EMCCD集成偏振-微光一體化成像技術(shù)研究

陳遠(yuǎn)金，張猛蛟，戴 放，許 潔，常維靜，梁宛玉，沈 吉，何偉基

（1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163；3.常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215500；4.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引言

光電探測(cè)的核心是充分利用光所攜帶的信息[1-2]。偏振是指垂直于波傳播方向的振動(dòng)矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。對(duì)于大部分人造目標(biāo)在光照射下會(huì)有明顯的偏振特性，通過(guò)偏振探測(cè)可獲得除光強(qiáng)和光譜以外的新信息維度。因此，偏振成像被廣泛應(yīng)用于軍事目標(biāo)偵察、空間遙感、水面監(jiān)測(cè)和3D 顯示等領(lǐng)域[3-7]。為獲得圖像的偏振信息，傳統(tǒng)采用分時(shí)[8]和分孔徑[9]的方法，但這兩種方法不可避免地?fù)p失實(shí)時(shí)性、集成度和光能量。在探測(cè)器焦平面上集成偏振單元可以克服實(shí)時(shí)性和集成度損失，獲得高分辨率、高時(shí)效的偏振信息。2010年美國(guó)華盛頓大學(xué)率先在CCD 器件上集成了4 個(gè)偏振探測(cè)角度，實(shí)現(xiàn)了器件級(jí)的偏振成像驗(yàn)證[10]。2011年，日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Shishido 等探索了在65 nm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS（complementary metal oxide semiconductor）工藝上集成偏振鋁柵工藝，探測(cè)器消光比超過(guò)40，為偏振大規(guī)模集成應(yīng)用提供了可能[11]。2016年SONY 發(fā)布了集成偏振單元的CMOS 圖像傳感器IMX250MZR，商業(yè)化的器件級(jí)偏振探測(cè)獲得突破，為新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用打開(kāi)了大門[12]。然而，像元上集成偏振單元使得光的透過(guò)率降低，探測(cè)器的靈敏度嚴(yán)重衰減[13]。

為解決集成偏振單元引起光能量損失，本文提出一種全新的偏振-微光陣列結(jié)構(gòu)，并結(jié)合高靈敏度電子倍增CCD（EMCCD）技術(shù)[14]。在四元周期排列結(jié)構(gòu)中包含2 個(gè)白光通道和2 個(gè)偏振通道。通過(guò)改進(jìn)斯托克斯方程求解參量，實(shí)現(xiàn)了偏振度和偏振角的解析計(jì)算及探測(cè)器的微光成像性能，克服了偏振成像能量損失問(wèn)題[15]。

本文首先對(duì)偏振陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出單元的偏振、微光、融合模式的計(jì)算方法；然后，通過(guò)分時(shí)的方法，用EMCCD 相機(jī)和線偏振片獲取了偏振-微光陣列結(jié)構(gòu)的圖像，對(duì)陣列結(jié)構(gòu)的成像效果進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證；最后，驗(yàn)證了基于偏振-微光一體化陣列結(jié)構(gòu)在低照度下的微光性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的基于EMCCD 的偏振-微光一體化成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)和微光成像，并通過(guò)彩色融合凸顯目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)了全新的具有微光和偏振探測(cè)功能的新型器件的驗(yàn)證。

1 偏振-微光一體化器件的工作原理

1.1 器件陣列結(jié)構(gòu)

本文提出的像元陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含2 個(gè)白光通道和2 個(gè)偏振通道。雖然采用斯托克斯方程計(jì)算偏振信息至少需要3 個(gè)偏振方向，但是白光通道可以作為新的參量帶入計(jì)算，這使得求解只需要各兩個(gè)偏振方向就可以解析出目標(biāo)的偏振度、偏振角和偏振因子等偏振信息。修改后的斯托克斯方程可以表示為

圖1 探測(cè)器的陣列結(jié)構(gòu)Fig.1 Array structure of detector

在偏振探測(cè)中，圓偏振分量與線偏振分量相比很小，可以不考慮，此時(shí)偏振度稱為線偏振度（degree of linear polarization，DoLP）。線偏振度DoLP、偏振角 φ和偏振因子F分別如（2）式、（3）式和（4）式所示：

基于該陣列結(jié)構(gòu)，可使探測(cè)器工作在3 種模式下：模式1-偏振成像模式，可以通過(guò)偏振單元對(duì)成像目標(biāo)的偏振度和偏振角進(jìn)行解析；模式2-微光模式，可以通過(guò)白光通道成像；模式3-融合模式，可以利用白光通道獲取光強(qiáng)度信息再通過(guò)偏振單元獲取偏振信息實(shí)現(xiàn)彩色融合成像。

1.2 圖像解析算法

針對(duì)本文中的陣列結(jié)構(gòu)，圖像解析通過(guò)鄰近像元獲取本像素所不具備的偏振和強(qiáng)度信息。不同模式對(duì)應(yīng)的成像算法不同。

1.2.1 偏振模式

該模式下，陣列中的4 個(gè)像元信息獲取分別對(duì)應(yīng)依據(jù)自身位置忽略白光通道的信息強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)斯托克斯方程求解獲得每個(gè)像元的偏振信息。

對(duì)于圖1中的1 單元，本身為45°偏振通道，其他信息從鄰近單元獲取。90°偏振方向和亮度通道信息的計(jì)算如（5）式和（6）式所示：

對(duì)于2 單元，本身為白光通道，偏振信息從鄰近其他單元獲取，90°偏振方向和45°偏振方向信息的計(jì)算如（7）式和（8）式所示：

3 單元與2 單元類似，本身為白光通道，偏振信息從鄰近其他單元獲取，90°偏振方向和45°偏振方向信息的計(jì)算如（9）式和（10）式所示：

對(duì)于4 單元，本身為0°通道，其他信息從鄰近其他單元獲取，90°偏振方向和亮度通道信息的計(jì)算如（11）式和（12）式所示：

1.2.2 微光模式

微光模式下成像算法相對(duì)簡(jiǎn)單，由于低照度下的探測(cè)器分辨率會(huì)降低，因此合并相鄰像元輸出圖像不會(huì)降低探測(cè)能力。該模式下，白光像元的灰度由像元自身提供，偏振像元的灰度由鄰近的白光通道提供。

圖1中1 單元本身不具有白光通道，灰度信息從鄰近白光通道獲取，計(jì)算公式同（6）式。3 單元灰度信息的計(jì)算公式同（9）式。

1.2.3 融合模式

融合模式將偏振信息和灰度信息同步顯示，在融合模式下，利用白光通道獲取光強(qiáng)度信息，再通過(guò)偏振單元獲取偏振信息實(shí)現(xiàn)彩色融合成像。例如，在色域空間中將灰度圖像作為Y通道，偏振度圖像作為U通道，偏振因子作為V通道，可直接合成彩色融合圖像。

實(shí)際處理上，由于偏振角的噪聲較大，我們只使用了偏振度作為圖像融合的色彩信息，實(shí)現(xiàn)和白光通道的成像的彩色顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選用帶抗光暈結(jié)構(gòu)的幀轉(zhuǎn)移EMCCD 相機(jī)和偏振片（Thorlabs，WP25M-VIS）測(cè)試驗(yàn)證偏振-微光一體化器件的性能。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 EMCCD 相機(jī)實(shí)物（左）和偏振片（右）Fig.2 EMCCD camera object (left)and polaroid (right)

實(shí)驗(yàn)原理：將偏振片置于相機(jī)鏡頭前端，通過(guò)分時(shí)的方法獲取不同偏振角度和無(wú)偏振白光圖像。原始圖像獲取后，按照?qǐng)D1的陣列排布，合成偏振-微光一體化器件所對(duì)應(yīng)采集圖像。根據(jù)新合并輸出的圖像，解析計(jì)算不同模式下的成像。

2.1 偏振成像探測(cè)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)裝置，首先分時(shí)獲取不同場(chǎng)景的白光通道和0°偏振、45°偏振、90°偏振、135°偏振的原始圖像，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 采集的原始圖像1Fig.3 Original image 1

圖4 采集的原始圖像2Fig.4 Acquired original image 2

圖5 采集的原始圖像3Fig.5 Acquired original image 3

基于原始圖像，按圖1像元排列結(jié)構(gòu)合成偏振-微光一體化器件對(duì)應(yīng)的采集圖像，模擬不同場(chǎng)景下新探測(cè)器的輸出，如圖6（a），圖7（a）和圖8（a）所示。

依據(jù) （1）～（5）式，分別獲取了場(chǎng)景1 的偏振度（圖6（b））、偏振角（圖6（c））和偏振因子（圖6（d））的成像，場(chǎng)景2 的偏振度（圖7（b））、偏振角（圖7（c））和偏振因子（圖7（d））的成像以及場(chǎng)景3 的偏振度（圖8（b））、偏振角（圖8（c））和偏振因子（圖8（d））的成像。實(shí)驗(yàn)得到的偏振成像可以很好地解析出偏振信息，圖6中車輛和道路在偏振度和偏振角圖像中可以清晰分辨，圖7中車輛上不同材質(zhì)的部位在偏振度和偏振角圖像中清晰可辨，圖8中草叢中的手機(jī)（紅框中）與周圍的綠植在偏振度和偏振角圖像中差異很大。

圖6 偏振-微光一體化器件圖像1（a）及偏振成像效果（b）、（c）、（d）Fig.6 Image of polarization-LLL detector 1 (a)and polarization images (b),(c),(d)

圖7 偏振-微光一體化器件圖像2（a）及偏振成像效果（b）、（c）、（d）Fig.7 Image of polarization-LLL detector 2 (a)and polarization images (b),(c),(d)

圖8 偏振-微光一體化器件圖像3（a）及偏振成像效果（b）、（c）、（d）Fig.8 Image of polarization-LLL detector 3 (a)and polarization images (b),(c),(d)

2.2 微光成像測(cè)試

EMCCD 由于內(nèi)嵌電子倍增移位寄存器，在信號(hào)讀出過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)上千倍的增益，因此靈敏度很高，是一種全固態(tài)微光夜視器件。EMCCD 的高靈敏特性能克服偏振探測(cè)光能量損失問(wèn)題，但是本身的微光性能會(huì)降低，而偏振-微光一體化器件則保持了器件的微光性能。

測(cè)試時(shí)，環(huán)境照度為1.1×10-3lx。EMCCD 相機(jī)的無(wú)偏振原始圖像如圖9（a）所示，圖9（b）是中心區(qū)域的放大圖像；根據(jù)圖1的陣列結(jié)構(gòu)和（6）式、（12）式，偏振-微光探測(cè)器獲取的微光成像如圖9（c）所示，圖9（d）是中心區(qū)域的放大圖像。從圖中可以看出，EMCCD 和新探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)都能識(shí)別0～2 組，探測(cè)器的分辨率得到了很好的保持。

圖9 EMCCD 器件的微光成像（a）、放大圖像（b）及偏振-微光探測(cè)器的微光成像（c）、放大圖像（d）Fig.9 EMCCD LLL imaging (a),enlarged maging (b)and polarization-LLL detector imaging (c),enlarge images (d)

2.3 彩色融合

彩色融合是將偏振信息與灰度信息融合顯示，不同場(chǎng)景的效果分別如圖10、圖11 和圖12 所示，通過(guò)凸顯偏振目標(biāo)的顏色，可以在背景圖像中很容易識(shí)別出偏振目標(biāo)。

圖10 場(chǎng)景1 偏振與灰度圖像的融合顯示效果Fig.10 Fusion effect of polarization and gray image in Scene 1

圖11 場(chǎng)景2 偏振與灰度圖像的融合顯示效果Fig.11 Fusion effect of polarization and gray image in Scene 2

圖12 場(chǎng)景3 偏振與灰度圖像的融合顯示效果Fig.12 Fusion effect of polarization and gray image in Scene 3

分析圖10，背景樹(shù)木以及道路的顏色與目標(biāo)車的顏色相差較大；在圖11 中，車輛不同部位、不同材質(zhì)的顏色以及背景的顏色均有很大的差異；圖12 中紅框內(nèi)目標(biāo)偏品紅而背景為綠色，基于顏色差異可有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別。

3 結(jié)論

信息公用是發(fā)展多維度信息探測(cè)的關(guān)鍵，本文提出了四元周期排列的偏振-微光一體化器件技術(shù)，由四元周期排列的2 個(gè)偏振通道和白光通道組成。該探測(cè)器最大限度地利用了感光陣列所獲取的信息，通過(guò)后期的算法求解可實(shí)現(xiàn)探測(cè)器在不同模式下的信息重構(gòu)，并可同步獲取目標(biāo)的偏振特征和保證器件的高靈敏度特性。我們通過(guò)分時(shí)圖像獲取的方式，模擬了基于偏振-微光一體化器件的成像，對(duì)新器件的偏振、微光和彩色融合模式進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于EMCCD 的偏振微光一體化器件可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的偏振探測(cè)，并保持在低照度環(huán)境下的微光探測(cè)能力。該器件通過(guò)后期的算法求解可實(shí)現(xiàn)在偏振、微光和融合等不同模式下的信息重構(gòu)，為多維光信息獲取、可重構(gòu)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供了一種新的思路。