西安电子科技大学刘飞团队：光阑编码孔径赋能高分辨彩色偏振成像 | 专题亮点

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商用彩色偏振相机依靠探测器像面集成彩色-偏振复合滤光阵列实现多维信息采集，但4 pixel×4 pixel复合超像素采样模式会造成严重的空间分辨率损失。本研究提出一种基于编码孔径的彩色偏振成像方法，将光谱-偏振调制由探测器像面前移至镜头光阑位置，从而实现了彩色和偏振的复合采样功能。与商用彩色偏振相机相比，该方法只需要2 pixel×2 pixel的复合超像素采样模式，就能保证色彩一致性和偏振重建质量，并实现约78%的空间分辨率提升。

官网链接：赵宗敏, 段景博, 董雪, 刘飞. 基于编码孔径的高空间分辨率彩色偏振成像方法（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(16): 1611002. 

在目标识别域场景感知等关键领域，只获取到目标的颜色信息是不够的。同样颜色的材料，可能具有不同的表面粗糙度、反射特性或材质属性等，这些差异恰恰能通过偏振信息进行进一步区分。因此，同时获取颜色与偏振信息有助于获得更丰富的目标特征，彩色偏振相机也由此成为兼顾颜色与偏振信息获取的重要成像手段。商用彩色偏振相机通常在传感器前端集成偏振滤光阵列和RGB彩色滤光阵列。偏振滤光阵列一般以2 pixel×2 pixel为一个重复单元，对应0°、45°、90°、135°四个偏振方向；RGB彩色滤光阵列则以2 pixel×2 pixel的RGGB单元周期排布。二者叠加后，形成最小重复采集单元为4 pixel×4 pixel的复合超像素，实现0°、45°、90°、135°四个偏振方向及RGB三颜色通道信息的同步采集。黑白偏振相机通常只需要2 pixel×2 pixel即可完成一组偏振采样，而颜色与偏振复合后，一个完整采样单元扩展为4 pixel×4 pixel。虽然彩色偏振相机的信息维度增加了，但真正用于描述物体空间细节的像素却减少了。这导致彩色偏振相机面对细小的边缘、纹理、结构时，空间分辨率的不足会直接影响目标检测和细节表征。那么，能否在保留颜色与偏振两个信息维度的同时，不再让它们争夺有限的传感器像素？围绕这一问题，西安电子科技大学刘飞团队尝试将光谱与偏振信息的获取功能从像面转移到光阑处的编码孔径上。

针对彩色偏振复合采样造成的空间分辨率损失，本研究改变了颜色与偏振信息的采样方式，将光谱与偏振信息的采集功能由探测器像面转移至光学编码端，并结合黑白偏振探测器与计算解码实现高空间分辨率彩色偏振成像。

图1 基于编码孔径的彩色偏振成像方法

具体而言，在光学系统的光阑处，团队设计了一个由三个等面积扇形分区组成的偏振光谱编码孔径。每个分区均由一块窄带滤光片和一块线偏振片组成，因此能够同时对入射的偏振与光谱两个维度进行选择，经前透镜组收集的目标入射光场均匀透射到编码孔径上。由于不同分区透过不同的光谱范围和偏振方向，因此入射光被调制为三个具有特定波长和偏振角的光分量。

随后，这三个编码后的光信号经过后透镜组聚焦到黑白偏振探测器的焦平面。综合考虑彩色合成所需的光谱覆盖、不同通道间的光谱串扰以及后续解译的稳定性，最终三个编码通道分别设置为（480nm，60°）、（560nm，0°）和（635nm，120°），如图2所示。

图2 编码孔径设计示意图

经过上述编码后，探测器接收到的便是由三个光谱偏振分量经由系统响应的混合测量信号。为实现准确解译，研究利用标准漫反射白板，并通过黑色掩模依次仅开启单个编码通道，标定各通道与探测器偏振子像元之间的联合响应，建立编码系数矩阵。该矩阵的秩最大为3，选取三个线性无关的测量值即可求解得到三个独立的光谱偏振分量。

随后，基于可见光范围内常见材料的偏振特性随波长变化较小这一近似，团队移除编码孔径，利用黑白偏振探测器采集目标在0°、45°和90°方向的强度信息，并通过斯托克斯矢量计算得到0°、60°和120°三个偏振角度的强度比值。随后，将该比值与已解译的三个光谱偏振分量结合，推算各波长在其余偏振角度下的光分量，最终由3个独立编码分量恢复得到3个波长×3个偏振角度共9个光谱偏振分量。

在获得9个光谱偏振分量后，研究进一步按照偏振角度进行分组，将同一偏振角下480 nm、560 nm和635 nm三个光谱通道分别映射至蓝、绿、红三个颜色通道，并利用标准白板对各通道显示增益进行标定，最终合成得到0°、60°和120°三个偏振角度下的高分辨率彩色偏振图像，实现光谱、偏振与空间信息的有效融合。

为验证所提方法在空间分辨率方面的优势，团队分别从定性与定量两个方面进行了对比实验。如图3上半部分所示，与商用彩色偏振相机相比，本文方法重建结果中目标边缘更加清晰，局部细节与细微纹理的辨识度明显提高，直观体现了空间分辨能力的提升。在此基础上，进一步采用USAF-1951分辨率靶标进行定量测试。结果表明，商用彩色偏振相机能够清晰分辨至G1E1，对应极限空间分辨率约为2.00 lp/mm；而本文系统能够分辨至G1E6，对应3.56 lp/mm。相较于商用彩色偏振相机，所提方法的空间分辨率提升约78%，显著增强了对目标细节和高空间频率信息的表征能力。

图3 空间分辨率提升效果示意图

本研究通过将光谱与偏振信息的采样由探测器像面的复合采样转移至光学孔径端，在保持彩色与偏振信息有效重建的同时，显著提升了系统的空间分辨率。实验结果表明，所提方法在色彩保真度和空间细节保持方面均具有良好表现。未来将进一步优化编码矩阵结构，并结合机器学习开展降噪与重建研究，以提升系统在复杂场景下的适应性与鲁棒性。相关研究有望进一步拓展至目标检测、工业视觉检测等应用领域。

西安电子科技大学先进成像与极端探测研究团队依托西安电子科技大学光电工程学院、高性能电子装备机电集成制造全国重点实验室，以国家重大战略发展需求为牵引，以原始创新为导向，致力于面向极端环境目标探测以及偏振、散射、光谱多维物理光场融合感知的先进成像领域研究，在复杂介质环境中透散射高分辨率成像、自然环境下偏振三维高精度重建、面向复杂环境目标探测的偏振光谱实时成像、多模态多谱段图像高分辨融合、目标检测与跟踪、快速对焦等方向取得重要突破。团队汇聚了国家级青年人才、陕西省杰青等优秀教师10余人，博硕士研究生40余人。

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