偏振成像：新型对角微偏振阵列

Banner | 推广

本期记者：臧春秀（《光学 精密工程》 科学编辑）

A：近年来，分焦平面型偏振成像技术以其集成度高、系统体积小和实时成像等优点，成为当前的研究热点。该类成像技术是将探测器感光像元与典型2×2微偏振阵列（MPA）单元对准集成，通过单探测器一次曝光实现场景目标偏振态信息采集。然而，这种工作方式会导致该偏振成像系统存在空间分辨率损失以及瞬时视场误差等问题。目前，针对这些问题，众多科研工作者采用插值、稀疏表示、神经网络等后端图像处理算法层面来提升图像分辨率和目标辨识度。此外，新型阵列的创新设计成为了前端硬件创新，提升成像质量的有效途径。

受前人研究工作的启发，我们针对现有模型仅能设计2×N系列MPA的局限性，基于傅里叶频域提出了可针对2×N系列和N×N系列的MPA进行设计的数学模型，通过优化设计出了性能更好的新型3×3对角排布的阵列结构。这为底层硬件的创新、多样化偏振阵列的设计、高质量特征信息的重构和高分辨偏振成像技术应用了提供理论指导，有望替代目前广泛使用的2×2 MPA。

（1）构建数学模型设计2×N系列和新型对角N×N系列MPA，并基于傅里叶频域对多类型MPA的性能进行理论分析。然后利用实验采集的数据与设计的频域滤波器，实验分析不同类型MPA对图像重构质量的影响。

（2）利用MPA是由多方向角度的微偏振片在方格阵列上周期性排列组合而成的特点，构建了更加宽泛的数学设计模型，实现了已有2×N系列和新型对角排布N×N系列MPA的设计。

（3）通过利用最小二乘法实现了自适应频域高、低频带通滤波器的设计，为二维频谱中不同频率分量的提取、偏振信息的重构以及MPA性能的比较提供了基础。

（4）利用采集的原始图像，建立了多类型MPA性能仿真模拟平台。实验结果表明对于单探测器的快照式成像系统，新型3×3 MPA能够有效保证重构图像的质量，可以达到目前最好的重构效果。

A: 通过调控前人所提的设计模型参数，可有效改变二维频域中频率分量之间的距离和位置，优化频率分量间的不受串扰影响的带宽范围，但仅能设计2×N系列的微偏振阵列结构。然而经过本课题组前期的理论与实验分析发现，通过归纳设计规律，增加调控参数，可以有效减小设计流程复杂度，提升设计的灵活性，实现更多样化微偏振阵列类型的设计。

两者相比，本文的设计模型：

（1）通过调控参数，可覆盖前人所提的2×N MPA排布模式；

（2）通过调控参数，可实现新型N×N对角微偏振阵列的设计；

（3）对于单探测器的快照式成像系统，通过优化参数设计的新型3×3 MPA可以获得目前最佳的重构效果。

A: 目前基于典型2×2 MPA的偏振成像系统已被广泛开发和研究，其中包括光栅加工工艺、对准集成工艺、后端图像处理等，然而对于新型微偏振阵列的研制、集成以及成像应用鲜有报道。本文通过理论分析、外场数据采集和数值模拟对2×N系列和新型对角排布N×N系列MPA的重构性能进行了定性分析与定量测试，为后续的研制提供了理论指导。我们接下来将进一步利用西工大空天微纳系统教育部重点实验室平台和西工大宁波研究院智能传感芯片技术研究中心平台开发光栅阵列加工工艺、优化流程参数、打通集成路线，实现“核芯”研制与系统落地。其次，MPA的排布模式和重构算法均会对重构图像的质量产生影响，本文中由于频率滤波器带宽的限制，频域重构方法存在局限性，会不可避免地造成目标高频信息的损失。因此，高性能偏振信息重构算法还需进一步深入研究。此外，在成像应用方面，目前大多数图像重构算法是基于传统的2×2 MPA进行研究和开发的，难以适用于3×3斜对角排布的微偏振阵列。因此，在软硬件协同的驱使下，适应性更强、重构质量更高的算法还需进一步探索。

虞益挺，西北工业大学，博士，教授，2010年于西北工业大学获得博士学位，2010年至2012年为德国佛莱堡大学博士后及“洪堡学者”，长期从事微纳光学成像与传感方面的应用基础研究。

E-mail：yyt@nwpu.edu.cn

3. 团队研究成果

虞益挺教授团队近年来成功研制出了大闪耀角可调MEMS光栅芯片、空间光调制线型微镜阵列芯片、多通道旋转滤波轮芯片、大孔径宽幅线性调制MEMS FP滤波芯片、柔性宽波段超强吸波蒙皮以及超震荡透镜等核心器件；并实现了窗口集成式超紧凑多光谱成像系统、微小型转轮式多光谱成像系统、空间/光谱分辨率动态可调高光谱成像系统以及可见光/近红外/长波红外多模态偏振成像系统等功能样机，在目标探测与识别、工业自动化检测、生物样本特征分析等领域开展了验证性研究。