固態微光實時偏振成像集成技術

梁宛玉，許 潔，戴 放，常維靜，那啟躍

（中國兵器工業第214研究所 蘇州研發中心，江蘇 蘇州 215163）

1 引 言

隨著微光夜視技術的發展和其應用領域的不斷拓展，對于高性能的微光夜視探測的需求越來越大，對探測靈敏度的要求也更高，微光偏振成像探測作為極限靈敏度偏振成像測量技術，也越來越多地得到人們的關注[1-7]。偏振是光除了波長、振幅、相位以外的又一重要屬性。物質因其自身屬性不同會具有不同的偏振特性（會產生由其自身性質決定的特征偏振），如表面特性、粗糙度、陰影和外形等[8]。偏振成像探測技術與強度成像、光譜成像、紅外輻射成像等技術相比，具有獨特的優勢：除了獲取傳統成像信息外，還能夠額外獲取偏振多維信息[9]。有效利用偏振矢量信息，就可以增強圖像對比度，提高信噪比，從而可以改善目標探測成像的質量、提高探測精度[10-11]。

為了解決在微弱光照射情況下，因為感光度不足而導致的偏振圖像存在較大誤差的問題，本文根據EMCCD微光成像器件的特點和工作原理，提出了一種固態微光實時偏振成像集成技術。在九元周期排列的偏振線列結構中包含中心的1個白光通道和呈中心對稱分布的4個偏振方向的8個偏振通道。通過改進的Stokes方程求解參量，實現了偏振度和偏振角的解析計算，這使得集成偏振的EMCCD器件在保證最低工作照度的同時，還具備微光-偏振探測功能。

本文首先對EMCCD微光成像器件的偏振成像原理[12-14]以及常見的偏振成像陣列進行了分析，給出了偏振成像陣列的解算方法；然后根據微光成像的特點，對微光－偏振成像的陣列進行了優化設計；最后，通過集成偏振相機完成了固態微光實時偏振成像集成技術的測試驗證，輸出了有效微光偏振成像效果。通過實驗驗證，本文提出在3×3的偏振陣列結構中，加入無偏振單元，在設計思想上拋開超像元的概念，取相鄰單元的偏振信息做加權平均作為自身的偏振信息，信息準確度較高，且無偏振單元的存在使得器件的最低工作照度不被降低，器件同時具備微光-偏振探測功能。

2 微光成像偏振成像陣列

2.1 微光器件偏振成像的工作原理

電子倍增CCD（Electron Multiplication CCD，EMCCD），是一種新型的全固態微光成像CCD，也稱作可控電荷CCD。與傳統CCD探測器的主要區別在于其在讀出寄存器和輸出放大器間嵌入了倍增寄存器，故可以實現電子增益[15-17]。該探測器為強度探測，對于偏振并不敏感。為了實現偏振選擇性探測，通常需要在探測器前額外加上一個偏振分束器或獨立偏振起偏器探測，但該方法需要通過機械旋轉，不能獲得實時偏振成像效果。隨著分焦平面偏振成像與亞波長偏振光柵研究工作的進步，可將偏振單元集成在探測器像元的表面，從而實現實時偏振探測[18-19]。

分焦平面偏振探測器將不同偏振方向上的微偏振片集成到焦平面上，其中微偏陣片的間距與像元間距相匹配，不同像元探測不同偏振方向[20-21]，其成像器件像元與偏振單元的集成示意圖如圖1所示。

圖1 成像器件像元與偏振單元的集成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of integration between the imaging device pixel and polarization unit

2.2 偏振成像陣列結構設計

(1) 4個偏振方向

圖2是采用2×2偏振單元陣列組成一個超像元。該面陣由4個偏振單元組成，分別對應0°、45°、90°、135° 4個偏振方向，以滿足Stokes矢量相關參數的獲取。

(2) 9個偏振方向

為了提升偏振態的數量，設計了如圖3所示的3×3偏振陣列，9個偏振單元分別對應0°、20°、40°、60°、80°、100°、120°、140°和160°共9個偏振方向。這種陣列結構有利于提升偏振信息獲取的準確度，但大幅提升了陣列的復雜度和工藝制備難度，輸出圖像的分辨率大幅下降。

圖2 4個偏振方向的單元陣列設計Fig. 2 Array design in four polarization directions

圖3 9個偏振方向的陣列設計Fig. 3 Array design in nine polarization directions

2.3 偏振結構解算

Stokes矢量是基于光強度的表示方法，可描述偏振光、部分偏振光與非偏振光，故偏振成像探測中適宜采用Stokes矢量來描述其偏振態。該描述法是用4個參量來描述光的偏振態，這4個參量都是強度的時間平均值，便于用各種探測設備或者成像設備直接或間接測量得到。根據Stokes矢量的定義，光的偏振態可表示為：

式中S0為總光強；S1為水平偏振方向的光強分量I0和垂直偏振方向的光強分量I90°之差；S2為偏振方向45°的光強分量I45°與偏振方向135°的光強分量I135°之差；S3為左旋偏振光的光強分量IL和右旋偏振光的光強分量IR之差。

由于在偏振探測中，圓偏振分量與線偏振分量相比很小，可以不考慮，且本文的偏振陣列為線偏振，故光的偏振態可表示為：

對于多偏振態的情況，其Stokes矢量可表示為

“怎么不行？我不是吃軟飯的，正想租個大一點的地方，你家后院可以用上。今后，我打算養花，拿到街上去賣，給兒子攢點學費。”

其中，N為偏振態數量，θi為金屬線柵偏振器夾角，I(θi)為光強。

3 微光-偏振一體化設計優化

3.1 偏振陣列設計優化

綜合分析以上兩種模式的優缺點，同時考慮EMCCD器件的工作特點，本文提出了如圖4所示的偏振成像陣列結構，結構包含中心的1個白光通道和周圍的4個偏振方向的8個偏振通道，4個偏振方向的偏振通道呈中心對稱分布陣列。由于陣列結構中偏振信息來源具有對稱性，故誤差較小，同時由于每個像元都可以輸出偏振信息，分辨率不會降低。

圖4 4個偏振方向加無偏振單元的陣列設計Fig. 4 Array design with four polarization directions and non-polarization elements

3.2 偏振成像陣列解算

對于圖4所示偏振陣列結構，分別用無偏振像元周圍的偏振單元的光強計算得到中間P5的偏振信息，其0°、45°、90°、135°幾個方向的光強可表示為

其中P1～P9為圖4中各像元的接收光強，則圖4中P5的Stokes向量可由式(6)解出，這里不再用I0°+I90°作為總光強，而直接用無偏振單元探測輸出的光強P5作為總光強，信息準確度更高。

只要獲得了線偏振的Stokes向量S0、S1和S2，即可由式（7）和式（8）得出每個像元的線偏振度DoP及偏振角AoP，進而進行偏振成像。

綜上分析可知，4個偏振方向加無偏振的設計更加合理，不但滿足了微光成像的要求，同時在保證Stokes信息準確度的情況下也降低了制備的難度。

4 實驗與結果分析

4.1 多偏振態圖像的偏振評價和分析

選用幀轉移EM768EMCCD相機和偏振片（Thorlabs, WP25M-UB）等搭建了分時偏振成像系統，用于測試驗證集成EMCCD偏振成像器件的成像效果。微光分時偏振成像系統的組成如圖5所示。

圖5 微光偏振成像系統Fig. 5 Low-light polarization imaging system

實驗原理：在EMCCD與目標之間放置偏振片，利用偏振片透過軸與參考方向的不同角度進行多次采集，獲取多角度偏振光強圖像。

在完成非集成多偏振態成像系統搭建后，對同一目標進行多次圖像采集，每次旋轉金屬線柵偏振器15°，共采集12組偏振圖像（見圖6）。

按照式（3）求解，取N=3，即在12組圖像中選取3組，共包含220種組合；取N=4，共包含495種組合；取N=6，共包含924種組合；取N=12，有唯一組合。

計算每一種組合的偏振度DoP和偏振角AoP，并從其最大值、平均值、圖像對比度、圖像的熵幾個角度進行評價，其對比結果如圖7及表1所示。其中統計分析是對每一種組合的平均，但在實際情況中，更傾向于0°，60°，120°的均勻取值組合，而不是0°，15°，30°之類的組合。

圖6 12偏振態成像Fig. 6 12-polarization images

表1 多偏振態圖像偏振對比Tab. 1 Comparison of polarization for multi-polarization image

對表1中的數據進行統計分析可以看出，隨著選取角度的增多，偏振度的均值和最大值、對比度降低，偏振角最大值增大。均勻取值時，4角度測量的最大值、均值、熵均為最優。

從圖7多偏振態圖像偏振成像效果來看，幾組圖像的偏振度效果較為接近，偏振角圖像中4偏振角度測量效果最優。

綜上所述，4偏振態是一種較為合理的選擇，增加偏振態不會明顯改善偏振效果，還會增加偏振陣列的復雜性，因此，本文討論了合理的偏振陣列結構中偏振態選擇。

4.2 偏振相機成像效果與分析

為了進一步驗證本文設計的固態微光集成偏振技術的合理性，采用4個偏振方向的集成偏振成像系統以及本文設計的固態微光實時集成偏振成像系統，結合集成偏振圖像處理的流程與Stokes矢量法進行解析，得出4個偏振方向的偏振度圖像（圖8）與4個偏振方向加上無偏通道的集成偏振成像效果（圖9）。

圖7 多偏振態圖像偏振成像效果對比Fig. 7 Comparison of the polarization imaging effects of multi-polarization images

圖8 4個偏振方向的單元陣列設計偏振度圖像Fig. 8 Polarization degree image of array with four polarization directions

圖9 4個偏振方向加無偏振單元的陣列設計偏振度圖像Fig. 9 Polarization degree image of array with four polarization directions plus the non-polarized channel

從圖8和圖9對比中可明顯看出，加入白光通道的4個偏振態的偏振度圖要明顯好于不加白光通道的4個偏振態的偏振度圖，細節信息更豐富。從而驗證了采用傳統的2×2的4偏振態陣列的偏振成像方式存在偏振信息不夠準確和器件工作照度降低的缺陷，而本文設計的固態微光實時集成偏振成像系統彌補了上述缺陷，在偏振成像效果方面有較大的優勢。

4.3 偏振相機空間分辨率分析

為了直觀分析本文提出的固態微光實時集成偏振成像系統對目標空間分辨率的影響，對靶標圖像進行試驗分析。試驗圖像如圖10（彩圖見期刊電子版）所示，圖10(a)為本文設計的集成偏振相機采集的圖像，圖10(b)為EMCCD采集的原圖。比較圖10(a)與圖10(b)的紅框區域可知，采用偏振相機的偏振圖像與EMCCD采集的原圖相比，目標細節增多；且靶標偏振圖中靶標目標與背景的對比度更鮮明。

接著，對集成偏振相機采集圖像和EMCCD采集原圖的對比度和清晰度進行分析。對比度是目標在背景中凸顯的數據描述，對比度數值越大標識目標越明顯，公式為：，其中，Ii表示目標的平均灰度值，Ib表示背景的平均灰度。清晰度是表征圖像清晰度的有效參數，其數值越大表示目標的細節更豐富，清晰度公式為：

圖10 (a)靶標偏振圖與(b)靶標原圖Fig. 10 (a) Polarization diagram and (b) original diagram of the target

清晰度采用灰度梯度平均值的表示方式，m、n分別表示圖像橫向、縱向的像素數，g表示灰度圖像。結果見表2，由表2可知，集成偏振相機采集的圖像的對比度與清晰度均優于EMCCD采集的原圖，與人眼觀察的結果相符。由此可見，本文設計的固態微光實時集成偏振成像系統對于圖像空間分辨率有著明顯的提升效果。

表2 偏振圖與原圖的對比度與清晰度比較Tab. 2 Comparison of contrast and clarity between the polarization image and the original image

5 結 論

本文提出一種固態微光實時集成偏振成像系統，結合 3×3的偏振陣列結構設計，并引入了無偏振單元結構，在設計思想上拋開超像元的概念，取相鄰單元的偏振信息做加權平均作為自身的偏振信息，信息準確度較高。且該結構引入無偏振單元，可避免器件最低工作照度的降低，確保器件具備微光-偏振探測功能。該成像系統的引入，除了大幅提高探測器件對目標的探測識別能力外，還具有加工難度低、成本低等優點。