通过空间偏振复用散斑全息图，在散射介质中实现偏振分量的实时矢量恢复

《Optics & Laser Technology》：Real-time vectorial recovery of polarization components through scattering media via spatial polarization multiplexed speckle hologram

极化可视化在光学成像中至关重要，可揭示物体结构及材料特性。尽管近年极化成像技术发展迅速，散射介质下的极化分量恢复仍面临挑战。本研究提出基于空间极化多路复用与散斑相关性的新型speckle holographic技术，通过双极化全息系统在探测平面生成散斑极化全息图，并在散射平面形成极化内线全息图，实现散射介质下极化分量的实时同步恢复。实验验证了该方法在复杂散射环境中对各向异性物体极化信息的有效恢复，并利用PSNR和SSIM指标证明其重构精度。

　　在光学成像领域，偏振可视化具有重要意义，因为它能够传达物体的结构和材料信息。尽管近年来偏振成像技术取得了显著进展，但通过散射层恢复图像仍然是一个挑战性任务。本文提出了一种基于空间偏振复用和散射斑相关性的散射斑全息技术，实现了通过散射层对偏振分量的同步恢复。该成像方案采用双偏振全息方法，在探测平面上生成散射斑偏振全息图，并在散射平面上形成偏振直透全息图。通过检测空间偏振复用的散射斑全息图，并实施实时偏振重构算法，实现了对偏振分量复数场的同步恢复。该技术的有效性与可行性通过实时重建通过散射层的各种各向异性物体的偏振分量得到了实验验证。

偏振作为独特的视觉模式，其特性体现在光的矢量属性上，而这些属性通常被基于强度的探测器所忽略。与光的标量属性如强度和相位不同，偏振的探索与测量需要更先进的方法和技术。这些方法要求更复杂的探测器、偏振敏感的光学元件以及创新的计算手段。在过去的几十年中，通过利用先进的偏振光学工具，各种偏振成像技术已经实现了矢量信息的获取，例如偏振显微镜、偏振敏感光学相干断层扫描、琼斯相位显微镜、斯托克斯-穆勒偏振技术等。近年来，偏振辅助方法在生物医学检测中取得了显著进展，应用于手术和诊断领域、癌症检测、三维形状测量、机器人感知、各向异性特性分析以及自动驾驶技术。这些发展包括过去十年中引入的集成芯片制造技术的偏振相机、高分辨率像素传感器以及可行的成本，推动了各种偏振技术的进步。

在后来的发展中，偏振相机被应用于各种成像和特性分析领域，展现出令人振奋的应用前景。这些应用包括从生物成像、机器视觉、通过浑浊介质的成像、空间遥感、表面等离子传感器、流体和声波检测、偏振光显微镜、干涉测量、全息术、定量相位显微镜等领域中，通过获取光的矢量和标量属性。尽管在利用偏振进行传统成像以及开发复杂的偏振敏感成像技术方面取得了显著进展，但通过散射层和浑浊环境恢复各向异性物体的矢量属性仍然是一个成像挑战，并且仍处于发展的初级阶段。

偏振编码信息通过散射层传输时，会破坏光的偏振状态，同时影响其振幅和相位数据。这导致偏振敏感的复数振幅信息被随机散射斑图案扰乱，使得直接恢复各向异性信息变得复杂。在过去几十年中，一些先进的方法被用于通过散射介质恢复振幅和相位信息，这些方法利用了波前整形、传输矩阵、相位共轭、散射斑相关性、双谱分析、反卷积方案、电子编码和衍射解码等特性。同时，很少有方法被用于恢复极化物体在各种散射环境中的偏振状态，大多数这些方法仍处于初步发展阶段，如偏振差（PD）成像、基于斯托克斯的成像、基于穆勒矩阵的成像、基于机器学习的成像等。尽管PD技术为消除散射效应和恢复偏振特征提供了相当多的成像功能，但有限的偏振信息限制了对散射介质或各向异性物体的完整表征。随后，斯托克斯和穆勒矩阵技术被扩展到散射成像领域，在散射环境中实现了偏振恢复的鼓舞人心的成果。然而，对偏振测量的更高自由度需求使成像系统更加复杂，需要更多的偏振光学元件和多通道检测或记录需求。在其他发展方面，一种结合偏振散射斑分析、散射斑相关性和离轴全息术的技术已被用于通过散射层恢复偏振信息。尽管这种方法可以恢复单个偏振状态，但其依赖于多帧偏振滤波，并且无法在物体平面上恢复偏振敏感的复数振幅信息，这限制了其在实时成像场景中的应用。

尽管近年来展示了一些前瞻性的方法，但偏振技术在通过各种散射环境实现实时恢复方面仍面临严峻挑战。这些挑战包括对紧凑设计、最少偏振光学元件、以及强度、相位和偏振的同步恢复的需求。本文提出了一种新的通过散射介质实现实时偏振恢复的系统，利用数字全息术和偏振散射斑模式的相关性。为了同步恢复矢量信息以及强度和相位，该技术引入了一种双偏振全息方案，结合了空间偏振复用的散射斑全息图检测和随后的数字偏振直透全息图恢复。该技术利用了像素化偏振相机的特性，实现了对空间偏振复用偏振分量的同时检测，并采用了一种包括实时数字恢复偏振相关全息图和同步恢复各向异性物体偏振分量矢量信息的偏振恢复算法。与现有的散射斑相关全息技术相比，该方法提供了几个关键优势：它通过将像素化偏振相机与无透镜双偏振全息设置相结合，实现了通过散射介质对振幅、相位和偏振的同步全场景检测。该方案仅需单次测量，从而能够在散射平面中对每个偏振分量的矢量信息进行实时提取。

为了严格评估该成像方案在单次测量中对振幅和相位信息的矢量恢复能力，我们对不同偏振物体的实验结果进行了定量分析。具体来说，我们使用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性指数（SSIM）指标，将重建的图像与真实图像进行比较。此外，我们通过估计重建结果的质量，对它们进行了评估。这些评估方法帮助我们更全面地理解该技术在不同场景下的表现，并为未来的优化提供了数据支持。

该成像方案通过利用数字全息术的复数场重构和相位稳定性能力，实现了通过散射层对复数振幅偏振分量的同步恢复。此外，采用双全息设置增强了系统的紧凑性、稳定性和相位恢复的准确性。尽管计算相位恢复方法已被用于各种衍射辅助系统，但该技术在这些系统中展现出了独特的优势。它不仅能够实现对偏振信息的实时恢复，还能够在复杂的散射环境中保持较高的图像质量。这种技术的提出为未来的光学成像和相关应用提供了新的思路，特别是在需要实时处理和高精度恢复的场景中。

综上所述，本文提出了一种创新的实时偏振恢复技术，利用数字全息术和偏振散射斑模式的相关性，实现了对通过散射层的各向异性物体的矢量信息、强度和相位的同步恢复。该技术不仅提高了成像的效率和准确性，还降低了对复杂光学元件和多通道检测的需求。通过实验验证，该方法在各种实际应用场景中展现出良好的性能，为未来的光学成像研究和应用提供了重要的参考。