專利名稱：多光譜、多融合、激光偏振光學成像系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及光學成像系統，特別是涉及多融合、雙旋轉減速器/多能量基于完全Mueller矩陣的偏振器。所提出的成像系統基于多波長激光偏振測定，探詢散射介質或任何一般的介質包圍的目標，這利用了Mueller矩陣形式以及雙能量相減技術。具體地說，術語“多融合(multifusion)”描述如偏振測定成像、雙能量相減、多焦點成像、多次曝光以及其它的功能等等多種成像功能一起使用的情況。通過減去分別利用波長為λ1和λ2的探詢光束獲得的如極化度(DOP)、線性極化度(DOLP)、圓極化度(DCP)的偏振測定參數，系統獲得增強的圖像。本發明的多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的偏振器系統也可利用提供除了目標的空間和光譜信息之外的瞬時信息的持續時間短的光脈沖或光脈沖的快照。本發明具有多種潛在的應用，如應用在國土安全、國防和軍艦，特別是用于目標識別、辨認與監視，醫療成像，生物工程和醫療應用，癌癥檢查，圖像定向活組織檢查和分子成像，以及物體的非破壞性評價，重點是用于工業成像。
背景技術：
在宇航、醫療、軍事和工業應用中使用的穿過散射介質的光學成像和目標檢測已經被研究。傳統的偏振測定成像技術依靠這樣的假設，即弱散射光維持其初始的極化狀態，而強散射光不是這樣。散射光的極化實際上依靠許多幾何和物理參數。
以激光束探詢目標所捕捉的圖像的亮度可通過改變入射激光束的激化狀態和變化分析器的配置而被改變，以接收反向散射光的不同的極化成分。產生基于反向散射光極化狀態的圖像的早先的嘗試已主要注意分析器檢測到的穿過散射介質的線性極化的損耗。但是，線性極化光易于在大量的光散射介質中損耗重要程度的極化。基于Mueller矩陣概念，通過檢測來自生物學上有啟發意義的仿真模型，以及較小程度上來自生物組織的強散射光，這樣的嘗試已經失敗，不能分析圓極化光的去極化。
已經設計其它方法來增強利用光學成像技術捕捉的圖像的外觀。例如，這些圖像的增強已經依靠雙能量成像原理而被獲得。雙能量成像的這些原理包括利用兩個光學圖像，一個是由高能(低波長)光源探詢目標而產生，另一個是由低能(高波長)光源探詢目標而被產生。目標典型地是以不同于反射低能光的方式來反射高能光。這兩個圖像的加權相減可產生使干擾背景結構的外觀最小化的一個強烈對比的數字圖像。
增強成像應用的已知的另外一項技術是使用焦距掃描設備。通過改變安裝的鏡頭的焦深來引導探詢目標所使用的光，目標的焦距掃描被執行。這基本上照射目標的單個“片段”，目標是位于自傳播光的軸向上的鏡頭一個預定距離上。對多個不同焦深持續重復這一過程，直到全部三維目標已被捕捉，作為一個圖像。但是，基于硬件的超分辨率的該方法不提供目標與干擾的背景噪聲之間的必要對比。
已經執行多種研究，來評價雙旋轉減速器完全Mueller偏振器的使用。但是，這些研究都沒有融合具有偏振測量的雙能量的性能。此外，存在其它的一些研究，這些研究包括宇航和醫療成像應用的雙旋轉偏光器不完全偏振器配置。但是由于在這些研究中包含的偏振器是不完全的，它們沒有考慮橢圓極化的情形。而且，這些研究不期望雙能量技術與偏振測定成像原理的融合。最后，提出與雙能量性能融合的極化原理的利用，但這樣的建議都忽略了包含雙旋轉減速器完全偏振器的工具。
因此，在技術上要求一個成像系統可產生具有降低的噪聲、高特異性和高對比度的改進的圖像。該系統應該是一個完全偏振器，基于Mueller矩陣概念，通過從生物學上有啟示意義的仿真模型以及從生物組織檢測高度散射的光，來分析圓極化光的去極化。這樣的系統應為國土安全、生物醫療、工業、宇航應用提供增強的成像性能。此外，光學融合傳感器系統應擁有在寬的光譜帶寬上的成像性能，同時在高度混亂的環境中通過快速檢測、定位和辨認敵人目標提供想要的戰艦認知。另外，該系統應是與一個有源或無源多光譜分光偏振計或多光譜成像系統可結合的，以增強成像，應該證明是有用的，在不利的大氣和周圍環境條件中表現出改善的性能。
發明內容
本發明的一個目標是使為各種成像應用捕捉的圖像的對比度最大化。
本發明通過提供一種成像系統和方法來獲得該目標和其它目標，該系統和方法通過從目標圖像減去不想要的干擾結構以產生目標的一個多能量圖像，并分析與目標相互作用的光的極化狀態。
根據一個方面，本發明提供一種多能量極化成像系統，該系統包括一個光源，以具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光來照射一個目標，其中第二波長不同于第一波長。一個極化狀態發生器針對第一和第二數量的光各自產生一個極化狀態，并包括第一偏光器，第一和第二數量的光在進入第一波片(waveplate)之前先通過第一偏光器來傳輸。一個極化狀態接收器評價第一和第二數量的光在照射目標之后的極化狀態，該極化狀態接收器包括第二波片，第一和第二數量的光在進入第二偏光器之前通過第二波片來傳輸。一個光學圖像捕捉裝置捕捉由第一數量的光所照射的目標的第一圖像，以及由第二數量的光所照射的目標的第二圖像。一個處理單元分配一個加權因子給第一和第二圖像的至少其中之一，評價第一和第二圖像之間的一個加權差值，以產生目標的多能量圖像。
根據另一個方面，本發明也提供了一種方法，用于產生目標的一個多能量圖像，該方法包括的步驟是發出具有第一波長的第一數量的光和具有不同于第一波長的第二波長的第二數量的光；通過極化、且隨后相對于第一和第二數量的極化光各自的一個成分來延遲第一和第二數量的光各自的另一個成分，為第一和第二數量的光各自產生一個初始極化狀態；且引導通常指向目標的第一和第二數量的光各自的極化狀態。該方法進一步包括下面的步驟通過相對于照射目標后的第一和第二數量的光的一個成分來延遲第一和第二數量的光的另一個成分，然后極化被延遲的第一和第二數量的光，來分析第一和第二數量的光各自作為結果的極化狀態；捕捉第一數量的光照射的目標的第一圖像和第二數量的光照射的目標的第二圖像；對第一和第二圖像的至少其中之一進行加權；并且通過評價第一與第二圖像之間的加權差值，來產生目標的多能量圖像。
參照附圖，閱讀下文中有關本發明的描述之后，本發明上述的和其它的特點與優點對于本領域技術人員將變得顯而易見，其中圖1是根據反向散射模式中配置的本發明的一個多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的光學成像系統的圖示；圖2是根據傳輸模式中配置的本發明的一個多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的光學成像系統的圖示；圖3是根據本發明的四分之一波減速器的一個圖示；圖4是根據利用有源多光譜分光偏振計、無源多光譜分光偏振計和激光雷達系統實現的本發明的一個多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的光學成像系統的一個簡圖；圖5是根據本發明的多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的光學成像系統的一個網絡的說明性配置；和圖6是根據本發明的用于產生多能量圖像的一種方法的實施例的一個流程圖。
具體實施例方式
本文使用特定的術語只是為了方便，并不是作為對本發明的限制。此外，在圖表中，特定的特征是以示意性的形式被表示。
圖1表示根據本發明的多能量極化成像系統100的一個實施例。成像系統100包括一個光源14，用于以具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光照射目標18。第二波長不同于第一波長，用以產生高對比度的圖像。設置有一個極化狀態發生器22，用于為第一和第二數量的光各自產生一個極化22狀態。該極化狀態發生器包括第一偏光器26，第一和第二數量的光在進入第一波片32之前是通過第一偏光器26來傳輸的，這造成了普通成分36(圖3)與特別成分42(圖3)之間的一個相差。設置有一個極化狀態接收器44，用以評價目標18被照射后發生的第一和第二數量的光的極化狀態，該極化狀態接收器44包括第二波片49，第一和第二數量的光在進入第二偏光器51之前是通過第二波片48傳輸的。一個光學圖像捕捉裝置，如電荷耦合裝置(CCD)、光電相機(photo-electronic camera)、CMOS檢測器等等，捕捉由第一數量的光所照射的目標的第一圖像，以及由第二數量的光所照射的目標的第二圖像。一個處理單元57分配一個加權因子給第一和第二圖像的至少其中之一，評價第一和第二圖像之間的一個加權差值，從而產生目標18的一個多能量圖像。
本發明的成像系統10可選地變化焦深和曝光量，融合雙能量成像原理和偏振測定成像原理，從而以產生和顯示高對比度圖像。利用兩個或更多數量的具有不同波長的光探詢目標10(多光譜探詢)，通過運用雙旋轉1/4波線性減速器完全偏振測定技術而獲得偏振測定圖像，允許人們通過獲得圖像的極化參數的相減而得到增強的偏振測定符號差，如極化度(DOP)、線性極化度(DOLP)、圓極化度(DOCP)、橢圓率、方位角和離心率，或在不同波長上獲得的它們的差值，如DOP差值、DOLP差值、DOCP差值。這將使目標圖像的信噪比最大化。本發明的成像系統10可與有源或無源多光譜分光偏振計75、78(圖4)或多光譜/超光譜成像系統結合，以增強圖像，還與白光源、部分極化光源、多次曝光等等結合。結果，具有增強的對比度和特異性的多波長、多融合光學系統10可被獲得。另外，可這樣操作系統10將其作為單基偏振測定激光反射計、作為雙基偏振測定激光反射計，或作為以反射或傳輸模式或這些模式的任一種組合工作的多個偏振器組成的一個網絡(圖5)。所述系統也可利用超分辨率技術(可變的透鏡聚焦或算法)來實現，以及或者在計算機化的電動平臺上通過沿著聚焦軸平移目標，或利用標準的共焦顯微鏡技術，提供可變深度(沿著光傳播的聚焦軸的軸向)上的成像信息。結果，可獲得在縱向上的極化的多波長平面圖像部分。
盡管這里描述的是作為雙能量成像系統，應理解的是，本發明的系統10可用于產生和顯示任何多能量圖像。本說明書所描述的多個數量的光不限于兩種數量的光，它們可互換地作為各自具有不同波長的光束、激光線偏振光束和激光束，被用于照射目標18，以捕捉目標18的圖像。與用于照射目的的不同波長的數量無關，多能量成像的原理包括使用兩個或更多光學圖像來產生一個多能量圖像。以第一波長的光照射目標18來獲得第一圖像，而以不同于第一波長的第二波長的光照射目標18來獲得至少另一個圖像。可選地，以一些高能(短波)的光和另一些低能(長波)源的光來執行這一操作。
關于照射目標18的光的波長所使用的術語“高”與“低”、及“長”與“短”是相對的術語，通常是可以主觀解釋的。但是在本說明書中，術語“高”與“低”、及“長”與“短”是相對于用來照射目標18的另一種光的波長來使用的。例如，具有高能級的第一數量的光表示第一數量的光的能級高于第二數量的光的能級。同理，如果第一數量的光被描述為具有短波長，這是用于限制第一數量的光的波長為短于第二數量的光的波長。
這兩個圖像的加權相減產生使干擾的背景結構最小化的一個多能量圖像。一個加權因子被分配給一個或多個捕捉圖像的至少一個極化參數，這樣想要的對比度在該多能量圖像中獲得，該圖像是通過評價以一些不同波長的光照射目標18而產生的圖像之間的差值而產生的。通過對既定波長的光照射目標產生的圖像的極化參數的至少一個參數進行加權，可從多能量圖像去除適當數量的可能阻礙目標18的不想要的干擾物體。例如，目標18和其周圍環境或背景由于在第一波長上的光的相似的反射特性而表現出不良的光學對比度，而該背景是在第二波長上的主要的反射實體。以第一波長的光照射目標18和背景獲得其第一圖像，且以第二波長的光照射目標18和背景獲得其第二圖像，然后從第一圖像減去主要是背景的第二圖像，即可形成目標18的一個高對比度多能量圖像。
本發明的多能量圖像可以是一維、二維或三維的。此外，光學圖像捕捉裝置54可依賴于零差、外差、超外差式檢測原理、圖像增強器、光電倍增器、半導體檢測器，包括但不限于自動平衡檢測器以及鎖定放大器的使用。
從用不同波長的光照射目標18所獲得的另一個圖像對應的極化參數，來減去可被加權的被捕捉圖像的極化參數的示例包括極化度(DOP)、線性極化度(DOLP)、圓極化度(DOCP)、橢圓率、方位角和離心率等等。利用多組圖像也可執行加權相減，在這些情況下相減是在諸如DOP差值、DOLP差值、DOCP差值、橢圓率差值、方位角差值和離心率差值等等多組差值上執行的。
進一步的增強是通過利用實用偏振測定技術、及可選地也可利用物體的焦距掃描來獲得的。目標18的焦距掃描可通過改變在目標18前面放置用于聚焦光線的鏡頭的焦深來獲得，從而使光線會聚在目標18內的適當深度上。這樣來照射自光傳播的軸向上的鏡頭一個預定距離放置的目標18的單個“片段”。這一過程在多個不同焦深上被不斷重復，直到三維目標18的想要的部分被捕捉為一個圖像。
雙旋轉減速器被設置得鄰近相應的偏光器，從而形成極化狀態發生器11和極化狀態接收器44，用于分別產生和分析第一與第二數量的光的極化狀態。極化狀態發生器22和極化狀態接收器44與上述的雙能量成像技術結合使用。它可被配置以傳輸模式操作，如圖2所示，以及以圖1所示的反向散射模式操作。本發明的適應性允許它被用于各種應用中，這樣的應用包括，但不限于醫療、宇航和工業。例如，本發明的成像系統10可用于空對地和地對地兩種作戰應用的不利大氣條件中。另外，成像系統10可用于通過產生病人體腔內增強的圖像而進行醫療診斷。
圖3表示一個示例性的波片，該波片形成所述系統中極化狀態發生器22和極化狀態接收器44的雙旋轉減速器的一部分。通過沿光軸64放置光學校直裝置中的極化狀態發生器22來產生極化狀態。以這一方式安排光源14發出的光由第一偏光器26極化，并隨后通過第一波片32傳輸。在從第一波片32傳輸的光照射目標18之后，從第一波片32傳輸的光的極化狀態然后被極化狀態接收器44分析。
類似于極化狀態發生器22，極化狀態接收器44包括第二波片48和第二偏光器51。但與極化狀態發生器22不同的是，極化狀態接收器44是這樣配置的照射目標的光在被第二偏光器接收之前，是通過第二波片48傳輸的。
在一個實施例中，第一和第二波片32、48沿著光學路徑64而被可旋轉地支撐在第一與第二偏光器26，51之間，光學路徑64是光源14的光所經過的路徑。以相對于第一波片32的角速度比率5∶1來旋轉第二波片48，把目標的Mueller矩陣的16個參數(下文詳細討論)編碼為檢測信號的傅立葉成分。此外，第一波片32和第二波片48是放置在目標18的相對側面上的，這意味著在第一和第二波片32、48相互作用之間，被用來照射目標18的光與目標18相互作用。這并不要求第一和第二波片32，48線性對齊，而只是要位于沿著光源14的光到光學圖像捕捉裝置54所經過的光學路徑64上。因此，系統10可按圖2所示的線性布置來安排，或按圖1所示的反向散射的模式來安排。
本發明的波片32、48，也被稱為延遲板和相移裝置，是由表現出雙折射特性的材料制成的。穿過雙折射材料的普通和特殊光線36、42的速度與其折射率相反地變化。“普通光線”一詞通常是相對于“特殊光線”42使用的，指的是在波片32、48上迅速穿過波片材料的入射光成分，“特殊光線”42比普通光線36更慢地穿過波片材料。通過波片材料的速度上的差別造成普通和特殊光線36、42之間的相差，也被稱為相移。波片32、48傳導的相差程度取決于經過波片32、48的路徑長度，其在本例情況下是等于波片32、48的厚度。造成在普通和特別光成分36、42之間介于0和90°之間相移的波片32、48產生橢圓形極化光(也就是說普通和特別光成分36、42在長度方面不相等)，而準確90°的相移產生圓形極化光，其中普通和特別光成分36、42在長度方面相等。如上所述，橢圓形和圓形極化光比線性極化光在通過許多光散射介質時更易于維持其極化。根據本發明的一個實施例，第一和第二波片32、48被調整大小，以產生入射光的普通和特別光成分36、42之間的一個90°的相移。由于這樣的相移達到1/4的完全波，該尺寸的波片32、48被稱為1/4波減速器。
第一和第二偏光器26、51在位置上是固定的，并可以是阻止穿過偏光器的光的至少一種成分的傳輸同時允許另一種成分一般不被阻止地通過的任何材料。通過固定第一和第二偏光器26、51的位置，在偏光器26、51之前或之后的任何儀器的極化效果被最小化。同樣，數據的傅立葉變換自動地對未確定的數據組進行最小平方擬合。如果測量是在2π周期上進行的，本系統10也對光束抖動是有抵抗能力的。
本發明的光源14可以是發射光能的任何適當的設備。根據本發明的一個實施例，光源14是具有可調節波長的可調激光器。通過調節，表示該激光器可被調節來發出波長預定范圍內的任何波長的激光。其它適當的光源14包括但不限于超光譜/多光譜光源，白光，部分極化光源，等等。本發明的多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的偏振測定系統10還可包括利用除了目標18的空間和光譜信息之外的持續時間短的光脈沖或光脈沖的快照提供的瞬時信息。
此外，本發明的系統10可包括照射目標18的多個光源14。多個光源14每個可以一些不同波長的光照射目標18，形成在目標上的照射基面或點。通過變化光源14的一個或多個幾何形狀和方向，可產生目標18上的新的照射基面或點。可重復執行光源幾何形狀和/或方向的改變，從而產生希望的多能量圖像。
例如，利用本發明的一些應用，如設計光學X線斷層攝影系統，可配置光源14從而利用平面幾何關系、扇形波束幾何關系、逐點照射(pointwise)關系或其任意組合。逐點照射應是由任何光束控制反射鏡類裝置提供的，如機電、光電、聲電、所有基于光的技術、基于液晶的反射鏡和任何其它這類裝置。
另外，圖5所示的本發明的一個實施例實現了一種網絡，該網絡包括多個雙旋轉減速器完全Mueller矩陣偏振器，每個偏振器瞄準目標18的不同位置。該實施例可通過在相對于目標18的多個位置上放置本發明的雙旋轉減速器完全Mueller矩陣偏振器成像系統10來實現。類似于單獨的成像系統10，網絡中每個成像系統10以兩個或更多數量的光照射目標18，每個數量的光具有不同的波長。但是，不同于單獨的成像系統10，網絡中每個成像系統10聚集第一和第二數量的光是以不同的深度或不同的表面區域上來穿透目標18的。對網絡中每個單獨的成像系統10，以一些不同波長的光照射目標18，對所獲得的極化參數的加權執行相減，從而產生單獨的多能量偏振測定圖像。每個這樣的單獨圖像然后被傳送到一個通用計算平臺81，其中從單獨圖像的組合來產生目標18的一個合成圖像。如圖5所示網絡中，每個單獨的成像系統10的極化狀態發生器22和光源14是一般地由被稱為“可調諧激光器1”和“可調諧激光器2”的功能塊來表示的。同理，網絡中每個成像系統10的極化狀態接收器和光學成像設備一般是由被稱為“信號處理/圖像融合”的功能塊來表示的。該合成圖像可以是目標18的一個三維圖像，目標表面的一個二維圖像或任何其它類型的圖像。此外，合成圖像可通過從目標18內的不同層的另一個單獨圖像減去目標18內的一層的單獨圖像而被形成。以這樣的方式，合成圖像中能夠阻礙對目標18中感興趣層的觀察的來自目標18的一層的干擾被最小化。
通用的計算平臺81可存儲每個單獨的成像系統10所發出的光的波長有關的信息，信息在計算機可讀介質中的數據庫中存儲，以優化在將來的應用中網絡的操作。下文描述的一個人工神經網絡(ANN)可與計算平臺81一起被使用，為網絡的單獨的光源14選擇最優的波長。最優波長取決于多種因素，如一些數量的光被傳輸的大氣條件，目標18的性質(即，感興趣的目標區域是否包括生物組織，骨骼結構，氣態元素，硬化結構，合成物體放射材料等等)以及其它因素。此外，類似于單獨的成像系統10，網絡的一個或多個單獨的成像系統10可以是在固定位置，動態地放置在飛船、衛星、醫療儀器等等，并包括在目標監視與識別，國土安全，空防，戰艦感知方面的應用以及其它適當的應用。同樣，目標18可以是靜態的或動態的。再次參考圖4，單獨的成像系統10和網絡可以利用有源光譜偏振成像器75，無源光譜偏振成像器78，激光雷達成像器84和其任何組合而被實現。
為本發明的系統10的操作所必須的計算硬件和軟件在操作中可與上述系統10的部件進行通信。通信平臺包括操作時連接到計算機可讀存儲器的至少一個存儲單元。存儲在計算機可讀存儲器中的計算機邏輯與從系統10原先的操作收集的和對計算機可讀存儲器預編程的信息一起，允許系統10至少基于目標18的周圍環境，自適應地選擇第一和第二數量的光的合適波長。例如，計算平臺可包括通常被稱為智能系統的平臺，如人工神經網絡，以確定目標識別和辨認所用的最優波長。這可被用于在偽裝網狀物、樹木、煙霧或其它不利大氣條件中尋找目標18，可用于確定醫療背景中病人身體內已知的成分，和其它類似的應用。
一般地，一個人工神經網絡(ANN)包括高度相互連接的運算數學節點，類似于生物神經網絡中的神經元。這些數學節點(神經元)之間的互連類似于生物神經網絡中的神經鍵被稱為權重(weight)，并提供存儲知識的工具。通過一個學習過程獲得功能變換，知識以權重形式被存儲。學習過程包括重復的訓練，以準確地學習任務。可替代地，信息數據庫可被編程到計算機可讀存儲器中，使學習過程要求的時間最小化。
本發明的ANN的一個實施例利用神經網絡的委員會(committee)來增加ANN所做選擇的可靠性。3或4個ANN被訓練為不同的結構，初始的權重，最好的ANN被補充以形成選擇適當光波長的委員會。不精確的推理技術如模糊邏輯可用于進一步增強系統。
在應用中，圖1所示的系統10通過檢測信號的傅立葉分析而產生所有16個Mueller矩陣元素的完全測量。發光測量的第q次測量是通過系統的Mueller矩陣公式來描述，為S→out(q)=MsysS→in]]>=MLP2MLR2(q)MsampleMLR1(q)MLP1(q)S→in---(1)]]>其中Sout(q)和Sin分別是系統出口和入口處的斯托克司參數；MLP1和MLP2是理想的偏光器26、51的Mueller矩陣，它們的傳輸軸64方向是沿著水平X方向，MLR1(q)和MLR2(q)是極化狀態發生器22和極化狀態接收器44中1/4波減速器的Mueller矩陣。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)，執行適當的三角變換，即可由輸出Stokes矢量sOout(q)的第一元素來表示輸出輻照度。測量輻照度的上述表達式被擴大并被重新寫入，從而產生對應于傅立葉系列擴大的條件。
s0,out(q)=Iqα02+Σn=112(αncos2nγq+bnsin2nγq)---(6)]]>其中Iq是測量的輻照度，傅立葉系數是樣本Mueller矩陣的16個元素的函數。這些表達式可被顛倒，根據傅立葉系列系數提供Mueller矩陣元素。大體上，極化成像性能的相加導致對比度的顯著增強。對諸如瘤的暗結構(dark structure)來說尤其如此，這使光學或近紅外的探測能力降至最小。擴散光的極化百分率隨著表面反射性的降低而增加。結果具有2％反射率的暗結構表現出約100％的極化百分率。
雙能量成像的原理包括使用兩個光學圖像，一個是從高能(低波長)凝聚光源產生，另一個是從低能(高波長)凝聚光源產生。這兩個圖像的加權相減可產生消除了干擾的背景結構的一個數字圖像。通過把極化成像性能添加到雙能量系統，一個多融合的光學成像系統被得到，它具有增強的成像性能。
實際上，一個波長上獲得的偏振測定圖像減去在該波長獲得的另一個偏振測定圖像，只留下由吸收決定的因子，產生下面的表達式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，本發明的減法公式可表示為
(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分別是極化度、線性極化度、圓形極化度的縮寫，是利用波長為λ1和λ2的探詢光束獲得的，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分別是橢圓率、方位角和離心率，是利用波長為λ1和λ2的探詢光束獲得的。自然，可利用多個波長來探詢目標，從而產生多個雙能量差值對。
在應用中，參考圖6，本發明的多光譜、多融合、雙能量基于Mueller的偏振測定成像系統10可根據說明性示例的方法產生增強的多能量圖像。這種說明性的方法包括以下步驟101，發射具有第一波長的第一數量的光和具有不同于第一波長的第二波長的第二數量的光；104，通過極化，然后使第一和第二數量的光各自的一個成分相對于第一和第二數量的光的另一個成分延遲，為第一和第二數量的光各自產生一個初始極化狀態；以及107，引導第一和第二數量的光各自的極化狀態基本指向目標。所述說明性實施例的方法還包括110，通過相對于照射目標18后的第一和第二數量的光的一個成分來延遲第一和第二數量的光的另一個成分，分析第一和第二數量的光各自的作為結果的極化狀態，且110，然后極化被延遲的第一和第二數量的光；113，捕捉由第一數量的光所照射的目標18的第一圖像，以及由第二數量的光所照射的目標18的第二圖像；116，對第一和第二圖像的至少其中之一進行加權；以及119，通過評價第一與第二圖像之間的加權差值，產生目標的多能量圖像。該加權因子在一定條件下可以是一致的，或可以取任何其它值。
產生初始極化狀態的步驟104包括線性極化第一和第二數量的光。在線性極化zhi后，線性極化光的普通和特別成分36、42至少其中之一是以1/4波減速器被延遲的，從而產生普通和特別成分36、42之間的相角。
同理，分析作為結果的極化狀態的步驟110包括分析第一和第二數量的光與目標18相互作用之后，作為結果的第一和第二數量的光的普通和特別成分36、42之間的相角。此步驟通過與目標18相互作用之后、使第一和第二數量的光傳輸穿過第二個1/4波減速器48，來評價目標18對第一和第二數量的光的極化狀態具有的影響。然后，第一和第二數量的光又再次被第二偏光器15極化。
對第一和第二圖像116至少其中之一進行加權包括以下多個步驟確定第一和第二圖像各自的一個Mueller矩陣；確定適于第一和第二圖像的至少一個參數的一個加權因子，并把第一和第二圖像的至少一個參數與該加權因子的數值相乘。
產生目標的多能量圖像的步驟199包括以下多個步驟確定至少一個加權圖像參數與保留的圖像參數之間的一個差值；為兩個圖像之間的差值產生一個Mueller矩陣；并顯示從兩個圖像之間的差值的Mueller矩陣產生的一個圖像。
發射具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光的步驟110包括評價目標18的周圍環境；把目標18的周圍環境與存儲在計算機可讀存儲器中的已知條件進行比較；并利用人工模糊神經網絡，基于所評價的目標18的周圍環境與存儲在計算機可讀存儲器中的已知環境的比較，確定合適的第一和第二波長。周圍環境可以是可影響到目標18的第一和第二數量的光路徑的任何環境、鄰近物體，等等。這樣的周圍環境的不受限制的示例包括氣體云、煙霧或其它大氣條件，通過這些環境第一和第二數量的光在光源14與目標18之間傳輸，或沿著從光源到光學圖像捕捉裝置54的光學路徑54的其它位置。
根據本發明的上述描述，本領域技術人員將認識到其改進、變化和修改。這類在技術人員技能范圍內的改進、變化和修改應被認為是被所附權利要求所涵蓋的。
權利要求
1.一種多能量極化成像系統，包括一光源，用于以具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光來照射一目標，其中所述第二波長不同于所述第一波長；一極化狀態發生器，用于產生所述第一和第二數量的光各自的極化狀態，所述極化狀態發生器包括第一偏光器，所述第一和第二數量的光在進入第一波片之前是通過所述第一偏光器傳輸的；一極化狀態接收器，用于評價所述目標被照射后的所述第一和第二數量的光的作為結果的極化狀態，所述極化狀態接收器包括第二波片，所述第一和第二數量的光在進入第二偏光器之前是通過所述第二波片傳輸的；一光學圖像捕捉裝置，用于捕捉由所述第一數量的光所照射的所述目標的第一圖像，以及由所述第二數量的光所照射的所述目標的第二圖像；一處理單元，用于分配一個加權因子給所述第一和第二圖像的至少其中之一，且評價所述第一和第二圖像之間的一個加權差值，以產生所述目標的一個多能量圖像。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述光學圖像捕捉裝置是電荷耦合裝置。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述電荷耦合裝置的位置是與所述極化狀態接收器光學校直的，以捕捉所述第一和第二圖像。
4.如權利要求1所述的系統，其中所述光源包括激光器。
5.如權利要求1所述的系統，其中所述光源被配置成是以平面幾何關系、扇形波束幾何關系、逐點照射關系或它們的任意組合來發光的。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述第一和第二波片各自是一1/4波減速器。
7.如權利要求6所述的系統，其中形成所述第一和第二波片的所述1/4波減速器是以角速度比率5∶1旋轉的。
8.如權利要求1所述的系統，其中所述極化狀態發生器與極化狀態接收器一般是在所述目標的相對側面上線性對準的。
9.如權利要求1所述的系統，其中所述極化狀態接收器被設置用以評價由所述目標反射的所述第一和第二數量的光的作為結果的極化狀態。
10.如權利要求1所述的系統，進一步包括一計算機可讀存儲器，用于存儲所述處理單元所使用的信息，以確定所述第一和第二數量的光各自的合適波長。
11.如權利要求10所述的系統，其中所述處理單元包括人工模糊神經網絡，其利用存儲在所述計算機可讀存儲器中的信息，來確定當所述多能量圖像產生時，所述第一和第二數量的光各自的合適波長。
12.如權利要求1所述的系統，其中所述光學圖像捕捉裝置將所捕捉的所述第一圖像轉換成所述目標的第一Mueller矩陣，且將所捕捉的所述第二圖像轉換成所述目標的第二Mueller矩陣。
13.一種用于產生目標的多能量圖像的方法，所述方法包括以下步驟發出具有第一波長的第一數量的光，以及具有不同于第一波長的第二波長的第二數量的光；通過極化，且隨后相對于所述第一和第二數量的極化光各自的一個成分延遲所述第一和第二數量的光各自的另一成分，為所述第一和第二數量的光各自產生一初始極化狀態，；引導所述第一和第二數量的光各自的極化狀態基本指向所述目標；通過照射所述目標之后，相對于所述第一和第二數量的光的另一成分來延遲所述第一和第二數量的光的一個成分，且隨后極化被延遲的所述第一和第二數量的光，分析第所述一和第二數量的光各自的一個作為結果的極化狀態；捕捉由所述第一數量的光所照射的所述目標的第一圖像，以及由所述第二數量的所光照射的所述目標的第二圖像；對所述第一和第二圖像的至少其中之一進行加權；和通過評價所述第一與第二圖像之間的一個加權差值，產生所述目標的多能量圖像。
14.如權利要求13所述的方法，其中產生一個初始極化狀態的所述步驟包括以下步驟線性極化所述第一和第二數量的光；和隨后，以1/4波減速器來延遲所述線性極化光的普通和特別成分的至少其中之一，以產生所述普通和特別成分之間的相角。
15.如權利要求13所述的方法，其中分析作為結果的所述極化狀態的步驟包括以下步驟分析所述第一和第二數量的光與所述目標相互作用之后，作為結果的第一和第二數量的光的所述普通和特別成分之間的相角；和線性極化所述第一和第二數量的光。
16.如權利要求13所述的方法，其中對所述第一和第二圖像的至少其中之一進行加權的步驟包括以下步驟確定所述第一和第二圖像各自的一個Mueller矩陣；確定適于所述第一和第二圖像至少其中之一的一加權因子；和通過所述加權因子值來改變第一和第二圖像至少其中之一。
17.如權利要求13所述的方法，其中產生所述目標的多能量圖像的步驟包括以下步驟確定至少一個所述加權圖像與所保留的所述圖像之間的一差值；為兩個所述圖像之間的所述差值產生一Mueller矩陣；和顯示根據兩個所述圖像之間的差值的Mueller矩陣而產生的圖像。
18.如權利要求13所述的方法，其中發射具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光的所述步驟包括以下步驟評價所述目標的周圍環境；把所述目標的周圍環境與存儲在一計算機可讀存儲器中的已知條件進行比較；和利用人工模糊神經網絡，基于所述評價目標的周圍環境與存儲在所述計算機可讀存儲器中的已知環境的比較，確定合適的第一和第二波長。
全文摘要
提供一種系統和方法，用于產生目標的多能量圖像。該系統包括一光源，以具有第一波長的第一數量的光和具有第二波長的第二數量的光照射一個目標，其中第二波長不同于第一波長。一個極化狀態發生器為第一和第二數量的光的每一個產生一個極化狀態，并包括第一偏光器，通過第一偏光器，第一和第二數量的光在進入第一波片之前被傳輸。一個極化狀態接收器評價目標被照射后發生的第一和第二數量的光的極化狀態，該極化狀態接收器包括第二波片，通過第二波片，第一和第二數量的光在進入第二偏光器之前被傳輸。一個光學圖像捕捉裝置捕捉由第一數量的光所照射的目標的第一圖像，以及由第二數量的光所照射的目標的第二圖像。一個處理單元分配一個加權因子給第一和第二圖像的至少其中之一，評價第一和第二圖像之間的一個加權差值，以產生目標的一個多能量圖像。
文檔編號G01J4/04GK1813174SQ200480017939
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月13日 優先權日2003年6月25日
發明者G·C·杰亞庫斯 申請人:阿克倫大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
