CN105486408A - 基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统及方法，用于同步测量三个波长下Stokes矢量的值，该方法在Stokes偏振测量装置中采用红、绿、蓝对应的三个波长的激光器作为光源，并采用彩色CCD作为光强探测器件；考虑彩色CCD红绿蓝(RGB)三个通道量子转换效率的光谱特性，补偿三个通道量子转换效率光谱重叠引起的串扰，从而通过RGB三个通道下测得的光强值计算三个波长下的真实光强值；同时考虑偏振分析器(PSA)在三个波长下的特征偏振态，并基于此由三个波长下的真实光强值最终计算出三个波长下的Stokes矢量。该方法可仅通过四次光强测量即获得三个波长下的Stokes矢量值，从而大大增加了获取的偏振信息量。该方法对于偏振成像和偏振测量探测具有重要意义。

Description

基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统及方法

技术领域

本发明涉及偏振测量领域，特别是涉及一种基于光强测量积分时间优化的偏振测量方法。

背景技术

偏振信息作为光波的基本物理信息之一，可以提供其它光波信息所不能提供的被测物信息，因此基于偏振信息的测量在许多领域有着十分广泛的应用。Stokes矢量描述了光波的偏振态，包含了最基本的偏振信息。Stokes矢量的测量也由此成为偏振测量领域的主要方向之一，因此提高Stokes矢量的测量精度对于提高偏振测量技术的水平具有重要意义。测量数据的方差是影响测量精度的关键因素。通常的Stokes矢量测量是通过光强的测量来实现的：首先测量偏振分析器(PSA)四个不同状态下的透射光强信息，其中PSA四个不同状态下对应的四次光强测量的积分时间相同；然后根据PSA测量矩阵和光强的测量值计算Stokes矢量。之前的均分光强积分时间的方案并没有考虑光强积分时间对于Stokes矢量测量方差的影响，因此在某些情况下，不能实现最小化的Stokes矢量测量方差和最优化的测量精度。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统及方法，利用彩色CCD相机RGB模式三通道下光强串扰的直接影响，并通过测量RGB三通道中共十二个维度下的光强信息，得到被测物体在不同波长光照射下分别的偏振信息，进而得到物体在多波长光照射下各自的Stokes矢量的测量值。

本发明提出了一种基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统，用于同步测量三个波长下Stokes矢量的值，该系统包括三波长激光光源组1、反射镜2、半透半反镜组3、扩束装置组4、反射板5、四分之一波片6、偏振片7、彩色CCD相机8；三波长激光光源组1发出的光分别经过反射镜2和半透半反镜组3入射到扩束装置4上，经反射板5反射后形成固定的待测Stokes矢量，再经过由四分之一波片6和偏振片7组成的偏振态分析器后进入彩色CCD相机8；所述反射板5表面贴有被测物体；通过调节四分之一波片6和偏振片7的角度可以实现测量矩阵W中的各个偏振状态。

本发明还提出了一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，用于同步测量三个波长下Stokes矢量的值，该方法包括以下步骤：

步骤一、由偏振片和四分之一波片构成的偏振分析器，其Mueller矩阵M表示为：

M＝M_PM_R

式中，M_P为与水平相夹角度为θ_P的偏振片的Mueller矩阵；M_R为相位延迟量为α、其快轴方向与水平相夹角度为θ_R的波片的Mueller矩阵；取其第一行行矩阵并设其为T¹，当偏振片与四分之一波片处于四种不同状态时，获得四个不同的行矩阵T₁ ¹，T₂ ¹，T₃ ¹，T₄ ¹；求出三个波长下相应的测量矩阵W：

利用彩色CCD相机采集偏振分析器四个不同状态下的下的四幅RGB三维彩色图像；

步骤二、将采集得到的彩色图像的光强信息进行图像分解和处理，获得彩色光强信息在R、G、B三个独立色彩空间下各自的单色光光强；

步骤三、利用已知的彩色CCD相机RGB三通道下的量子转换效率光谱曲线对

单色光光强进行修正，光强修正系数矩阵K为：

其转置矩阵K^T为：

进而得到CCD相机入射光在三个不同波长下的真实光强；实际入射光对应的光强矩阵I：

I＝K^TI_s

I_s为彩色CCD相机在PSA处于四种不同偏振状态下直接获得的光强矩阵；

步骤四、根据修正后单色光光强矩阵I以及每个波长下的测量矩阵W，分别测得三波长光照射下，物体对应于每一波长下的Stokes参量，具体包括以下计算：

求解矩阵I，并分离其行矩阵即可将获得在每一波长下的光强矩阵

$I_{\mathrm{\λ}}={\[i_1^{\mathrm{\λ}},i_2^{\mathrm{\λ}},i_3^{\mathrm{\λ}},i_4^{\mathrm{\λ}}\]}^T$

i₁，i₂，i₃，i₄为偏振分析器四种不同偏振状态下的光强；

每一波长下的Stokes矢量S_λ表示为：

S_λ＝W_λ ^-1I_λ

其中λ＝450nm,532nm,633nm，W_λ ^-1其为每一波长下的测量矩阵W的转置矩阵。

其中所述步骤二的对彩色图像的光强信息进行图像分解和处理的方法是：将彩色图像的光强信息分解为RGB空间下三色单色光光强信息，并将其以同一维度图像的单色光强按R、G、B三色顺序排成一列的规律制成一3×4的光强矩阵。

其中所述步骤三的对单色光光强信息进行修正的方法是：将已知CCD相机的RGB串扰曲线在入射光对应波长下的RGB串扰系数编制成一3×3矩阵，将该矩阵作为系数矩阵与光强矩阵相乘，所获得的新的3×4矩阵即为原光强矩阵的修正矩阵。

本发明的有益效果及优点在于：

1、本发明方法利用彩色CCD三通道同步光强测量的特点，将Stokes矢量测量方法推广至多光谱领域，并且不增加光强测量次数。测量多波长条件下下的Stokes矢量对彩色偏振成像研究具有重要意义。

2、本发明方法只需使用CCD相机采集4次图像即可得到三个波长下共12个维度的物体偏振信息，大大增加了获取的偏振信息量。

附图说明

图1为基于彩色CCD的三波长Stokes矢量测量系统结构示意图；

图2为本实验室采用的彩色CCD相机波长与RGB三个通道对于不同波长的转换效率曲线。

图3为实验过程中采集的彩色图像在RGB空间分解得到的三色灰度(光强)图像；

图4为图3中经消串扰处理后得到的RGB各个通道归一化真实光强图像；

图5为最终处理得到的三波长下Stokes参量各分量图像信息。

附图标记：1、450nm、532nm、633nm激光光源组(三波长激光光源组)，2、反射镜，3、半透半反镜组，4、扩束装置组，5、反射板(表面贴有被测物体)，6、四分之一波片，7、偏振片，8、彩色CCD相机(StingrayF-033C型)。

具体实施方式

如图1所示，450nm、532nm、633nm激光光源组1发出的光分别经过反射镜2和半透半反镜组3入射到扩束装置4上，经反射板5反射后形成固定的待测Stokes矢量，再经过由四分之一波片6和偏振片7组成的偏振态分析器(PSA)后进入彩色CCD相机8。通过调节四分之一波片6和偏振片7的角度可以实现测量矩阵W中的各个偏振状态。本系统所选用的光强探测器件是StingrayF-033C型彩色CCD相机。

基于彩色CCD的三波长Stokes矢量测量方法具体步骤如下：

对于一个任意波片，设其相位延迟量为α，其快轴方向与水平相夹角度为θ_R。则其Mueller矩阵为：

而对于一个与水平相夹角度为θ_P的线偏振片而言，其Mueller矩阵为：

本发明中的PSA是由一个线偏振片和一个四分之一波片构成的。此时其Mueller矩阵M可以表示为：

M＝M_PM_R(11)

取其第一行行矩阵并设其为T¹。当偏振片与波片处于四种不同状态时，可获得四个不同的行矩阵T₁ ¹，T₂ ¹，T₃ ¹，T₄ ¹；则此时W矩阵为：

需要说明的是，波片的相位延迟量为α是随波长变化的。通过获得实验中所用波片在不同波长的下的相位延迟量，并将偏振片和波片的角度一同代入公式(12)中的W矩阵即可得到矩阵W在不同波长下的具体参数。

在本实施例中，PSA四个状态下偏振片和波片在的角度分别为(θ_P,θ_R)＝(0°,0°)；(90°,0°)；(45°,45°)；(45°,0°)。以PSA偏振器件组在450nm、532nm、633nm波长下的测量矩阵的逆矩阵为例，该三个波长对应的测量矩阵分别W为：

本实施案例所用的StingrayF-033C型彩色CCD相机RGB三个通道在不同波长下的转换效率如图2所示。根据图2，R通道在450nm、532nm、633nm波长下的转换效率分别为0.0061，0.0142，0.2678；G通道在450nm、532nm、633nm波长下的转换效率分别为0.0497，0.3010，0.0081；B通道在450nm、532nm、633nm波长下的转换效率分别为0.2330，0.0477，0。则其光强修正系数矩阵K为：

其转置矩阵K^T为：

首先记录在PSA(θ_P,θ_R)＝(0°,0°)；(90°,0°)；(45°,45°)；(45°,0°)四个状态下对应的四副彩色CCD图像。根据记录得到的彩色图像，可以获得RGB三个通道对应的灰度图像，如图3所示。

随后，根据光强修正系数矩阵K，利用公式(6)便可消除串扰，得到经消串扰处理后RGB各个通道真实光强图像，即450nm、532nm、633nm三个波长的真实的光强二维分布，如图4所示。

根据图4、公式(7)以及公式(8)，便可计算可以得到450nm、532nm、633nm三个波长下Stokes矢量的值，如图5所示。其中，中心矩形区域三波长下的Stokes参量分别为：

S₄₅₀＝[0.1682,0.0747,0.0943,-0.0602]

S₅₃₂＝[0.2120,0.1501,0.0311,-0.0943]

S₆₃₃＝[0.1582,0.0770,0.0445,-0.0014]

可见，利用彩色CCD，并基于上述方法，可以仅通过四次光强测量(图像采集)，即计算出三个波长下的Stokes矢量。

图3中每一列图像均为PSA处于某一特定状态下采集的RGB三色灰度图像。

图4中每行图像由上而下依次表示PSA处于实施例所述四种偏振状态下450nm、532nm、633nm波长的灰度图像。

图5中每行图像由上而下依次表示450nm、532nm、633nm波长下被测物体Stokes矢量S0、S1、S2、S3参量的测量值。

本发明的理论依据：

在测量单色光照射下的条件下，考虑以下基于光强测量实现Stokes矢量测量的方法：

I＝WS(1)

其中I＝[i₁,i₂,i₃,i₄]^T一般为四阶光强列向量，其每一个分量表示经过PSA过滤后被CCD记录的光强；W表示的是4×4的测量矩阵，每一行都可以认为是一组Stokes矢量，表征着PSA的状态；S＝[S₀,S₁,S₂,S₃]^T表示待测的Stokes矢量。

在不考虑彩色CCD各通道串扰的情况下，当物体同时被多个波长的光束照射时，利用彩色CCD相机可以得到目标物体的彩色图像，但此时彩色图像并不只具备灰度这一概念。因此本发明将CCD相机拍摄的彩色图像在RGB空间进行分解，从而可以从每一幅彩色图像中获得R、G、B三个独立色彩空间的三幅灰度图像，即光强信息。利用分解得到的各个波长下的光强信息，可以依照上述测量单色光Stokes参量方法测量RGB三色空间下对应的Stokes参量。

在考虑分别对应于R、G、B三个通道的633nm、532nm和450nm的三色激光同时入射被测物体的条件下，设其对应的四阶光强向量分别为I₁，I₂，I₃；其4x4测量矩阵分别为W₁,W₂,W₃；被测物体在三个波长下的Stokes参量分别为S₁,S₂,S₃，则有：

S₁＝W₁ ^-1I₁

S₂＝W₂ ^-1I₂(2)

S₃＝W₃ ^-1I₃

实际上，由于彩色CCD相机的工作原理是利用CCD芯片前的Bayer滤光片将物体的灰度信息模拟成为彩色图像。在成像过程中，彩色CCD相机的RGB三通道对应的滤光光谱的部分重叠将导致RGB三个通道间将存在光强的串扰。举例而言，当一束以633nm波长入射的红色激光进入彩色CCD相机时；彩色CCD相机会将入射的一部分红光误判为蓝光和绿光，从而导致RGB三个通道所测的光强信息与真实值产生偏差。

为了排除该串扰对Stokes参量测量的影响，本发明利用彩色CCD波长与RGB三色灰度转换效率曲线，求得了在特定入射波长组合下的光强修正系数矩阵K。该矩阵在入射光波长分别为450nm、532nm、633nm的条件下可以表示为：

在该矩阵中参数的定义为：波长为λ的入射光在R、G、B空间下各自的光强转化效率系数。

设彩色CCD相机在PSA处于四种不同偏振状态下直接获得的光强矩阵为：

矩阵第一行至第三行行矩阵分别为在R、G、B空间下测得的四维光强矩阵。

而实际入射光对应的光强矩阵也可表示为：

矩阵第一行至第三行行矩阵分别为在450nm、532nm、633nm波长下的四维光强矩阵。此时I、I_s、K之间应满足关系：

I＝K^TI_s(6)

求解I矩阵并分离其行矩阵即可将获得在每一波长下的光强矩阵：

其中λ＝450nm,532nm,633nm。此时每一波长下的Stokes矢量S_λ可表示为：

S_λ＝W_λ ^-1I_λ(8)。

Claims (4)

1.一种基于彩色CCD的三波长Stokes矢量偏振测量系统，用于同步测量三个波长下Stokes矢量的值，其特征在于，该系统包括三波长激光光源组(1)、反射镜(2)、半透半反镜组(3)、扩束装置组(4)、反射板(5)、四分之一波片(6)、偏振片(7)、彩色CCD相机(8)；三波长激光光源组(1)发出的光分别经过反射镜(2)和半透半反镜组(3)入射到扩束装置(4)上，经反射板(5)反射后形成固定的待测Stokes矢量，再经过由四分之一波片(6)和偏振片(7)组成的偏振态分析器后进入彩色CCD相机(8)；所述反射板(5)表面贴有被测物体；通过调节四分之一波片(6)和偏振片(7)的角度可以实现测量矩阵W中的各个偏振状态。

2.一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，用于同步测量三个波长下Stokes矢量的值，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、由偏振片和四分之一波片构成的偏振分析器，其Mueller矩阵M表示为：

M＝M_PM_R

式中，M_P为与水平相夹角度为θ_P的偏振片的Mueller矩阵；M_R为相位延迟量为α、其快轴方向与水平相夹角度为θ_R的波片的Mueller矩阵；取其第一行行矩阵并设其为T¹，当偏振片与四分之一波片处于四种不同状态时，获得四个不同的行矩阵求出三个波长下相应的测量矩阵W：

利用彩色CCD相机采集偏振分析器四个不同状态下的下的四幅RGB三维彩色图像；

步骤二、将采集得到的彩色图像的光强信息进行图像分解和处理，获得彩色光强信息在R、G、B三个独立色彩空间下各自的单色光光强；

步骤三、利用已知的彩色CCD相机RGB三通道下的量子转换效率光谱曲线对单色光光强进行修正，光强修正系数矩阵K为：

其转置矩阵K^T为：

进而得到CCD相机入射光在三个不同波长下的真实光强；实际入射光对应的光强矩阵I：

I＝K^TI_s

I_s为彩色CCD相机在PSA处于四种不同偏振状态下直接获得的光强矩阵；

步骤四、根据修正后单色光光强矩阵I以及每个波长下的测量矩阵W，分别测得三波长光照射下，物体对应于每一波长下的Stokes参量，具体包括以下计算：

求解矩阵I，并分离其行矩阵即可将获得在每一波长下的光强矩阵

i₁,i₂,i₃,i₄为偏振分析器四种不同偏振状态下的光强；

每一波长下的Stokes矢量S_λ表示为：

S_λ＝W_λ ^-1I_λ

其中λ＝450nm,532nm,633nm，W_λ ^-1其为每一波长下的测量矩阵W的转置矩阵。

3.如权利要求2所述的一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，其特征在于，其中所述步骤二的对彩色图像的光强信息进行图像分解和处理的方法是：将彩色图像的光强信息分解为RGB空间下三色单色光光强信息，并将其以同一维度图像的单色光强按R、G、B三色顺序排成一列的规律制成一3×4的光强矩阵。

4.如权利要求2所述的一种基于光强测量积分时间优化的Stokes矢量测量方法，其特征在于，其中所述步骤三的对单色光光强信息进行修正的方法是：将已知CCD相机的RGB串扰曲线在入射光对应波长下的RGB串扰系数编制成一3×3矩阵，将该矩阵作为系数矩阵与光强矩阵相乘，所获得的新的3×4矩阵即为原光强矩阵的修正矩阵。