偏振成像的机理

偏振成像的机理

偏振成像机理光的信息量非常丰富，包括振幅（光强）、频率（波长）、相位和振幅。人类首先能探测到的是可见光波段的振幅信息,即对可见光波段的光强成像,得到黑白图像。后来能探测到可见光波段的频率信息,振幅信息和频率信息合成显示就是彩色图像。在有激光源照射的情况下,人类也能够探测到光波的位相信息,但位相信息只能在实验室以全息术或相衬显微术加以利用。探测景物光波偏振态的成像技术就是偏振成像。偏振成像技术是最近十年来国外发展很快的一项新的成像技术,具有广泛的军用和民用前景。人眼和一般探测器都是“偏振盲的”,在没有任何辅助技术帮助的情况下人眼和探测器是不能够直接“感知”偏振的信息。偏振成像系统主要有三个技术环节:1)对景物光波的偏振态分解、扫描、角度编码,从探测器的光强响应中解算出景物光波的偏振信息,2)把景物光波的偏振信息进行可视化显示,3)提取目标特征。1981年,美国把偏振成像应用在光谱资源采样实验遥感卫星上。二十多年以来,人们对偏振成像研究的主要内容是:1)偏振成像技术能获得偏振矢量的所有分量吗?2)这些获取的图像能在时间上和空间上融合吗?3)不适当的空间和时间融合有什么影响?4)偏振元件要求的质量又是什么呢?5)和非偏振的成像系统相比,偏振成像的优点是什么?6)偏振成像有什么典型的应用?7)偏振成像的物理本质是什么?8)如何客观地评价偏振成像系统的性能?9)对于偏振成像,效果最好的光波段是什么?总之,偏振成像机理是偏振成像的理论基础,对偏振成像机理的研究是非常重要和必要的。在本文中,将从菲涅尔公式、瑞利散射、物体的表面特性等方面来逐一阐述偏振成像的机理。1平行分量的反射率与透射光学性能根据能量守恒原理,在介质不吸收时,光入射到两种介质的分界面,其能量只在反射光和透射光中重新分配,而总能量保持不变,如图1所示。由于任一偏振态的光均可分解为两个相互垂直的分量,即一个在入射面内的平行分量(P)和一个垂直于入射面的垂直分量(S)。菲涅尔公式给出了反射光、透射光和入射光的平行分量和垂直分量之间的关系:式中:rS是垂直分量的反射系数、rP是平行分量的反射系数、tS是垂直分量的透射系数、tP是平行分量的透射系数,n1是入射介质、n2是折射介质的折射率,θ1是入射角、θ2是折射角。根据能量守恒原理可知,透射光的偏振特性与反射光互补。由式(1)可知,反射系数(或透射系数)是介质折射率、入射角的函数。当入射角θ1等于0°时,垂直分量的反射率RS是垂直分量的反射系数rS的平方,平行分量的反射率RP是平行分量的反射系数rP的平方,即:图2至图5给出了几种典型材料(折射率依次为n=1.5,2.0,2.46和4.0)的反射率随入射角的变化曲线。在图2至图5中,横坐标代表入射角,其值从0°变化到90°;纵坐标代表了对应入射角的反射率。图中有三条曲线,曲线RS是垂直分量的反射率,曲线RP是平行分量的反射率,曲线(RS+RP)/2是垂直分量和平行分量反射率的算术平均,这条曲线对应于不考虑偏振态时的光强。图中θB为布儒斯特角。表1给出了这几种材料入射角分别在5°、θB和90°时平行分量的反射率值,垂直分量的反射率值,垂直分量和平行分量反射率的算术平均值,以及垂直分量和平行分量反射率的差值。从图和表中可看出:1)θB正比于折射率,当折射率从1.5增大到4.0(相应的光波段从可见光变化到红外)时,θB从56.3°增大到76°;2)以θB为奇点,当θ<θB时,反射率反比于折射率,当θ>θB时,反射率正比于折射率;3)θB处,反射光的两个反射率之差∆R=RS-RP是最大的。1.1光强比较与目标和背景的偏差比较1.1.1各物点的入射角光强对比度的定义如下:IT和IB分别是目标和背景的辐射强度。当物体与仪器光轴的相对关系确定之后,来自于不同物点的反射光线对应于不同的入射角,即可认为不同入射角表示不同物点。例如,在表1中对于折射率n=4.0的材料,目标和背景对应的入射角在0°到90°时,按照公式(7)光强对比度为:1.1.2偏振度的计算对沿S方向的偏振分量的透射强度是IS,对沿垂直于S方向的偏振分量的透射强度是IP,则偏振度(Degreeofpolarization)为:如果将式(9)中的IS和IP认为是物体(自发辐射的强度)反射光的反射率,那么式(9)中的P就表示同一物点的偏振度。目标和背景的偏振对比度(Contrastofdegreeofpolarization)的定义是,式中:〈PT〉和〈PB〉是目标和背景的偏振度。表1中在入射角为θB=76.0°时,按照公式(8)偏振度为P=(0.778-0)/(0.778+0)=1,入射角为5°和90°时,偏振度都为0。所以在入射角为θB=76.0°时,按照公式(10)偏振对比度CP=(1-0)/(1+0)=1。由于偏振成像的对比度大,偏振成像能利用目标对景物的红外辐射反射而呈现出更强的偏振特性,其能有效地分辨目标的轮廓。所以偏振成像能明显提高图像的对比度,进而提高成像系统的性能。1.2光轴的夹角入射角从图2到图5可看出,随着入射角的增大,反射光偏振特性的反差先变大,后变小。严格地说,物体表面是一个曲面,总有以布儒斯特角入射的光线,此时平行分量的反射率为零(RP=0),反射光的偏振对比度最大。对于轴上和轴外成像的光线来说,偏振对比度略有不同。人造物体轮廓部分的法线和成像仪器光轴的夹角(入射角)属于突变区域,此区域反射光的偏振对比度也处于突变区域,加之人造物体具有特定的规则形状,所以偏振成像能显著提高成像仪器的图像分辨能力。因此,偏振成像技术具有突显物体轮廓的能力。1.3垂直分量和平行分量的偏振特性从图2到图5也可看出,随着折射率从1.5变大到4.0,垂直分量和平行分量的偏振特性反差也相应变大。对于相同的波长,不同的材料具有不同的折射率,不同的物体一般具有不同的材质,因而具有不同的偏振特性。1.4金和抗金的电阻率材料的折射率是一个复数。一般在使用中,忽略了其虚部,只用其实部。但对于金属材料,因其折射率虚部很大,是不能忽略不计的。其折射率可表示为式中:n和k都是正实数(n代表折射率实部,k代表折射率虚部),i为虚数单位。图6给出了金和钼的折射率和波长之间的关系曲线。图中横坐标代表了波长,纵坐标代表了折射率。从图中可以看出,金和钼的折射率虚部是很大的,并且折射率随着波长的变长而增大。红外波段金和钼的折射率比可见光波段金和钼的折射率大很多,结合1.3的分析可知,红外波段反射光有着更大的偏振特性。2多次散射的偏振特性瑞利散射亦称分子散射,它是光通过纯净气体或液体,由分子的密度涨落或偶极距涨落形成光学不均匀性所产生的一种光散射。当到达观察者(或仪器)的辐射主要是由于单次散射所产生的时,偏振度一般很大。当到达观察者(或仪器)的辐射主要是由于多次反射所产生的时,偏振度很小,因为偏振的方向被搅乱了。在掠入射角附近时,由于瑞利散射,晴朗的蓝色天空是高度偏振的。图7给出了散射光的偏振特性示意图。从图中可看出,入射光为自然光时,只有垂直于入射光方向(θ=90°)的散射光才是线偏振光,一般情况为部分偏振光,而在θ=0°与θ=180°方向的散射光仍为自然光,且光强为最大。一般地,在观察仪器的光轴方向,来自于远处公路、飞机跑道等平整的地面目标的辐射是高度起偏的,而来自于周围环境的辐射是低起偏的,两者之间的偏振对比度具有较强的穿透散射媒质(如烟、雾、沙尘)的能力,这保证了在有烟雾的条件下,短波红外偏振成像在导航上具有良好应用效果。这已被国外相关的实验室模拟试验和外场试验所证实。3物体表面结构对偏移特性的影响下文从金属丝光栅的工作原理来探讨红外偏振成像的机理。3.1金属丝栅偏振片利用金属丝格栅能够交替地反射平行于金属丝栅线的矢量波,即这种一维光栅具有偏振效应,因此可用金属丝光栅来制作偏振片。图8描述了金属丝栅偏振片的工作原理。一般地,入射自然光是部分偏振光,金属丝栅反射了和金属丝栅线平行的偏振分量TE偏振,而透射和金属丝栅线垂直的偏振分量TM偏振。一维光栅具有偏振特性,这是由其微结构的空间不对称性所决定的。4红外偏振成像原理本文从多个方面探讨了偏振成像的机理,包括波长对偏振特性的影响、材质(折射率)对偏振特性的影响、仪器光轴与目标物体表面法线的夹角(入射角)对偏振特性的影响、大气传输特性(瑞利散射)对偏振特性的影响、目标物体的表面纹理和粗糙度对偏振特性的影响等。和传统的红外成像相比,红外偏振成像可以显著提高人造目标物体和自然背景之间的对比度,具有突现物体轮廓和物体细节的能力,从而提高了红外图像的质量。研究表明,偏振成像的机理是普遍存在的、很复杂