偏角为90°(正交偏振方式)与0°两种方式进行了试验,获取了裸鼠耳廓微血管的多光谱图,得出采用正交偏振成像方式的图像的对比度及图像细节均优于检偏角为0°时的图像。试验验证了正交偏振多光谱成像技术能增强活体微循环观察效果。     

三自由度偏振差分水下成像技术

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。     

基于频谱信息的浑浊水下偏振成像技术

水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光,是浑浊水下成像的有效方法。然而,现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光,对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性,基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制,从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验,实验结果表明,所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光,最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像,尤其对于高浑浊水体,成像清晰度提升效果明显。     

偏振成像技术提高成像清晰度、成像距离的定量研究

阐述了水下成像清晰度和成像距离的增大与偏振成像技术的关系;推导了偏振成 像系统图像清晰度与成像距离的关系式　并通过实验获得实测数据　根据推导的关系式分析 并计算得到的结果与实测数据相符合　定量地说明了偏振技术提高了图像清晰度和成 像距离. 关键词：     

多光参量测量成像技术用于雾霾天气的实验研究

针对雾霾天气条件下目标对比度下降问题,研制成功了一套多光参量测量成像系统。通过多光参量成像的系统级辐射响应模型及模型参数分离式标定,实现雾霾天气情况下的多种场景目标成像实验观测。结果显示:楼房玻璃反射光中的偏振分量相对较强,通过线偏振、圆偏振、偏振角图像,可以清晰地分辨玻璃窗结构;普通的强度信息很难辨别雾霾天气下的路口车辆,在线偏振及偏振角图像中能够看到车辆,但是掺杂了树木的偏振信息,车辆信息较模糊;在圆偏振信息图像中,树木的圆偏振信息较少,车辆目标对比度提高20%。     

多角度偏振成像仪杂散光校正方法研究

多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式的偏振成像传感器,杂散光是影响其辐射偏振测量精度的重要因素之一。为了避免杂散光影响高精度定量参数的反演,需要在实验室对其进行专门的分析、测量和校正。根据多角度偏振成像仪的光学系统特点,将影响仪器的杂光分为局部杂光和全局杂光,重点分析了这两种杂光的成因和表现特性,并以此为基础构建了仪器的杂散光模型,提出了通过分区域照明获取杂光系数矩阵并对待校图像进行分块校正的方法。在未饱和及过饱和两种情况下,通过分矩形区域、分视场二维转动扫描成像的方式,建立了目标区辐射量和其他非目标区杂光量的关系,最终获得11×11区域的杂散光系数矩阵。最后根据实测得到的杂散光系数矩阵对图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的杂散光。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

分时偏振成像系统中光束偏离的补偿方法研究

分时偏振成像系统需要通过旋转检偏器获取场景的偏振信息(I, Q, U), 检偏器的前后表面间不平行(也称为楔角)将导致成像光束发生偏离且随检偏器旋转而旋转, 这将降低偏振成像系统的空间分辨率和偏振测量精度. 本文提出调整检偏器相对于入射主光轴倾斜角的方法来补偿上述光束偏离. 以格兰棱镜作为检偏器, 根据几何光学理论, 推导了分时偏振成像系统光束偏离的一阶近似补偿模型, 获得倾斜角与格兰棱镜楔角之间的函数关系, 并通过仿真模拟验证了该补偿方法的可行性和有效性. 研究结果表明, 将格兰棱镜置于汇聚光路中, 光束偏离的一阶误差可以通过调节格兰棱镜的倾斜角有效补偿; 倾斜角大小与棱镜折射率、楔角及棱镜距电荷耦合元件靶面的距离成正比, 与棱镜厚度成反比. 该结果为研制高精度分时偏振成像系统提供了切实可行的理论依据.     

利用变偏振光谱技术实现显微成像深度选择

在正交偏振光谱(OPS)微循环成像系统的基础上,提出了通过改变信号光的偏振态来实现成像深度的选择。传统的OPS系统利用的是正交线偏振光,只能获得图像在某一断层的二维信息,但作者通过控制系统起、检偏单元椭圆偏振光的椭圆度,可以在不进行机械扫描的情况下将成像光束聚焦在不同的断层,从而获得不同深度处的组织信息。构建的变偏振光谱成像系统将光源发射光谱与红血球吸收光谱相匹配,可以实现微血管的探测,且具有较高的信噪比。对一块含标记物的猪肉脂肪进行实验,并通过图像处理得到了对比度与信号光偏振态间的定量关系。实验结果表明：椭圆度由0°～45°增大,即从线偏振光向圆偏振光转变的过程中,对比度逐渐增大,可探测到的最大深度增大。最后利用该系统,对裸鼠耳廓微血管进行了变偏振光谱测量实验,实验证明了控制偏振态可以实现对血管不同深度的探测,为微血管断层光谱成像提供了一种新的研究手段。     

基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息,设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。该系统由光学接收模块、相位调制器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、检偏器以及成像模块组成。其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光,并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上,从而构成两幅偏振图像。两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消,从而获得目标的纯图像信息,两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消,从而获得目标的纯干涉条纹。通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板,完成了全偏振图像的实时采集。经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变,又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响,从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。该系统具有稳定性高、光谱分辨率可调、信噪比高、可识别能力强等特点,对在复杂背景中提取目标图像、光谱及偏振态信息具有重要意义。     

Rotating orthogonal polarization imaging

Surface reflections often present a problem in the polarization difference imaging of tissue. The technique described involves illumination in a single polarization state and detection in the orthogonal polarization state. Synchronously rotating both the illumination and orthogonal detection states provides an image free from surface reflections that is sensitive to the polarization properties of the underlying tissue. Results on tissue phantoms demonstrate that polarization sensitive measurements of a test target can be made up to a depth of 12 mean free paths within a scattering medium. Preliminary images of bovine tendon are also demonstrated.     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术,偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题,提出一种利用偏振信息的图像去雾方法,通过获取3个角度下目标的偏振图像,求解出场景目标的斯托克斯矢量,从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发,分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律,获取最大和最小光强下的正交偏振图像,利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值,最终重构出无雾图像。实验结果表明,在雾霾天气下,利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像,且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍,灰度标准差提升了约88%。     

Directional edge enhancement using a liquid-crystal display

We present a method for orientation-selective enhancement of the first derivatives of an image. The proposed method is based on the polarization properties of the twisted-nematic liquid-crystal displays (LCDs). LCDs are manufactured to work between a polarizer-analyzer pair, and for a given incident polarization direction, the image contrast will depend on the analyzer orientation. In particular, two analyzer orientations of interest could be identified for the proposed experiments: one that reproduces the image displayed on the LCD, and the other one (orthogonal to the former) that gives a negative (contrast reversed) replica of the original image. By placing a beamsplitter after the LCD, two images are spatially separated, analyzed by linear polarizers in perpendicular directions, and then slightly displaced. When the original image and its displaced (contrast reverted) replica are imagined together across a plane, one obtains a resultant image with enhanced first derivatives along a specific direction. Unlike the usual Fourier (coherent) image processing, the technique proposed here works with incoherent illumination. Validation experiments are presented.     

Experimental study on polarization holographic storage in genetic mutant BR-D96N film

The information storage is developing toward high speed access and massive stor-age capacity. Optical holographic storage has not only high speed parallel data access and high addressing speed without mechanical motion but also high storage density with multiplexed volume holographic storage[1]. In recent years, optical holographic storage is studied intensely in the field of information storage. It has been shown that the polari-zation of light could also be recorded with polarization hologra…     

Resolution improvement of digital holographic images based on angular multiplexing with incoherent beams in orthogonal polarization states

We present a method to improve the resolution of digital holographic images based on angular multiplexing with incoherent beams from two orthogonal polarized components of natural light. Two incoherent subholograms are synchronously recorded by two pairs of incoherent object waves and reference waves with orthogonal polarization states, in which the object is illuminated by two incoherent beams from different directions. The increase in resolution is obtained through phase correction and superposition of two reconstructed object waves. Experimental results show that the resolution and quality of the reconstructed image can be effectively improved.     

新型双通道差分偏振干涉成像系统

针对Wollaston棱镜和Savart偏光镜(SP)组合的差分成像光谱系统存在光线溢出和无法改变系统光程等问题,设计了一种新型双通道差分偏振干涉成像系统.此系统不仅可获取正交偏振图像,还可以通过调整Savart偏光镜的厚度来改变系统光程.介绍了该系统的结构、理论原理,并利用琼斯矩阵推导出四束偏振光线的复振幅及其相干光干涉强度表达式.分析了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)的分束特性,得出WSP相较于SP具有更好的剪切能力和WSP可优化系统光路的结论.获得了不同楔形结构角下MSP的光程差、横向剪切量随楔形移动量的变化曲线.通过实验验证,获取了不同剪切量下的干涉图像和复色光下平行、垂直分量的空间图像,进而获得了总的强度图像和差分强度图像.得出差分强度图像相较于偏振强度图像具有较高对比度的结论.研究结果对双通道成像光谱系统的性能优化具有一定的参考意义.