CN106989822A - 仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置与方法 - Google Patents

Abstract

仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置与方法属于目标的光学探测技术领域。现有技术获得的仅仅是偏振度图像信息，并未获得偏振态信息。本发明之探测装置由成像物镜、偏振通道、光电探测器各4个以相同排布方式，并以以下4种形式依次构成45°、‑45°、0°、90°偏振态探测通道：成像物镜、45°偏振片、光电探测器依次同轴排列；成像物镜、‑45°偏振片、光电探测器依次同轴排列；成像物镜、45°¹/₄波片、0°偏振片、光电探测器依次同轴排列；成像物镜、45°¹/₄波片、90°偏振片、光电探测器依次同轴排列。本发明之探测方法由可切换滤光片组确定探测谱段λ_i，根据45°、‑45°、0°、90°偏振态探测通道探测到的目标光强I₁、I₂、I₃、I₄判断目标光的偏振态，包括左旋圆偏振、右旋圆偏振、线偏振和椭圆偏振。

Description

仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置与方法，属于目标的光学探测技术领域。

背景技术

在自然界中，通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法都可以获得偏振光，并且每个物体表面的光反射都具有不同的谱段特性和偏振特性，偏振态的探测可以有效区分目标物体和周边背景的差异。在偏振态探测装置中，由波片和偏振片构成偏振探测器件，完成偏振探测。然而，所述偏振探测器件只能探测一种或者两种波长光的偏振态，而现实中的目标物体和周边背景多种多样。如果不分谱段进行偏振探测，由于不同谱段的透光率不同，导致透光非均匀；另外，不分谱段的探测方式也未顾及包括偏振度、偏振角在内的偏振特性的差异。结果是所进行的偏振探测存在缺陷。

虾蛄眼是一种复眼，由上千个小眼构成，每个小眼都是一个感杆束，由微绒毛以独特的方式排列形成，使其具有识别偏振态的能力。从表面上看，这些小眼分成腹侧、背侧和中频带三个区域，腹侧、背侧分布若干相同的小眼，能够识别线偏振，中频带的小眼能够识别光的波长和偏振态。中频带的若干小眼在与中频带平行的方向上呈6排分布。1～4排分布的若干小眼负责颜色也就是光的波长的识别，每一排小眼识别一种或者两种颜色。5、6排分布的若干小眼结构相同，但5排与6排的小眼的偏振方向不同。通过仿效具有多通道谱段识别能力的虾蛄眼的偏振系统结构，能够完成谱段能量的探测，进而识别目标偏振态，提高目标的探测与识别精度，同时提高目标的探测与识别概率。

在申请公布号为CN103900696A、名称为“一种仿螳螂虾视觉偏振拮抗感知的水下偏振成像方法”的一件中国发明专利申请中，通过采集拮抗对偏振信号，得到偏振度参数和合成光强参数，由此实现水下目标成像。该方案能够提高水下目标成像探测精度，但是，该方案获得的仅仅是偏振度图像信息，并非偏振态信息，也就是并未做偏振态识别，在目标识别能力以及偏振探测精度方面进展有限。

一本由Springer Berlin Heidelberg于2016年出版的书名为《Multi-bandPolarization Imaging and Applications》的出版物中收录一篇题为“Bio-inspiredMulti-band Polarization Imaging”的文章，披露一种仿虾蛄眼的大视场多谱段偏振视觉系统，如图1所示，该系统由9个相机按3×3阵列排布构成，位于阵列四角和中心的5个相机属于光谱通道，实现光谱识别，其他4个相机为4个方向的偏振通道，该4个方向分别为0°、45°、90°、135°四个透光方向，9个相机获得的图像输入计算机，经图像处理获得大视场的偏振图像和光谱图像。然而，该方案同样未做偏振态识别。

发明内容

本发明之目的在于，通过仿虾蛄眼结构，在多谱段中择一进行目标偏振态探测和识别，以提高目标识别能力和偏振探测精度，为此我们发明了一种仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置与方法。

本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置其特征在于，如图2所示，在组合成像物镜1内，光轴彼此平行的4个成像物镜2规则排布且位置固定；可切换滤光片组由若干工作谱段不同的滤光片3沿转盘4圆周等距分布构成，如图3所示；在四通道偏振镜5内，4个彼此平行的45°、-45°、0°、90°偏振通道规则排布且位置固定，45°、-45°、0°、90°偏振片6位于对应偏振通道中，0°、90°偏振片各前置一片45°¹/₄波片7；在组合探测器8内，感光面位于同一平面内、朝向一致的4个光电探测器9规则排布且位置固定；所述4个成像物镜2、4个偏振通道、4个光电探测器9的排布方式相同，并以以下4种形式依次构成45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道：成像物镜2、45°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、-45°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、45°¹/₄波片7、0°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、45°¹/₄波片7、90°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；滤光片3位于组合成像物镜1、四通道偏振镜5之间；4个光电探测器9分别与计算机10电连接。

本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测方法其特征在于：

步骤A，由可切换滤光片组确定探测谱段λ_i，由45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道探测到的目标光强依次为I₁、I₂、I₃、I₄，并输入计算机10；

步骤B，当计算机10判断I₁、I₂、I₃、I₄均为0，则报错，并重新采集目标光强数据，否则执行步骤C；

步骤C，当计算机10判断I₃、I₄一个为0、一个不为0，识别目标光为圆偏振光，执行步骤D；如果I₃、I₄均不为0，执行步骤E；如果I₃、I₄均为0，执行步骤B；

步骤D，当计算机10判断I₃＝0，I₄≠0，则识别目标光为左旋圆偏振光，执行步骤F；当计算机11判断I₃≠0，I₄＝0，则识别目标光为右旋圆偏振光，执行步骤F；

步骤E，当计算机10判断I₁、I₂、I₃、I₄满足公式(1)，则识别目标光为线偏振光，执行步骤F；否则为椭圆偏振光，执行步骤F，

步骤F，计算机10输出探测谱段λ_i目标光的偏振态。

本发明其技术效果在于，探测装置中的可切换滤光片组能够择一选定探测谱段，进而抑制被测目标背景噪声，目标信号相对增强，提高了目标的获取精度。探测装置中的组合成像物镜1仿虾蛄眼角膜部分，对探测目标进行成像；探测装置中的四通道偏振镜5仿虾蛄眼多通道偏振结构、微绒毛阵列，其中，45°偏振通道仿虾蛄眼的腹侧小眼通道，-45°偏振通道仿虾蛄眼的背侧小眼通道，0°、90°偏振通道仿虾蛄眼的中频带5排、6排小眼通道。在此基础上，探测方法能够进一步细化所获取的偏振信息，实现目标的偏振态探测。

附图说明

图1是现有仿虾蛄眼的大视场多谱段偏振视觉系统结构示意图。图2是本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置整体结构示意图，该图同时作为摘要附图。图3是本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置中的可切换滤光片组结构示意图。图4是本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置中的成像物镜、偏振通道和光电探测器的田字排布方式示意图。图5是本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置中的成像物镜、偏振通道和光电探测器的一字排布方式示意图。

具体实施方式

本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置的一个具体方案如下所述。如图2所示，在组合成像物镜1内，光轴彼此平行的4个成像物镜2规则排布且位置固定。可切换滤光片组由若干工作谱段不同的滤光片3沿转盘4圆周等距分布构成，如图3所示。在四通道偏振镜5内，4个彼此平行的45°、-45°、0°、90°偏振通道规则排布且位置固定，45°、-45°、0°、90°偏振片6位于对应偏振通道中，0°、90°偏振片各前置一片45°¹/₄波片7。在组合探测器8内，感光面位于同一平面内、朝向一致的4个光电探测器9规则排布且位置固定。所述4个成像物镜2、4个偏振通道、4个光电探测器9的排布方式相同，包括田字排布方式，如图4所示，或者一字排布方式，如图5所示，并以以下4种形式依次构成45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道：成像物镜2、45°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、-45°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、45°¹/₄波片7、0°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列；成像物镜2、45°¹/₄波片7、90°偏振片6、光电探测器9依次同轴排列。滤光片3位于组合成像物镜1、四通道偏振镜5之间。4个光电探测器9分别与计算机10电连接。

所述的角度45°、-45°、0°、90°的基准为水平方向；45°、-45°、0°、90°偏振片6的透光轴依次与水平方向成45°、-45°、0°、90°角；45°¹/₄波片7的快轴与水平方向成45°角。

本发明之仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测方法的一个具体方案如下所述。

步骤A，由可切换滤光片组确定探测谱段λ_i，由45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道探测到的目标光强依次为I₁、I₂、I₃、I₄，并输入计算机10。

步骤B，当计算机10判断I₁、I₂、I₃、I₄均为0，则报错，并重新采集目标光强数据，否则执行步骤C。

步骤C，当计算机10判断I₃、I₄一个为0、一个不为0，识别目标光为圆偏振光，执行步骤D；如果I₃、I₄均不为0，执行步骤E；如果I₃、I₄均为0，执行步骤B。

步骤D，当计算机10判断I₃＝0，I₄≠0，则识别目标光为左旋圆偏振光，执行步骤F；当计算机11判断I₃≠0，I₄＝0，则识别目标光为右旋圆偏振光，执行步骤F。

步骤E，当计算机10判断I₁、I₂、I₃、I₄满足公式(1)，则识别目标光为线偏振光，执行步骤F；否则为椭圆偏振光，执行步骤F，

公式(1)由以下4个光强公式推导而得：

I₁＝a²cos²(45°-θ)，

I₂＝a²cos²(45°+θ)，

I₃＝a²cos45°[cos²(45°-θ)+cos(45°+θ)]²，

I₄＝a²cos45°[cos²(45°-θ)-cos(45°+θ)]²，

其中，α为偏振振幅，θ为偏振角。

步骤F，计算机10输出探测谱段λ_i目标光的偏振态。

Claims (5)

1.一种仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置，其特征在于，在组合成像物镜(1)内，光轴彼此平行的4个成像物镜(2)规则排布且位置固定；可切换滤光片组由若干工作谱段不同的滤光片(3)沿转盘(4)圆周等距分布构成；在四通道偏振镜(5)内，4个彼此平行的45°、-45°、0°、90°偏振通道规则排布且位置固定，45°、-45°、0°、90°偏振片(6)位于对应偏振通道中，0°、90°偏振片各前置一片45°1/4波片(7)；在组合探测器(8)内，感光面位于同一平面内、朝向一致的4个光电探测器(9)规则排布且位置固定；所述4个成像物镜(2)、4个偏振通道、4个光电探测器(9)的排布方式相同，并以以下4种形式依次构成45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道：成像物镜(2)、45°偏振片(6)、光电探测器(9)依次同轴排列；成像物镜(2)、-45°偏振片(6)、光电探测器(9)依次同轴排列；成像物镜(2)、45°1/4波片(7)、0°偏振片(6)、光电探测器(9)依次同轴排列；成像物镜(2)、45°1/4波片(7)、90°偏振片(6)、光电探测器(9)依次同轴排列；滤光片(3)位于组合成像物镜(1)、四通道偏振镜(5)之间；4个光电探测器(9)分别与计算机(10)电连接。

2.根据权利要求1所述的仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置，其特征在于，所述排布方式包括田字排布方式，或者一字排布方式。

3.根据权利要求1所述的仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测装置，其特征在于，所述的角度45°、-45°、0°、90°的基准为水平方向；45°、-45°、0°、90°偏振片(6)的透光轴依次与水平方向成45°、-45°、0°、90°角；45°1/4波片(7)的快轴与水平方向成45°角。

4.一种仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测方法，其特征在于：

步骤A，由可切换滤光片组确定探测谱段λ_i，由45°、-45°、0°、90°偏振态探测通道探测到的目标光强依次为I₁、I₂、I₃、I₄，并输入计算机(10)；

步骤B，当计算机(10)判断I₁、I₂、I₃、I₄均为0，则报错，并重新采集目标光强数据，否则执行步骤C；

步骤C，当计算机(10)判断I₃、I₄一个为0、一个不为0，识别目标光为圆偏振光，执行步骤D；如果I₃、I₄均不为0，执行步骤E；如果I₃、I₄均为0，执行步骤B；

步骤D，当计算机(10)判断I₃＝0，I₄≠0，则识别目标光为左旋圆偏振光，执行步骤F；当计算机11判断I₃≠0，I₄＝0，则识别目标光为右旋圆偏振光，执行步骤F；

步骤E，当计算机(10)判断I₁、I₂、I₃、I₄满足公式(1)，则识别目标光为线偏振光，执行步骤F；否则为椭圆偏振光，执行步骤F，

$\frac{I_3}{I_4}={\left(\frac{\sqrt{I_1}+\sqrt{I_2}}{\sqrt{I_1}-\sqrt{I_2}}\right)}^2;---\left(1\right)$

步骤F，计算机(10)输出探测谱段λ_i目标光的偏振态。

5.根据权利要求4所述的仿虾蛄眼谱段可选偏振态探测方法，其特征在于，所述公式(1)由以下4个光强公式推导而得：

I₁＝a²cos²(45°-θ)，

I₂＝a²cos²(45°+θ)，

I₃＝a²cos45°[cos²(45°-θ)+cos(45°+θ)]²，

I₄＝a²cos45°[cos²(45°-θ)-cos(45°+θ)]²，

其中，α为偏振振幅，θ为偏振角。