CN108873366A - 多波段偏振分光与集成方法及系统 - Google Patents

多波段偏振分光与集成方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108873366A
CN108873366A CN201810676429.0A CN201810676429A CN108873366A CN 108873366 A CN108873366 A CN 108873366A CN 201810676429 A CN201810676429 A CN 201810676429A CN 108873366 A CN108873366 A CN 108873366A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
polarization
lens
amici prism
cmos
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810676429.0A
Other languages
English (en)
Inventor
王慧斌
沈洁
陈哲
张振
王敏敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hohai University HHU
Original Assignee
Hohai University HHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hohai University HHU filed Critical Hohai University HHU
Priority to CN201810676429.0A priority Critical patent/CN108873366A/zh
Publication of CN108873366A publication Critical patent/CN108873366A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G02B27/285—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining comprising arrays of elements, e.g. microprisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多波段偏振分光与集成方法及系统，将光依次通过同一主光轴下的滤波片、透镜组、分光棱镜组、不同方向的偏振片进入CMOS并进行一致性矫正最终得到当前波段下光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像。本发明通过分光棱镜的设计可以同时获得五幅偏振图像，通过滤波片的替换可以获得多波段的偏振图像。本发明结构紧凑，能够实时获取五束偏振光束，并得到多波段偏振图像，实现高精度、高稳定性的偏振成像。

Description

多波段偏振分光与集成方法及系统
技术领域
本发明涉及偏振成像技术领域，尤其涉及一种多波段偏振分光与集成方法及系统。
背景技术
偏振成像是在实时获取目标偏振信息的基础上利用所得到的信息进行目标重构增强的过程，它能够提供更多维度的目标信息，是一项具有巨大应用价值的前沿技术，在雾霾、水下等恶劣环境下能提高光电探测装备的目标探测识别能力。
偏振是光的基本特性之一，任何目标在反射和发射电磁辐射的过程中都会表现出由其自身特性和光学基本定律所决定的偏振特性。通过成像获得场景在不同偏振状态下的信息，可对具有偏振-光强差异的目标及背景进行有效区分，进而实现复杂背景下弱目标的检测与识别。因此，近些年偏振成像探测在气象环境科学研究、海洋的开发利用、空间探测、生物医学以及军事应用等方面受到了越来越多的重视。
偏振成像的过程通常是在光学成像设备，如CMOS、CCD，在它们之前放置偏振起偏器件，然后光波依次通过起偏器件和成像设备，就可以生成偏振图像。使用偏振片获得不同偏振角度的偏振态光波的方式有：利用偏振片获取各个方向的偏振态光波；通过固定偏振片，获取各个方向的偏振态光波；通过固定偏振片并加可变延迟波片，对后者施加电压，获得不同旋转角的偏振态光波。现如今偏振成像设备种类繁多，具体按照其结构形式可以分为三种：分振幅成像、分孔径成像和分焦平面成像。分振幅成像装置由焦平面探测器、物镜、偏振光速分离器以及波长延迟器组成，可以同步采集四个方向的偏振图像。分孔径成像装置在分振幅成像装置的基础上具有更加稳定的校准状态，但会损失分辨率。分焦平面成像装置在成像焦平面阵列的不同位置分别继承各个方向的偏振元件，从而得到不同方向的偏振图像，但是价格昂贵。
传统的偏振成像技术是通过将偏振片置于相机前进行成像，如果想要得到多个角度的偏振信息，就需要在不同的时间点转动偏振片，这使得获得的光路不唯一，对之后的偏振计算造成误差，从而使多角度偏振成像的发展受到了限制。
发明内容
发明目的：基于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种多波段偏振分光与集成方法及系统，通过分光棱镜对光进行分光，能够同时同地的采集五幅不同偏振方向的偏振图像。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种多波段偏振分光与集成方法，将光依次通过同一主光轴下的滤波片、透镜组和分光棱镜组分成五束光强一致的光分别经过0°、45°、90°、左旋、右旋偏振片进入五个CMOS图像传感器，并对CMOS响应进行一致性系数矫正得到光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像。
作为优选，所述透镜组采用宽频谱的透镜组，成像波段为425nm-1050nm。
作为优选，所述透镜组位于主镜筒内，包括8块依次排列的透镜，第一透镜的焦距为-28.56mm，第二透镜的焦距为34.02mm，其左表面与第一透镜的右表面胶合形成胶合透镜一，焦距为91.92mm，第三透镜的焦距为-238.61mm，第四透镜的焦距为-13.09mm，第五透镜的焦距为14.74mm，其左表面与第四透镜的右表面胶合形成胶合透镜二，焦距为-15.96mm，第六透镜的焦距为11.9mm，第七透镜的焦距为-11.93mm，其左表面与第六透镜的右表面胶合形成胶合透镜三，焦距为-15.96mm，第八透镜的焦距为31.52mm。
作为优选，所述分光棱镜组工作波段为425nm-1050nm。
作为优选，所述分光棱镜组包括四个分光棱镜和两个补偿棱镜；分光棱镜组中的第一分光棱镜对准主镜筒，分光面镀偏振分光膜分光比为1：4，1/5总光强的反射光透过两个补偿棱镜经过偏振片进入其中一个CMOS，4/5总光强的光透过第二分光棱镜，第二分光棱镜偏振分光比为1：1，2/5总光强的反射光和投射光分别经过第三分光棱镜和第四分光棱镜，第三分光棱镜和第四分光棱镜的分光比均为1：1，进而得到四束1/5总光强的光经过偏振片分别进入四个不同CMOS中。
作为优选，所述一致性系数矫正方法为：以45°偏振片连接的CMOS响应为基准，0°、90°、左旋和右旋偏振片联接的CMOS响应分别用45°偏振片连接的CMOS响应线性表示，多次采集不同强度目标，将获得的多组增益系数和位移系数通过最小二乘法计算得到最终的一致性系数。
本发明另一方面提供的一种多波段偏振分光与集成系统，包括沿主光轴设置的滤波片、透镜组和分光棱镜组，0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片、左旋偏振片和右旋偏振片，采集各不同方向的偏振图像的五个CMOS图像传感器，以及对采集的偏振图像进行一致性系数矫正获得光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像的处理单元。
有益效果：本发明与现有技术相比，其优点在于：本发明通过分光棱镜对光进行分光，可以实时同步采集同一时刻场景的五幅不同偏振方向的偏振图像，不存在时间差；并且成像波段为宽频谱，替换滤波片可以得到多波段偏振图像。与采用五个相机并置的方式相比，该方法不需要图像配准，减少了图像处理的时间且采集十分简便；与采用偏振焦平面成像方式相比，所需的器材相对普通，不需要制作复杂而且价格昂贵的偏焦平面。该方法获得的偏振信息更加准确，快捷。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明实施例的总体框图；
图2为本发明实施例的分光设计。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的描述如下：
图1为本发明实施例的总体框图。如图1所示，本发明实施例提供了一种多波段偏振分光与集成方法。光依次通过同一主光轴下的滤波片、透镜组、分光棱镜组、不同方向的偏振片(0°/45°/90°/左旋/右旋偏振片)进入不同的CMOS并对CMOS响应进行一致性系数矫正最终得到当前波段下光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像。通过分光棱镜的设计可以同时获得五幅偏振图像，通过滤波片的替换可以获得多波段的偏振图像。成像波段是宽频谱的，为425nm-1050nm。
其中，选择五方向偏振片是依据：水下生物螳螂虾复眼具有感知偏振信息的偏振感知系统，其所特有的偏振感知能力使得它们能够在水下快速识别目标进行躲避、攻击和捕食。在对螳螂虾复眼进行解剖和电生理试验后发现，螳螂虾复眼能够高质量地感知几个特定方向的偏振光，包括0°方向偏振光、45°方向偏振光、90°方向偏振光、左旋和右旋。基于此，设计五方向偏振。
光线通过主镜筒进入到分光棱镜组中，其中，主镜筒内包括8块依次透镜组成透镜组，透镜都镀有增透膜，膜层波长范围为425nm-1050nm，第一透镜的焦距为-28.56mm，第二透镜的焦距为34.02mm，其左表面与第一透镜的右表面胶合形成胶合透镜一，焦距为91.92mm，第三透镜的焦距为-238.61mm，第四透镜的焦距为-13.09mm，第五透镜的焦距为14.74mm，其左表面与第四透镜的右表面胶合形成胶合透镜二，焦距为-15.96mm，第六透镜的焦距为11.9mm，第七透镜的焦距为-11.93mm，其左表面与第六透镜的右表面胶合形成胶合透镜三，焦距为-15.96mm，第八透镜的焦距为31.52mm。
图2为本发明实施例的分光设计。分光棱镜组的工作波段为425nm-1050nm，包括四个分光棱镜和两个补偿棱镜，第一分光棱镜的分光比为1：4，第二分光棱镜的分光比为1：1，第三分光棱镜的分光比为1：1，第三分光棱镜的分光比为1：1。一束光入射至棱镜组时将会被分成五束光分别经过偏振片进入CMOS图像传感器中。其具体流程为：假设入射光的光强为I，经过第一块分光棱镜时，入射光被分为两束，光强分别为0.8I和0.2I，即I1＝0.2I，I1通过两个补偿棱镜透过偏振片进去CMOS中；另一束光强为0.8I的光再次经过第二分光棱镜，此时，光又被分为两束，光强都为0.4I，这两束光又分别经过第三棱镜和第四棱镜，光强都为0.2I，即I2＝I3＝I4＝I5＝0.2I，同样I2、I3、I4、I5透过偏振片进去不同CMOS传感器中。
本发明实施例设计的五个CMOS选用OmniVision公司的黑白图像传感器OV2710作为成像器件，该传感器像素为200万，光学格式为1/2.7英寸，有效分辨率为1920H×1080V；在片上组合了复杂的相机功能，包括快拍技术，传感器缩放的行列跳跃采集技术以及感兴趣区域的窗口截取技术，可以通过两条串行总线进行编程修改图片尺寸、曝光时间、增益等参数；光谱响应范围为450-1050nm，成像信噪比(39dB)和动态范围分别被提高至40dB和69dB；具有3μm×3μm的像素尺寸，能有更好的响应能力(2.0V/lux-sec)；Full@30fps的帧速率能够连续捕获图像，基本上可以满足运动目标的探测需求。
本发明实施例的一致性校正设计是：多次采集不同强度目标实现一致性矫正，以45°偏振片连接的CMOS响应V45°为基准，即0°、90°、左旋和右旋偏振片联接的CMOS响应分别为：
V0°＝k1V45°+j1，V90°＝k2V45°+j2，Vl＝k3V45°+j3，Vr＝k4V45°+j4
其中k1、j1、k2、j2、k3、j3、k4、j4分别表示一致性系数，对得到不同强度目标的一致性系数进行最小二乘法计算得到最终的一致性系数。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种多波段偏振分光与集成系统，包括沿主光轴设置的滤波片、透镜组和分光棱镜组，0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片、左旋偏振片和右旋偏振片，采集各不同方向的偏振图像的五个CMOS图像传感器，以及对采集的偏振图像进行一致性系数矫正获得光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像的处理单元。具体实施细节参见上述多波段偏振分光与集成方法实施例，此处不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：将光依次通过同一主光轴下的滤波片、透镜组和分光棱镜组分成五束光强一致的光分别经过0°、45°、90°、左旋、右旋偏振片进入五个CMOS图像传感器，并对CMOS响应进行一致性系数矫正得到光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像。
2.根据权利要求1所述的多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：所述透镜组采用宽频谱的透镜组，成像波段为425nm-1050nm。
3.根据权利要求1所述的多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：所述透镜组位于主镜筒内，包括8块依次排列的透镜，第一透镜的焦距为-28.56mm，第二透镜的焦距为34.02mm，其左表面与第一透镜的右表面胶合形成胶合透镜一，焦距为91.92mm，第三透镜的焦距为-238.61mm，第四透镜的焦距为-13.09mm，第五透镜的焦距为14.74mm，其左表面与第四透镜的右表面胶合形成胶合透镜二，焦距为-15.96mm，第六透镜的焦距为11.9mm，第七透镜的焦距为-11.93mm，其左表面与第六透镜的右表面胶合形成胶合透镜三，焦距为-15.96mm，第八透镜的焦距为31.52mm。
4.根据权利要求1所述的多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：所述分光棱镜组工作波段为425nm-1050nm。
5.根据权利要求1所述的多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：所述分光棱镜组包括四个分光棱镜和两个补偿棱镜；分光棱镜组中的第一分光棱镜对准主镜筒，分光面镀偏振分光膜分光比为1：4，1/5总光强的反射光透过两个补偿棱镜经过偏振片进入其中一个CMOS，4/5总光强的光透过第二分光棱镜，第二分光棱镜偏振分光比为1：1，2/5总光强的反射光和投射光分别经过第三分光棱镜和第四分光棱镜，第三分光棱镜和第四分光棱镜的分光比均为1：1，进而得到四束1/5总光强的光经过偏振片分别进入四个不同CMOS中。
6.根据权利要求1所述的多波段偏振分光与集成方法，其特征在于：所述一致性系数矫正方法为：以45°偏振片连接的CMOS响应为基准，0°、90°、左旋和右旋偏振片联接的CMOS响应分别用45°偏振片连接的CMOS响应线性表示，多次采集不同强度目标，将获得的多组增益系数和位移系数通过最小二乘法计算得到最终的一致性系数。
7.一种多波段偏振分光与集成系统，其特征在于：包括沿主光轴设置的滤波片、透镜组和分光棱镜组，0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片、左旋偏振片和右旋偏振片，采集各不同方向的偏振图像的五个CMOS图像传感器，以及对采集的偏振图像进行一致性系数矫正获得光强一致的五幅不同偏振方向的偏振图像的处理单元。
8.根据权利要求7所述的多波段偏振分光与集成系统，其特征在于：所述透镜组和分光棱镜组的工作波段为425nm-1050nm。
9.根据权利要求7所述的多波段偏振分光与集成系统，其特征在于：所述分光棱镜组包括四个分光棱镜和两个补偿棱镜；分光棱镜组中的第一分光棱镜对准主镜筒，分光面镀偏振分光膜分光比为1：4，1/5总光强的反射光透过两个补偿棱镜经过偏振片进入其中一个CMOS，4/5总光强的光透过第二分光棱镜，第二分光棱镜偏振分光比为1：1，2/5总光强的反射光和投射光分别经过第三分光棱镜和第四分光棱镜，第三分光棱镜和第四分光棱镜的分光比均为1：1，进而得到四束1/5总光强的光经过偏振片分别进入四个不同CMOS中。
10.根据权利要求7所述的多波段偏振分光与集成系统，其特征在于：所述一致性系数矫正方法为：以45°偏振片连接的CMOS响应为基准，0°、90°、左旋和右旋偏振片联接的CMOS响应分别用45°偏振片连接的CMOS响应线性表示，多次采集不同强度目标，将获得的多组增益系数和位移系数通过最小二乘法计算得到最终的一致性系数。
CN201810676429.0A 2018-06-27 2018-06-27 多波段偏振分光与集成方法及系统 Pending CN108873366A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810676429.0A CN108873366A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 多波段偏振分光与集成方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810676429.0A CN108873366A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 多波段偏振分光与集成方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108873366A true CN108873366A (zh) 2018-11-23

Family

ID=64295078

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810676429.0A Pending CN108873366A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 多波段偏振分光与集成方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108873366A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110057754A (zh) * 2019-05-23 2019-07-26 南京信息工程大学 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头
CN114279580A (zh) * 2021-12-22 2022-04-05 天津大学 基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2569177Y (zh) * 2002-09-20 2003-08-27 中国科学院安徽光学精密机械研究所 偏振成像装置
CN102879097A (zh) * 2012-09-21 2013-01-16 西安交通大学 圆偏振高光谱成像探测系统
CN103439000A (zh) * 2013-08-19 2013-12-11 河海大学 一种水下全偏振信息采集处理装置和方法
CN103592808A (zh) * 2013-11-18 2014-02-19 苏州精创光学仪器有限公司 宽视场体积紧凑型偏振成像相机
CN205681547U (zh) * 2016-05-11 2016-11-09 河海大学 一种多通道偏振与红外图像采集系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2569177Y (zh) * 2002-09-20 2003-08-27 中国科学院安徽光学精密机械研究所 偏振成像装置
CN102879097A (zh) * 2012-09-21 2013-01-16 西安交通大学 圆偏振高光谱成像探测系统
CN103439000A (zh) * 2013-08-19 2013-12-11 河海大学 一种水下全偏振信息采集处理装置和方法
CN103592808A (zh) * 2013-11-18 2014-02-19 苏州精创光学仪器有限公司 宽视场体积紧凑型偏振成像相机
CN205681547U (zh) * 2016-05-11 2016-11-09 河海大学 一种多通道偏振与红外图像采集系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110057754A (zh) * 2019-05-23 2019-07-26 南京信息工程大学 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头
CN110057754B (zh) * 2019-05-23 2024-04-19 南京信息工程大学 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头
CN114279580A (zh) * 2021-12-22 2022-04-05 天津大学 基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器
CN114279580B (zh) * 2021-12-22 2024-02-02 天津大学 基于超导纳米线单光子探测器的偏振测量与成像仪器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110017897B (zh) 一种紧凑型单目多通道可组合式多光谱成像系统
CN111198445B (zh) 一种分光偏振成像的设备和方法
BRPI1102370A2 (pt) aparelho e metodo de processamento de imagem, e, programa
CN204963859U (zh) 遥感参数相机
EP2652469A1 (en) Image mapped spectropolarimetry
CN108548603A (zh) 一种非共轴四通道偏振成像方法及系统
CN215263105U (zh) 一种机载推扫式光谱偏振一体化海面溢油探测系统
US11573428B2 (en) Imaging method and apparatus using circularly polarized light
CN211425662U (zh) 基于微透镜滤波阵列的红外长波多光谱成像装置
CN111272687A (zh) 一种基于红外多光谱成像的危险气体实时检测装置
CN108873366A (zh) 多波段偏振分光与集成方法及系统
CN203572768U (zh) 一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统
US20070182844A1 (en) Optical system for producing differently focused images
CN113790676B (zh) 一种基于编码孔径和光场分布的三维空间光谱成像方法及装置
JP2018513964A (ja) スナップショット型偏光ハイパースペクトルカメラ及び結像方法
CN207995235U (zh) 一种分光成像装置
CN106989820B (zh) 基于同心球聚焦元件的多光谱成像光学系统
CN107678151A (zh) 基于干涉阵列光场的共聚焦并行显微成像仪
CN112097904A (zh) 基于衍射透镜/变焦透镜阵列的光谱成像系统及方法
CN111272101A (zh) 一种四维高光谱深度成像系统
CN114659635B (zh) 一种基于像面分割光场的光谱深度成像装置及方法
CN107817050B (zh) 基于彩色相机的多光谱彩色偏振成像对比度优化的方法
CN106197666B (zh) 小型化非制冷红外成像光谱仪及方法
CN109118460B (zh) 一种分光偏振光谱信息同步处理方法及系统
CN111258166B (zh) 摄像模组及其潜望式摄像模组和图像获取方法及工作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181123