超光谱、全偏振、立体形貌的多模态成像研究

The spectrum, polarization and the three-dimensional shape are important physical characteristics for target feature analysis. Multi-modal imaging technology is a powerful tool which can acquire five-dimensional optical information including the above optical information for target sensing and physical analysis. It has great potential in many fields such as biomedicine science, material analysis, forensic appraisal, food and drug safety, biological and cultural relic archaeology. Around the issues of spectral imaging, polarization imaging and surface shape imaging, the research will carry out a novel multi-modal imaging technology based on the principles of dispersion shearing interferometry, micro-polarization modulation and structured illumination. A five-dimensional optical information acquiring model that includes super-resolution spectrum, full-Stokes polarization and three-dimensional shape will be established. The problems of multi-scale nonlinear spectral recovery, full-spatial-resolution Stokes vector recovery and three-dimensional shape recovery with broadband-spectrum structured illumination will be also solved. Besides, the experimental device will be set up and used to verify the principle and analyze the performance. The research will provide a new technology to obtain high dimensional optical information of the scene for precise target analysis.

光谱、偏振、形貌是目标特征分析的重要物理参量，三者合一的多模态成像技术能够把信息量从低维空间扩展至五维空间，有效增加目标感知和全面分析的手段，在生物医学、材料分析、刑侦鉴定、食品和药品安全、生物和文物考古等领域具有巨大的应用潜力。围绕光谱、偏振、形貌的成像探测问题，本课题将研究一种新型多模态一体化成像原理和技术，采用"色散剪切干涉"、"微偏振调制"、"结构光照明"的思想，建立一种超光谱、全偏振、立体形貌的五维信息一体化成像模型，解决多尺度非线性光谱复原、全分辨率偏振复原、宽光谱照明条纹形貌复原等多模态复合信息的复原问题，通过研制实验装置对课题的成像方法进行原理验证和性能分析。课题的研究成果将为高维信息成像及精细目标分析提供一种新的研究思路及技术途径。

光谱偏振形貌融合成像技术集成了光谱成像技术、偏振成像技术和形貌成像技术，能够同时探测目标的光谱信息、偏振信息以及立体空间信息，为目标的探测与识别提供丰富可靠的信息依据，在生物医学、材料分析、刑侦鉴定、食品安全、文物考古等领域具有巨大的应用前景。本课题围绕光谱、偏振、形貌的成像探测问题，研究一种新型多模态一体化成像方法，能够同时获取探测目标的高光谱、偏振及立体形貌五维全光信息。.为获取目标的光谱信息，首先研究了基于色散剪切干涉的超光谱干涉成像技术，采用衍射元件作为色散元件加入到Sagnac剪切器中，实现光强信号的外差干涉调制。该技术增大了不同波长光束的光程差差异，使得能被分辨开的两条谱线的波数间隔减小，从而将光谱分辨率提高到亚纳米级别。为实现偏振光谱信息的同步探测，在干涉成像的基础上引入偏振调制技术，通过在成像系统中加入微偏振调制阵列，引入四组空间分离的线偏振态光谱，实现目标高光谱偏振信息的精细探测。为获取目标的形貌信息，本课题提出一种基于干涉照明的光谱偏振形貌测量方法。研究了基于宽光谱干涉照明的新型高光谱成像原理，建立光谱信息与干涉信号之间的理论关系。研究了基于宽光谱干涉照明的三维形貌测量方法原理，建立形貌信息与干涉信号之间的理论关系。通过上述理论研究，建立一个高光谱、偏振、立体形貌的五维一体化成像模型。.在理论研究的基础上，搭建相关实验系统进行了验证性实验。首先搭建了基于Sagnac剪切器和衍射元件的超光谱干涉成像实验系统，光谱范围630~650nm，实验系统的平均光谱分辨率优于0.2nm。在此基础上，设计了偏振调制系统，构建基于微偏振阵列的光谱偏振成像系统，探测目标的S0、S1和S2线偏振分量信息。搭建基于宽光谱干涉照明的三维形貌测量系统，对立体石膏像进行了成像测量，获取到目标的光谱图像和形貌分布结果。本课题的研究成果可以实现光谱、偏振和形貌信息的同步探测，为高维信息成像及精细目标分析提供一种新的研究思路及技术途径。