基于稀疏约束多目标联合优化的微纳偏振阵列成像设计

The micro-nano manufacturing can integrate the Micro-polarizer array, to focal plane sensors to obtain real-time polarization information. Micro-polarizer array (MPA) imaging technology has unique advantages on equipment volume, weight, real-time imaging etc. All these advantages expand the applications of polarization imaging. But the study on MPA grating parameters design, as well as the design for Micro-polarizer array and demosaic algorithms are very rare, affecting the polarization imaging quality, fidelity and polarization image resolution. The aim of this project is to obtain high spatial resolution, high transmittance and extinction ratio, high fidelity and low polarization energy loss. This project proposes to consider array design and demosaicking stimulatingly, and taking into account the technical difficulty of micro, MPA design parameters and processing errors in the same time. A new MPA imaging design method that can be solved by sparse constrained multi-objective method to optimize the MPA design parameters, array design and demosaicking simultaneously is proposed. This project provides a new integrated design idea and concept for the micro-nano polarization imaging.

微纳制造工艺将微偏振阵列集成于成像焦平面上可实时获取偏振信息。基于微偏振阵列(MPA)的偏振成像设备在体积、重量、功耗等方面有明显优势，极大地拓展了偏振成像的应用领域。但目前针对MPA光栅参数设计、单元排布模式以及偏振去马赛克算法等研究均存在严重不足，影响了偏振成像的质量、偏振信息的保真度以及偏振图像的分辨率。本项目将微纳光栅的高透过率和消光比、偏振成像的高空间分辨率、高偏振保真度和低能量损失作为迭代优化目的，建立了将成像技术“先设计阵列排布模式后偏振特征解算”两个串行环节相互结合，并同时考虑MPA参数设计、加工误差和加工工艺的技术难度，提出一种基于MPA参数设计、单元排布模式和偏振去马赛克的稀疏约束多目标微偏阵列联合优化设计的数学模型。提出用稀疏约束下的多目标进化计算求解。本项目为微纳偏振阵列成像设计研究提供一种新的一体化设计思路和理念。

微纳制造工艺将微偏振阵列集成于成像焦平面上可实时获取偏振信息。基于微偏振阵列(M PA)的偏振成像设备在体积、重量、功耗等方面有明显优势，极大地拓展了偏振成像的应用领域。但目前针对MPA光栅参数设计、单元排布模式以及偏振去马赛克算法等研究均存在严重不足，影响了偏振成像的质量、偏振信息的保真度以及偏振图像的分辨率。本项目提出一种基于频域的全自动且系统的MPA设计方法，且同时提出一种相应的去马赛克算法。本项目提出6个设计MPA的基本原则。基于这6项设计准则，建立了一个带约束的三目标优化模型。由于多目标和约束的存在使得该问题求解很困难，我们提出一种新的基于进化多目标的优化方法(AO-MPA)来求解该问题。最后的实验结果也验证了AO-MPA方法的有效性。本项目提出的设计方法不但可以求解任何尺寸的MPA最优设计并且可以同时求得相同尺寸下所有的MPA排布模式。最优MPA排布模式不仅有更少的偏振角度且不影响对偏振度的求解精度。该排布模式对噪声更鲁棒且在工程上更易实现。本项目为微纳偏振阵列成像设计研究提供一种新的一体化设计思路和理念。