专利名称：多光谱、多融合、激光偏振光学成像系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光学成像系统，特别是涉及多融合、双旋转减速器/多能量基于完全Mueller矩阵的偏振器。所提出的成像系统基于多波长激光偏振测定，探询散射介质或任何一般的介质包围的目标，这利用了Mueller矩阵形式以及双能量相减技术。具体地说，术语“多融合(multifusion)”描述如偏振测定成像、双能量相减、多焦点成像、多次曝光以及其它的功能等等多种成像功能一起使用的情况。通过减去分别利用波长为λ1和λ2的探询光束获得的如极化度(DOP)、线性极化度(DOLP)、圆极化度(DCP)的偏振测定参数，系统获得增强的图像。本发明的多光谱、多融合、双能量基于Mueller的偏振器系统也可利用提供除了目标的空间和光谱信息之外的瞬时信息的持续时间短的光脉冲或光脉冲的快照。本发明具有多种潜在的应用，如应用在国土安全、国防和军舰，特别是用于目标识别、辨认与监视，医疗成像，生物工程和医疗应用，癌症检查，图像定向活组织检查和分子成像，以及物体的非破坏性评价，重点是用于工业成像。
背景技术：
在宇航、医疗、军事和工业应用中使用的穿过散射介质的光学成像和目标检测已经被研究。传统的偏振测定成像技术依靠这样的假设，即弱散射光维持其初始的极化状态，而强散射光不是这样。散射光的极化实际上依靠许多几何和物理参数。
以激光束探询目标所捕捉的图像的亮度可通过改变入射激光束的激化状态和变化分析器的配置而被改变，以接收反向散射光的不同的极化成分。产生基于反向散射光极化状态的图像的早先的尝试已主要注意分析器检测到的穿过散射介质的线性极化的损耗。但是，线性极化光易于在大量的光散射介质中损耗重要程度的极化。基于Mueller矩阵概念，通过检测来自生物学上有启发意义的仿真模型，以及较小程度上来自生物组织的强散射光，这样的尝试已经失败，不能分析圆极化光的去极化。
已经设计其它方法来增强利用光学成像技术捕捉的图像的外观。例如，这些图像的增强已经依靠双能量成像原理而被获得。双能量成像的这些原理包括利用两个光学图像，一个是由高能(低波长)光源探询目标而产生，另一个是由低能(高波长)光源探询目标而被产生。目标典型地是以不同于反射低能光的方式来反射高能光。这两个图像的加权相减可产生使干扰背景结构的外观最小化的一个强烈对比的数字图像。
增强成像应用的已知的另外一项技术是使用焦距扫描设备。通过改变安装的镜头的焦深来引导探询目标所使用的光，目标的焦距扫描被执行。这基本上照射目标的单个“片段”，目标是位于自传播光的轴向上的镜头一个预定距离上。对多个不同焦深持续重复这一过程，直到全部三维目标已被捕捉，作为一个图像。但是，基于硬件的超分辨率的该方法不提供目标与干扰的背景噪声之间的必要对比。
已经执行多种研究，来评价双旋转减速器完全Mueller偏振器的使用。但是，这些研究都没有融合具有偏振测量的双能量的性能。此外，存在其它的一些研究，这些研究包括宇航和医疗成像应用的双旋转偏光器不完全偏振器配置。但是由于在这些研究中包含的偏振器是不完全的，它们没有考虑椭圆极化的情形。而且，这些研究不期望双能量技术与偏振测定成像原理的融合。最后，提出与双能量性能融合的极化原理的利用，但这样的建议都忽略了包含双旋转减速器完全偏振器的工具。
因此，在技术上要求一个成像系统可产生具有降低的噪声、高特异性和高对比度的改进的图像。该系统应该是一个完全偏振器，基于Mueller矩阵概念，通过从生物学上有启示意义的仿真模型以及从生物组织检测高度散射的光，来分析圆极化光的去极化。这样的系统应为国土安全、生物医疗、工业、宇航应用提供增强的成像性能。此外，光学融合传感器系统应拥有在宽的光谱带宽上的成像性能，同时在高度混乱的环境中通过快速检测、定位和辨认敌人目标提供想要的战舰认知。另外，该系统应是与一个有源或无源多光谱分光偏振计或多光谱成像系统可结合的，以增强成像，应该证明是有用的，在不利的大气和周围环境条件中表现出改善的性能。
发明内容
本发明的一个目标是使为各种成像应用捕捉的图像的对比度最大化。
本发明通过提供一种成像系统和方法来获得该目标和其它目标，该系统和方法通过从目标图像减去不想要的干扰结构以产生目标的一个多能量图像，并分析与目标相互作用的光的极化状态。
根据一个方面，本发明提供一种多能量极化成像系统，该系统包括一个光源，以具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光来照射一个目标，其中第二波长不同于第一波长。一个极化状态发生器针对第一和第二数量的光各自产生一个极化状态，并包括第一偏光器，第一和第二数量的光在进入第一波片(waveplate)之前先通过第一偏光器来传输。一个极化状态接收器评价第一和第二数量的光在照射目标之后的极化状态，该极化状态接收器包括第二波片，第一和第二数量的光在进入第二偏光器之前通过第二波片来传输。一个光学图像捕捉装置捕捉由第一数量的光所照射的目标的第一图像，以及由第二数量的光所照射的目标的第二图像。一个处理单元分配一个加权因子给第一和第二图像的至少其中之一，评价第一和第二图像之间的一个加权差值，以产生目标的多能量图像。
根据另一个方面，本发明也提供了一种方法，用于产生目标的一个多能量图像，该方法包括的步骤是发出具有第一波长的第一数量的光和具有不同于第一波长的第二波长的第二数量的光；通过极化、且随后相对于第一和第二数量的极化光各自的一个成分来延迟第一和第二数量的光各自的另一个成分，为第一和第二数量的光各自产生一个初始极化状态；且引导通常指向目标的第一和第二数量的光各自的极化状态。该方法进一步包括下面的步骤通过相对于照射目标后的第一和第二数量的光的一个成分来延迟第一和第二数量的光的另一个成分，然后极化被延迟的第一和第二数量的光，来分析第一和第二数量的光各自作为结果的极化状态；捕捉第一数量的光照射的目标的第一图像和第二数量的光照射的目标的第二图像；对第一和第二图像的至少其中之一进行加权；并且通过评价第一与第二图像之间的加权差值，来产生目标的多能量图像。
参照附图，阅读下文中有关本发明的描述之后，本发明上述的和其它的特点与优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中图1是根据反向散射模式中配置的本发明的一个多光谱、多融合、双能量基于Mueller的光学成像系统的图示；图2是根据传输模式中配置的本发明的一个多光谱、多融合、双能量基于Mueller的光学成像系统的图示；图3是根据本发明的四分之一波减速器的一个图示；图4是根据利用有源多光谱分光偏振计、无源多光谱分光偏振计和激光雷达系统实现的本发明的一个多光谱、多融合、双能量基于Mueller的光学成像系统的一个简图；图5是根据本发明的多光谱、多融合、双能量基于Mueller的光学成像系统的一个网络的说明性配置；和图6是根据本发明的用于产生多能量图像的一种方法的实施例的一个流程图。
具体实施例方式
本文使用特定的术语只是为了方便，并不是作为对本发明的限制。此外，在图表中，特定的特征是以示意性的形式被表示。
图1表示根据本发明的多能量极化成像系统100的一个实施例。成像系统100包括一个光源14，用于以具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光照射目标18。第二波长不同于第一波长，用以产生高对比度的图像。设置有一个极化状态发生器22，用于为第一和第二数量的光各自产生一个极化22状态。该极化状态发生器包括第一偏光器26，第一和第二数量的光在进入第一波片32之前是通过第一偏光器26来传输的，这造成了普通成分36(图3)与特别成分42(图3)之间的一个相差。设置有一个极化状态接收器44，用以评价目标18被照射后发生的第一和第二数量的光的极化状态，该极化状态接收器44包括第二波片49，第一和第二数量的光在进入第二偏光器51之前是通过第二波片48传输的。一个光学图像捕捉装置，如电荷耦合装置(CCD)、光电相机(photo-electronic camera)、CMOS检测器等等，捕捉由第一数量的光所照射的目标的第一图像，以及由第二数量的光所照射的目标的第二图像。一个处理单元57分配一个加权因子给第一和第二图像的至少其中之一，评价第一和第二图像之间的一个加权差值，从而产生目标18的一个多能量图像。
本发明的成像系统10可选地变化焦深和曝光量，融合双能量成像原理和偏振测定成像原理，从而以产生和显示高对比度图像。利用两个或更多数量的具有不同波长的光探询目标10(多光谱探询)，通过运用双旋转1/4波线性减速器完全偏振测定技术而获得偏振测定图像，允许人们通过获得图像的极化参数的相减而得到增强的偏振测定符号差，如极化度(DOP)、线性极化度(DOLP)、圆极化度(DOCP)、椭圆率、方位角和离心率，或在不同波长上获得的它们的差值，如DOP差值、DOLP差值、DOCP差值。这将使目标图像的信噪比最大化。本发明的成像系统10可与有源或无源多光谱分光偏振计75、78(图4)或多光谱/超光谱成像系统结合，以增强图像，还与白光源、部分极化光源、多次曝光等等结合。结果，具有增强的对比度和特异性的多波长、多融合光学系统10可被获得。另外，可这样操作系统10将其作为单基偏振测定激光反射计、作为双基偏振测定激光反射计，或作为以反射或传输模式或这些模式的任一种组合工作的多个偏振器组成的一个网络(图5)。所述系统也可利用超分辨率技术(可变的透镜聚焦或算法)来实现，以及或者在计算机化的电动平台上通过沿着聚焦轴平移目标，或利用标准的共焦显微镜技术，提供可变深度(沿着光传播的聚焦轴的轴向)上的成像信息。结果，可获得在纵向上的极化的多波长平面图像部分。
尽管这里描述的是作为双能量成像系统，应理解的是，本发明的系统10可用于产生和显示任何多能量图像。本说明书所描述的多个数量的光不限于两种数量的光，它们可互换地作为各自具有不同波长的光束、激光线偏振光束和激光束，被用于照射目标18，以捕捉目标18的图像。与用于照射目的的不同波长的数量无关，多能量成像的原理包括使用两个或更多光学图像来产生一个多能量图像。以第一波长的光照射目标18来获得第一图像，而以不同于第一波长的第二波长的光照射目标18来获得至少另一个图像。可选地，以一些高能(短波)的光和另一些低能(长波)源的光来执行这一操作。
关于照射目标18的光的波长所使用的术语“高”与“低”、及“长”与“短”是相对的术语，通常是可以主观解释的。但是在本说明书中，术语“高”与“低”、及“长”与“短”是相对于用来照射目标18的另一种光的波长来使用的。例如，具有高能级的第一数量的光表示第一数量的光的能级高于第二数量的光的能级。同理，如果第一数量的光被描述为具有短波长，这是用于限制第一数量的光的波长为短于第二数量的光的波长。
这两个图像的加权相减产生使干扰的背景结构最小化的一个多能量图像。一个加权因子被分配给一个或多个捕捉图像的至少一个极化参数，这样想要的对比度在该多能量图像中获得，该图像是通过评价以一些不同波长的光照射目标18而产生的图像之间的差值而产生的。通过对既定波长的光照射目标产生的图像的极化参数的至少一个参数进行加权，可从多能量图像去除适当数量的可能阻碍目标18的不想要的干扰物体。例如，目标18和其周围环境或背景由于在第一波长上的光的相似的反射特性而表现出不良的光学对比度，而该背景是在第二波长上的主要的反射实体。以第一波长的光照射目标18和背景获得其第一图像，且以第二波长的光照射目标18和背景获得其第二图像，然后从第一图像减去主要是背景的第二图像，即可形成目标18的一个高对比度多能量图像。
本发明的多能量图像可以是一维、二维或三维的。此外，光学图像捕捉装置54可依赖于零差、外差、超外差式检测原理、图像增强器、光电倍增器、半导体检测器，包括但不限于自动平衡检测器以及锁定放大器的使用。
从用不同波长的光照射目标18所获得的另一个图像对应的极化参数，来减去可被加权的被捕捉图像的极化参数的示例包括极化度(DOP)、线性极化度(DOLP)、圆极化度(DOCP)、椭圆率、方位角和离心率等等。利用多组图像也可执行加权相减，在这些情况下相减是在诸如DOP差值、DOLP差值、DOCP差值、椭圆率差值、方位角差值和离心率差值等等多组差值上执行的。
进一步的增强是通过利用实用偏振测定技术、及可选地也可利用物体的焦距扫描来获得的。目标18的焦距扫描可通过改变在目标18前面放置用于聚焦光线的镜头的焦深来获得，从而使光线会聚在目标18内的适当深度上。这样来照射自光传播的轴向上的镜头一个预定距离放置的目标18的单个“片段”。这一过程在多个不同焦深上被不断重复，直到三维目标18的想要的部分被捕捉为一个图像。
双旋转减速器被设置得邻近相应的偏光器，从而形成极化状态发生器11和极化状态接收器44，用于分别产生和分析第一与第二数量的光的极化状态。极化状态发生器22和极化状态接收器44与上述的双能量成像技术结合使用。它可被配置以传输模式操作，如图2所示，以及以图1所示的反向散射模式操作。本发明的适应性允许它被用于各种应用中，这样的应用包括，但不限于医疗、宇航和工业。例如，本发明的成像系统10可用于空对地和地对地两种作战应用的不利大气条件中。另外，成像系统10可用于通过产生病人体腔内增强的图像而进行医疗诊断。
图3表示一个示例性的波片，该波片形成所述系统中极化状态发生器22和极化状态接收器44的双旋转减速器的一部分。通过沿光轴64放置光学校直装置中的极化状态发生器22来产生极化状态。以这一方式安排光源14发出的光由第一偏光器26极化，并随后通过第一波片32传输。在从第一波片32传输的光照射目标18之后，从第一波片32传输的光的极化状态然后被极化状态接收器44分析。
类似于极化状态发生器22，极化状态接收器44包括第二波片48和第二偏光器51。但与极化状态发生器22不同的是，极化状态接收器44是这样配置的照射目标的光在被第二偏光器接收之前，是通过第二波片48传输的。
在一个实施例中，第一和第二波片32、48沿着光学路径64而被可旋转地支撑在第一与第二偏光器26，51之间，光学路径64是光源14的光所经过的路径。以相对于第一波片32的角速度比率5∶1来旋转第二波片48，把目标的Mueller矩阵的16个参数(下文详细讨论)编码为检测信号的傅立叶成分。此外，第一波片32和第二波片48是放置在目标18的相对侧面上的，这意味着在第一和第二波片32、48相互作用之间，被用来照射目标18的光与目标18相互作用。这并不要求第一和第二波片32，48线性对齐，而只是要位于沿着光源14的光到光学图像捕捉装置54所经过的光学路径64上。因此，系统10可按图2所示的线性布置来安排，或按图1所示的反向散射的模式来安排。
本发明的波片32、48，也被称为延迟板和相移装置，是由表现出双折射特性的材料制成的。穿过双折射材料的普通和特殊光线36、42的速度与其折射率相反地变化。“普通光线”一词通常是相对于“特殊光线”42使用的，指的是在波片32、48上迅速穿过波片材料的入射光成分，“特殊光线”42比普通光线36更慢地穿过波片材料。通过波片材料的速度上的差别造成普通和特殊光线36、42之间的相差，也被称为相移。波片32、48传导的相差程度取决于经过波片32、48的路径长度，其在本例情况下是等于波片32、48的厚度。造成在普通和特别光成分36、42之间介于0和90°之间相移的波片32、48产生椭圆形极化光(也就是说普通和特别光成分36、42在长度方面不相等)，而准确90°的相移产生圆形极化光，其中普通和特别光成分36、42在长度方面相等。如上所述，椭圆形和圆形极化光比线性极化光在通过许多光散射介质时更易于维持其极化。根据本发明的一个实施例，第一和第二波片32、48被调整大小，以产生入射光的普通和特别光成分36、42之间的一个90°的相移。由于这样的相移达到1/4的完全波，该尺寸的波片32、48被称为1/4波减速器。
第一和第二偏光器26、51在位置上是固定的，并可以是阻止穿过偏光器的光的至少一种成分的传输同时允许另一种成分一般不被阻止地通过的任何材料。通过固定第一和第二偏光器26、51的位置，在偏光器26、51之前或之后的任何仪器的极化效果被最小化。同样，数据的傅立叶变换自动地对未确定的数据组进行最小平方拟合。如果测量是在2π周期上进行的，本系统10也对光束抖动是有抵抗能力的。
本发明的光源14可以是发射光能的任何适当的设备。根据本发明的一个实施例，光源14是具有可调节波长的可调激光器。通过调节，表示该激光器可被调节来发出波长预定范围内的任何波长的激光。其它适当的光源14包括但不限于超光谱/多光谱光源，白光，部分极化光源，等等。本发明的多光谱、多融合、双能量基于Mueller的偏振测定系统10还可包括利用除了目标18的空间和光谱信息之外的持续时间短的光脉冲或光脉冲的快照提供的瞬时信息。
此外，本发明的系统10可包括照射目标18的多个光源14。多个光源14每个可以一些不同波长的光照射目标18，形成在目标上的照射基面或点。通过变化光源14的一个或多个几何形状和方向，可产生目标18上的新的照射基面或点。可重复执行光源几何形状和/或方向的改变，从而产生希望的多能量图像。
例如，利用本发明的一些应用，如设计光学X线断层摄影系统，可配置光源14从而利用平面几何关系、扇形波束几何关系、逐点照射(pointwise)关系或其任意组合。逐点照射应是由任何光束控制反射镜类装置提供的，如机电、光电、声电、所有基于光的技术、基于液晶的反射镜和任何其它这类装置。
另外，图5所示的本发明的一个实施例实现了一种网络，该网络包括多个双旋转减速器完全Mueller矩阵偏振器，每个偏振器瞄准目标18的不同位置。该实施例可通过在相对于目标18的多个位置上放置本发明的双旋转减速器完全Mueller矩阵偏振器成像系统10来实现。类似于单独的成像系统10，网络中每个成像系统10以两个或更多数量的光照射目标18，每个数量的光具有不同的波长。但是，不同于单独的成像系统10，网络中每个成像系统10聚集第一和第二数量的光是以不同的深度或不同的表面区域上来穿透目标18的。对网络中每个单独的成像系统10，以一些不同波长的光照射目标18，对所获得的极化参数的加权执行相减，从而产生单独的多能量偏振测定图像。每个这样的单独图像然后被传送到一个通用计算平台81，其中从单独图像的组合来产生目标18的一个合成图像。如图5所示网络中，每个单独的成像系统10的极化状态发生器22和光源14是一般地由被称为“可调谐激光器1”和“可调谐激光器2”的功能块来表示的。同理，网络中每个成像系统10的极化状态接收器和光学成像设备一般是由被称为“信号处理/图像融合”的功能块来表示的。该合成图像可以是目标18的一个三维图像，目标表面的一个二维图像或任何其它类型的图像。此外，合成图像可通过从目标18内的不同层的另一个单独图像减去目标18内的一层的单独图像而被形成。以这样的方式，合成图像中能够阻碍对目标18中感兴趣层的观察的来自目标18的一层的干扰被最小化。
通用的计算平台81可存储每个单独的成像系统10所发出的光的波长有关的信息，信息在计算机可读介质中的数据库中存储，以优化在将来的应用中网络的操作。下文描述的一个人工神经网络(ANN)可与计算平台81一起被使用，为网络的单独的光源14选择最优的波长。最优波长取决于多种因素，如一些数量的光被传输的大气条件，目标18的性质(即，感兴趣的目标区域是否包括生物组织，骨骼结构，气态元素，硬化结构，合成物体放射材料等等)以及其它因素。此外，类似于单独的成像系统10，网络的一个或多个单独的成像系统10可以是在固定位置，动态地放置在飞船、卫星、医疗仪器等等，并包括在目标监视与识别，国土安全，空防，战舰感知方面的应用以及其它适当的应用。同样，目标18可以是静态的或动态的。再次参考图4，单独的成像系统10和网络可以利用有源光谱偏振成像器75，无源光谱偏振成像器78，激光雷达成像器84和其任何组合而被实现。
为本发明的系统10的操作所必须的计算硬件和软件在操作中可与上述系统10的部件进行通信。通信平台包括操作时连接到计算机可读存储器的至少一个存储单元。存储在计算机可读存储器中的计算机逻辑与从系统10原先的操作收集的和对计算机可读存储器预编程的信息一起，允许系统10至少基于目标18的周围环境，自适应地选择第一和第二数量的光的合适波长。例如，计算平台可包括通常被称为智能系统的平台，如人工神经网络，以确定目标识别和辨认所用的最优波长。这可被用于在伪装网状物、树木、烟雾或其它不利大气条件中寻找目标18，可用于确定医疗背景中病人身体内已知的成分，和其它类似的应用。
一般地，一个人工神经网络(ANN)包括高度相互连接的运算数学节点，类似于生物神经网络中的神经元。这些数学节点(神经元)之间的互连类似于生物神经网络中的神经键被称为权重(weight)，并提供存储知识的工具。通过一个学习过程获得功能变换，知识以权重形式被存储。学习过程包括重复的训练，以准确地学习任务。可替代地，信息数据库可被编程到计算机可读存储器中，使学习过程要求的时间最小化。
本发明的ANN的一个实施例利用神经网络的委员会(committee)来增加ANN所做选择的可靠性。3或4个ANN被训练为不同的结构，初始的权重，最好的ANN被补充以形成选择适当光波长的委员会。不精确的推理技术如模糊逻辑可用于进一步增强系统。
在应用中，图1所示的系统10通过检测信号的傅立叶分析而产生所有16个Mueller矩阵元素的完全测量。发光测量的第q次测量是通过系统的Mueller矩阵公式来描述，为S→out(q)=MsysS→in]]>=MLP2MLR2(q)MsampleMLR1(q)MLP1(q)S→in---(1)]]>其中Sout(q)和Sin分别是系统出口和入口处的斯托克司参数；MLP1和MLP2是理想的偏光器26、51的Mueller矩阵，它们的传输轴64方向是沿着水平X方向，MLR1(q)和MLR2(q)是极化状态发生器22和极化状态接收器44中1/4波减速器的Mueller矩阵。一般地MLP1=MLP2=121100110000000000---(2)]]>MLR1=10000cos22γqsin2γqcos2γq-sin2γq0cos2γqsin2γqsin22γqcos2γq0si2γq-cos2γq0---(3)]]>MLR2=10000sin210γqsin10γqcos10γq-sin10γq0cos10γqsin10γqsin210γqcos10γq0sin10γq-cos10γq0---(4)]]>
Msample=m11m12m13m14m21m22m23m24m31m34m35m36m41m42m43m44---(5)]]>把公式(2)至(5)代入公式(1)，执行适当的三角变换，即可由输出Stokes矢量sOout(q)的第一元素来表示输出辐照度。测量辐照度的上述表达式被扩大并被重新写入，从而产生对应于傅立叶系列扩大的条件。
s0,out(q)=Iqα02+Σn=112(αncos2nγq+bnsin2nγq)---(6)]]>其中Iq是测量的辐照度，傅立叶系数是样本Mueller矩阵的16个元素的函数。这些表达式可被颠倒，根据傅立叶系列系数提供Mueller矩阵元素。大体上，极化成像性能的相加导致对比度的显著增强。对诸如瘤的暗结构(dark structure)来说尤其如此，这使光学或近红外的探测能力降至最小。扩散光的极化百分率随着表面反射性的降低而增加。结果具有2％反射率的暗结构表现出约100％的极化百分率。
双能量成像的原理包括使用两个光学图像，一个是从高能(低波长)凝聚光源产生，另一个是从低能(高波长)凝聚光源产生。这两个图像的加权相减可产生消除了干扰的背景结构的一个数字图像。通过把极化成像性能添加到双能量系统，一个多融合的光学成像系统被得到，它具有增强的成像性能。
实际上，一个波长上获得的偏振测定图像减去在该波长获得的另一个偏振测定图像，只留下由吸收决定的因子，产生下面的表达式R(t)=loge{I[(μa(λ1)])I[(μa(λ2)])}=Δμaz---(7)]]>其中Δμa＝μa(λ2)-μa(λ1) (8)但是更一般地是，本发明的减法公式可表示为
(DOP)λ1-(DOP)λ2(8)(DOLP)λ1-(DOLP)λ2(9)(DOCP)λ1-(DOCP)λ2(10)(e)λ1-(e)λ2(11)(η)λ1-(η)λ2(12)(ε)λ2-(ε)λ1(13)其中DOP、DOLP、DOCP分别是极化度、线性极化度、圆形极化度的缩写，是利用波长为λ1和λ2的探询光束获得的，假定DOP=(S12+S22+S32)1/2S0---(14)]]>DOLP=(S12+S22)1/2S0---(15)]]>DOCP=S3S0---(16)]]>e=ba=s3s0+s12+s22---(17)]]>η=12arctan[s2s1]---(18)]]>ϵ=1-e2---(19)]]>而e、η和ε分别是椭圆率、方位角和离心率，是利用波长为λ1和λ2的探询光束获得的。自然，可利用多个波长来探询目标，从而产生多个双能量差值对。
在应用中，参考图6，本发明的多光谱、多融合、双能量基于Mueller的偏振测定成像系统10可根据说明性示例的方法产生增强的多能量图像。这种说明性的方法包括以下步骤101，发射具有第一波长的第一数量的光和具有不同于第一波长的第二波长的第二数量的光；104，通过极化，然后使第一和第二数量的光各自的一个成分相对于第一和第二数量的光的另一个成分延迟，为第一和第二数量的光各自产生一个初始极化状态；以及107，引导第一和第二数量的光各自的极化状态基本指向目标。所述说明性实施例的方法还包括110，通过相对于照射目标18后的第一和第二数量的光的一个成分来延迟第一和第二数量的光的另一个成分，分析第一和第二数量的光各自的作为结果的极化状态，且110，然后极化被延迟的第一和第二数量的光；113，捕捉由第一数量的光所照射的目标18的第一图像，以及由第二数量的光所照射的目标18的第二图像；116，对第一和第二图像的至少其中之一进行加权；以及119，通过评价第一与第二图像之间的加权差值，产生目标的多能量图像。该加权因子在一定条件下可以是一致的，或可以取任何其它值。
产生初始极化状态的步骤104包括线性极化第一和第二数量的光。在线性极化zhi后，线性极化光的普通和特别成分36、42至少其中之一是以1/4波减速器被延迟的，从而产生普通和特别成分36、42之间的相角。
同理，分析作为结果的极化状态的步骤110包括分析第一和第二数量的光与目标18相互作用之后，作为结果的第一和第二数量的光的普通和特别成分36、42之间的相角。此步骤通过与目标18相互作用之后、使第一和第二数量的光传输穿过第二个1/4波减速器48，来评价目标18对第一和第二数量的光的极化状态具有的影响。然后，第一和第二数量的光又再次被第二偏光器15极化。
对第一和第二图像116至少其中之一进行加权包括以下多个步骤确定第一和第二图像各自的一个Mueller矩阵；确定适于第一和第二图像的至少一个参数的一个加权因子，并把第一和第二图像的至少一个参数与该加权因子的数值相乘。
产生目标的多能量图像的步骤199包括以下多个步骤确定至少一个加权图像参数与保留的图像参数之间的一个差值；为两个图像之间的差值产生一个Mueller矩阵；并显示从两个图像之间的差值的Mueller矩阵产生的一个图像。
发射具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光的步骤110包括评价目标18的周围环境；把目标18的周围环境与存储在计算机可读存储器中的已知条件进行比较；并利用人工模糊神经网络，基于所评价的目标18的周围环境与存储在计算机可读存储器中的已知环境的比较，确定合适的第一和第二波长。周围环境可以是可影响到目标18的第一和第二数量的光路径的任何环境、邻近物体，等等。这样的周围环境的不受限制的示例包括气体云、烟雾或其它大气条件，通过这些环境第一和第二数量的光在光源14与目标18之间传输，或沿着从光源到光学图像捕捉装置54的光学路径54的其它位置。
根据本发明的上述描述，本领域技术人员将认识到其改进、变化和修改。这类在技术人员技能范围内的改进、变化和修改应被认为是被所附权利要求所涵盖的。
权利要求
1.一种多能量极化成像系统，包括一光源，用于以具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光来照射一目标，其中所述第二波长不同于所述第一波长；一极化状态发生器，用于产生所述第一和第二数量的光各自的极化状态，所述极化状态发生器包括第一偏光器，所述第一和第二数量的光在进入第一波片之前是通过所述第一偏光器传输的；一极化状态接收器，用于评价所述目标被照射后的所述第一和第二数量的光的作为结果的极化状态，所述极化状态接收器包括第二波片，所述第一和第二数量的光在进入第二偏光器之前是通过所述第二波片传输的；一光学图像捕捉装置，用于捕捉由所述第一数量的光所照射的所述目标的第一图像，以及由所述第二数量的光所照射的所述目标的第二图像；一处理单元，用于分配一个加权因子给所述第一和第二图像的至少其中之一，且评价所述第一和第二图像之间的一个加权差值，以产生所述目标的一个多能量图像。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述光学图像捕捉装置是电荷耦合装置。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述电荷耦合装置的位置是与所述极化状态接收器光学校直的，以捕捉所述第一和第二图像。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述光源包括激光器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述光源被配置成是以平面几何关系、扇形波束几何关系、逐点照射关系或它们的任意组合来发光的。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二波片各自是一1/4波减速器。
7.如权利要求6所述的系统，其中形成所述第一和第二波片的所述1/4波减速器是以角速度比率5∶1旋转的。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述极化状态发生器与极化状态接收器一般是在所述目标的相对侧面上线性对准的。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述极化状态接收器被设置用以评价由所述目标反射的所述第一和第二数量的光的作为结果的极化状态。
10.如权利要求1所述的系统，进一步包括一计算机可读存储器，用于存储所述处理单元所使用的信息，以确定所述第一和第二数量的光各自的合适波长。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述处理单元包括人工模糊神经网络，其利用存储在所述计算机可读存储器中的信息，来确定当所述多能量图像产生时，所述第一和第二数量的光各自的合适波长。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述光学图像捕捉装置将所捕捉的所述第一图像转换成所述目标的第一Mueller矩阵，且将所捕捉的所述第二图像转换成所述目标的第二Mueller矩阵。
13.一种用于产生目标的多能量图像的方法，所述方法包括以下步骤发出具有第一波长的第一数量的光，以及具有不同于第一波长的第二波长的第二数量的光；通过极化，且随后相对于所述第一和第二数量的极化光各自的一个成分延迟所述第一和第二数量的光各自的另一成分，为所述第一和第二数量的光各自产生一初始极化状态，；引导所述第一和第二数量的光各自的极化状态基本指向所述目标；通过照射所述目标之后，相对于所述第一和第二数量的光的另一成分来延迟所述第一和第二数量的光的一个成分，且随后极化被延迟的所述第一和第二数量的光，分析第所述一和第二数量的光各自的一个作为结果的极化状态；捕捉由所述第一数量的光所照射的所述目标的第一图像，以及由所述第二数量的所光照射的所述目标的第二图像；对所述第一和第二图像的至少其中之一进行加权；和通过评价所述第一与第二图像之间的一个加权差值，产生所述目标的多能量图像。
14.如权利要求13所述的方法，其中产生一个初始极化状态的所述步骤包括以下步骤线性极化所述第一和第二数量的光；和随后，以1/4波减速器来延迟所述线性极化光的普通和特别成分的至少其中之一，以产生所述普通和特别成分之间的相角。
15.如权利要求13所述的方法，其中分析作为结果的所述极化状态的步骤包括以下步骤分析所述第一和第二数量的光与所述目标相互作用之后，作为结果的第一和第二数量的光的所述普通和特别成分之间的相角；和线性极化所述第一和第二数量的光。
16.如权利要求13所述的方法，其中对所述第一和第二图像的至少其中之一进行加权的步骤包括以下步骤确定所述第一和第二图像各自的一个Mueller矩阵；确定适于所述第一和第二图像至少其中之一的一加权因子；和通过所述加权因子值来改变第一和第二图像至少其中之一。
17.如权利要求13所述的方法，其中产生所述目标的多能量图像的步骤包括以下步骤确定至少一个所述加权图像与所保留的所述图像之间的一差值；为两个所述图像之间的所述差值产生一Mueller矩阵；和显示根据两个所述图像之间的差值的Mueller矩阵而产生的图像。
18.如权利要求13所述的方法，其中发射具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光的所述步骤包括以下步骤评价所述目标的周围环境；把所述目标的周围环境与存储在一计算机可读存储器中的已知条件进行比较；和利用人工模糊神经网络，基于所述评价目标的周围环境与存储在所述计算机可读存储器中的已知环境的比较，确定合适的第一和第二波长。
全文摘要
提供一种系统和方法，用于产生目标的多能量图像。该系统包括一光源，以具有第一波长的第一数量的光和具有第二波长的第二数量的光照射一个目标，其中第二波长不同于第一波长。一个极化状态发生器为第一和第二数量的光的每一个产生一个极化状态，并包括第一偏光器，通过第一偏光器，第一和第二数量的光在进入第一波片之前被传输。一个极化状态接收器评价目标被照射后发生的第一和第二数量的光的极化状态，该极化状态接收器包括第二波片，通过第二波片，第一和第二数量的光在进入第二偏光器之前被传输。一个光学图像捕捉装置捕捉由第一数量的光所照射的目标的第一图像，以及由第二数量的光所照射的目标的第二图像。一个处理单元分配一个加权因子给第一和第二图像的至少其中之一，评价第一和第二图像之间的一个加权差值，以产生目标的一个多能量图像。
文档编号G01J4/04GK1813174SQ200480017939
公开日2006年8月2日 申请日期2004年5月13日 优先权日2003年6月25日
发明者G·C·杰亚库斯 申请人:阿克伦大学