CN109343230A - 一种同时全偏振成像装置以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时全偏振成像装置以及方法,属于光学成像仪器技术领域,其包括前置光学系统、消偏振分光棱镜、线偏振通道、圆偏振通道和数据处理系统,其中,前置光学系统、消偏振分光棱镜沿入射光方向依次放置,消偏振分光棱镜用于将前置光学系统的出射光分为相互垂直的第一、第二光束,第一光束位于前置光学系统的光轴方向上,并且线偏振通道整体位于前置光学系统的光轴方向上,线偏振通道中的成像探测器和圆偏振通道的成像探测器所输出的图像进入数据处理系统,经数据处理系统处理后可得到四个斯托克斯分量图像,实现全偏振成像。本发明装置具有结构简单、体积小、成本低、成像质量高的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学成像仪器技术领域,更具体地,涉及一种同时全偏振成像装置以及方法。
背景技术
偏振是光波除了波长、振幅、相位以外的又一重要属性。偏振成像技术能够为目标探测和识别提供更多维度的信息,因而具有十分广泛的应用前景。光波的偏振态通常采用斯托克斯矢量来表征。大气成像中往往只使用斯托克斯矢量中的前三个分量,但对于某些应用领域(例如水下成像)而言,分量(圆偏振分量)是不可忽略的(Qiangqiang Tao,Yongxuan Sun,Fei Shen,et al.Active imaging with the aids of polarizationretrieve in turbid media system[J].Optics Communications,2016,359:405-4120)。能够获得斯托克斯矢量中全部四个分量的偏振成像技术称为全偏振成像。
现有的全偏振成像方法可分为两大类:一类称为分时型(或序列型);另一类称为同时型(或快照型)。分时型将旋转偏振片、或电控液晶及旋转波片放置在探测器之前,通过顺序采集多个角度下的偏振分量图像来解算出入射光波的四个斯托克斯分量(张玉梅.全Stokes偏振成像技术的研究[D].南京:南京理工大学,2015。黄雁飞,武文远,胡澄,等.一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置:中国,201420845336.6[P].2015-06-03)。这类方法简单易行,但是时间分辨率受限,难以对运动目标或变化的场景成像。
同时型无旋转或调谐元件,实时性好,又可分为单光路及多光路方法。单光路方法采用多个双折射棱镜、半波片和线偏振片组成全偏振调制模块进行通道调制(魏廷魁.紧凑微型快照式通道调制全偏振成像探测装置及探测方法:中国,201710572125.5[P].2017-11-17)。该方法由于偏振光学元件较多,光波能量损失较大。多光路方法包括:①四个分立的偏振相机(一个圆偏振相机和三个线偏振相机)独立成像的方式(沈洁,洛常见,王慧斌,等。一种水下全偏振信息采集处理装置和方法:中国,201310362291.4[P].2013-12-11),其存在系统体积大、成本高,对有限远目标成像时视场不重合的问题;②将光学系统的孔径分为多个、每个孔径分别探测目标偏振信息的分孔径方式(任立勇,屈恩世,梁健,等。一种分孔径共焦面全偏振态同时探测的偏振成像系统及方法:中国,201510777564.0[P].2016-02-24。魏廷魁,张淳民,李祺伟,等。快照式全偏振成像探测装置:中国,201310700619.9[P].2014-04-02。),该方式存在分光元件较多,能量利用率低、系统装配调校难度高的问题;③在探测器前放置微偏振光学元件的分焦面方式(李建欣,孟鑫,刘德芳,等。一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列:中国,201210585559.6[P].2013-04-24。赵永强,李杰.一种获取全偏振参数的微偏振片阵列、制备方法及其应用:中国,201410453014.9[P].2014-12-17。胡敬佩,王钦华,赵效楠,等。全介质像素式全斯托克斯成像偏振器件:中国,201620966488.8[P].2017-05-10。),但目前实用的该类装置只能获得线偏振分量。
总之,现有技术中的同时全偏振成像装置都存在不同方面的缺陷,因此,需要开发一种结构简单、体积小、成本低、成像质量高的同时全偏振成像装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种同时全偏振成像装置以及方法,其目的在于,提供一种可同时获取目标四个斯托克斯分量的全偏振成像系统以及基于该系统的成像方法。本发明装置具有结构简单、体积小、成本低、成像质量高的优点。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种同时全偏振成像装置,其包括前置光学系统、消偏振分光棱镜、线偏振通道、圆偏振通道和数据处理系统,其中,前置光学系统、消偏振分光棱镜沿入射光方向依次放置,消偏振分光棱镜用于将前置光学系统的出射光分为第一光束和第二光束,第一光束与第二光束相互垂直,第一光束位于前置光学系统的光轴方向上,并且线偏振通道整体位于前置光学系统的光轴方向上,所述的前置光学系统包括第一透镜和第二透镜,并且第一透镜的后焦点和第二透镜的前焦点重合,所述线偏振通道包括聚焦第一透镜、1/2波片、微偏振片阵列和第一成像探测器,1/2波片紧贴微偏振片阵列放置,微偏振片阵列紧贴第一成像探测器的感光面放置,所述圆偏振通道包括聚焦第二透镜、1/4波片、线偏振片和第二成像探测器,1/4波片与线偏振片紧贴放置,线偏振片紧贴第二成像探测器的感光面放置,第一成像探测器和第二成像探测器的感光面垂直于成像装置光轴并分别置于消偏振分光棱镜分出的光束的两个像面位置,线偏振通道中的第一成像探测器和圆偏振通道中的第二成像探测器具有相同的像元数目,第一成像探测器和第二成像探测器所输出的图像进入数据处理系统,经数据处理系统处理后可得到四个斯托克斯分量图像,实现全偏振成像。
进一步的,所述线偏振通道中,1/2波片的快轴与X轴的夹角为0°。
进一步的,所述线偏振通道中,微偏振片阵列中的每一个微偏振片在空间上与第一成像探测器的像元一一对应。
进一步的,每2×2个微偏振片组成一个微偏振单元,在一个微偏振单元中,四个微偏振片的透光轴与X轴的夹角分别为0°、45°、135°和90°,顺着Z轴正向观察,0°微偏振片位于左上角,45°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一行,90°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一列,135°微偏振片位于右下角,
其中,XYZ坐标系为XYZ右手坐标系,其Z轴与成像装置光轴重合,且Z轴正向由前置光学系统指向成像探测器,X轴垂直于纸面向内,Y轴垂直于XZ平面。
进一步的,所述圆偏振通道中,线偏振片的透光轴方向与X轴重合,1/4波片的快轴与X轴的夹角为135°。
进一步的,成像探测器可以采用CCD或CMOS实现。
进一步的,数据处理系统可以采用计算机或嵌入式硬件实现。
按照本发明的另一方面,提供了一种同时全偏振成像方法,其包括如下步骤:
首先,使携带二维空间目标偏振信息的光波经过前置光学系统后,被消偏振分光棱镜分成能量相等但偏振特性不发生变化的透射光和反射光,
接着,透射光依次经过线偏振通道中的第一聚焦透镜、1/2波片、微偏振片阵列后被第一成像探测器转换为数字图像,同时,反射光依次经过圆偏振通道中的第二聚焦透镜、1/4波片、线偏振片,然后被第二成像探测器转换为数字图像,
然后,数据处理系统接收第一成像探测器输出的数字图像,然后提取不同位置微偏振单元内相同角度微偏振片对应的像素组成四幅低分辨率图像,这四幅低分辨率图像经插值后得到四幅与第二成像探测器像元数目相同大小的偏振角度图像I0、I45、I90和I135,
数据处理系统同时接收第二成像探测器输出的数字图像,得到圆偏振分量图像Ic,
最后,按下式计算可得到全部斯托克斯分量:
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,本发明融合了分振幅和分焦面偏振成像方法,具有以下特点或者优点:
本发明中,光路只进行了一次分光,分成两个采集通道;线偏振通道和圆偏振通道分别只使用了一个成像探测器。其中,线偏振通道采用分焦面方法。
相对于分时型全偏振成像技术,无需旋转或调谐,具有时间分辨率高、适于动态目标或变化场景的优点;只采用两个成像探测器,且分光及偏振元件较少,光能利用率高,光路简单、结构紧凑;相对于现有成型的单分焦面偏振成像技术,可获得圆偏振分量图像。
本发明装置结构简单、体积小、成本低、成像质量高。
附图说明
图1为本发明实施例中一种同时全偏振成像装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中一个微偏振单元内微偏振片的排列方式图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例中一种同时全偏振成像装置的结构示意图,如图1所示,本发明提供一种同时全偏振成像装置,包括前置光学系统100、消偏振分光棱镜200、线偏振通道300、圆偏振通道400和数据处理系统500,其中,前置光学系统100、消偏振分光棱镜200沿入射光方向依次放置,消偏振分光棱镜200用于将前置光学系统100的出射光分为第一光束和第二光束,第一光束与第二光束相互垂直,第一光束位于前置光学系统100的光轴方向上,并且线偏振通道300整体位于前置光学系统100的光轴方向上。所述的前置光学系统100包括第一透镜101和第二透镜102,并且第一透镜101的后焦点和第二透镜102的前焦点重合,所述消偏振分光棱镜200为偏振不敏感分束立方体。所述线偏振通道300包括第一聚焦透镜301、1/2波片302、微偏振片阵列303和第一成像探测器304,1/2波片302紧贴微偏振片阵列303放置,微偏振片阵列303紧贴第一成像探测器304的感光面放置,所述圆偏振通道400包括第二聚焦透镜401、1/4波片402、线偏振片403和第二成像探测器404,1/4波片402紧贴线偏振片403放置,线偏振片403紧贴第二成像探测器404的感光面放置,第一成像探测器304和第二成像探测器404的感光面垂直于成像装置光轴并分别置于消偏振分光棱镜200分出的光束的两个像面位置,线偏振通道中的第一成像探测器304和圆偏振通道中的第二成像探测器404具有相同的像元数目。
图2为本发明实施例中一个微偏振单元内微偏振片的排列方式图,结合图1和图2所述,设Z轴与成像装置光轴重合,且其正向由前置光学系统指向成像探测器,X轴垂直于纸面向内,Y轴垂直于XZ平面,且符合右手定则。所述线偏振通道300中,1/2波片302的快轴与X轴的夹角为0°。所述线偏振通道300中,微偏振片阵列303中的每一个微偏振片在空间上与成像探测器304的像元一一对应。每四个微偏振片(2×2)组成一个微偏振单元。在一个微偏振单元中,四个微偏振片的透光轴与X轴的夹角分别为0°、45°、135°和90°,顺着Z轴正向观察,0°微偏振片位于左上角,45°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一行,90°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一列,135°微偏振片位于右下角。所述圆偏振通道400中,线偏振片403的透光轴方向与X轴重合,1/4波片402的快轴与X轴的夹角为135°。
如图1所述,第一成像探测器304和第二成像探测器404所输出的图像进入数据处理系统,经数据处理系统处理后可得到四个斯托克斯分量图像,实现全偏振成像。
第一成像探测器和第二成像探测器均可由CCD或CMOS实现,数据处理系统可采用计算机或嵌入式硬件实现。
本发明的工作过程或者称为工作原理如下所述:
携带二维空间目标偏振信息的光波经过前置光学系统100后,被消偏振分光棱镜200分成能量相等但偏振特性不发生变化的透射光和反射光。透射光依次经过线偏振通道300中的聚焦第一透镜301、1/2波片302、微偏振片阵列303后被第一成像探测器304转换为数字图像,同时,反射光依次经过圆偏振通道400中的第二聚焦透镜401、1/4波片402、线偏振片403,然后被第二成像探测器404转换为数字图像,
数据处理系统500接收第一成像探测器304输出的数字图像,然后提取不同位置微偏振单元内相同角度微偏振片对应的像素组成四幅低分辨率图像,这四幅低分辨率图像经插值后得到四幅与第二成像探测器404像元数目相同大小的偏振角度图像I0、I45、I90和I135,数据处理系统500同时接收第二成像探测器404输出的数字图像,得到圆偏振分量图像Ic,
最后,按下式计算可得到全部斯托克斯分量S:
其中,I、Q、U和V为四个斯托克斯分量。
在此基础上,可进一步计算线偏振度、全偏振度、偏振角等。计算机可根据用户需要,显示彩色圆偏振分量图像、四幅灰度斯托克斯分量、线偏振度图像、全偏振度图像或偏振角图像等。
作为本发明的替换方案,微偏振单元中的四个微偏振片也可采用其它排列方式,只要保证所有微偏振单元内的四个微偏振片排列方式一样即可。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种同时全偏振成像装置,其特征在于,其包括前置光学系统(100)、消偏振分光棱镜(200)、线偏振通道(300)、圆偏振通道(400)和数据处理系统(500),其中,
前置光学系统(100)、消偏振分光棱镜(200)沿入射光方向依次放置,
前置光学系统(100)包括第一透镜(101)和第二透镜(102),并且第一透镜(101)的后焦点和第二透镜(102)的前焦点重合,
消偏振分光棱镜(200)用于将前置光学系统(100)的出射光分为第一光束和第二光束,第一光束与第二光束相互垂直,第一光束位于前置光学系统(100)的光轴方向上,并且线偏振通道(300)整体位于前置光学系统(100)的光轴方向上,
所述线偏振通道(300)包括第一聚焦透镜(301)、1/2波片(302)、微偏振片阵列(303)和第一成像探测器(304),1/2波片(302)紧贴微偏振片阵列(303)放置,微偏振片阵列(303)紧贴第一成像探测器(304)的感光面放置,
所述圆偏振通道(400)包括第二聚焦透镜(401)、1/4波片(402)、线偏振片(403)和第二成像探测器(404),1/4波片(402)紧贴线偏振片(403)放置,线偏振片(403)紧贴第二成像探测器(404)的感光面放置,
第一成像探测器(304)和第二成像探测器(404)的感光面垂直于成像装置光轴并分别置于消偏振分光棱镜(200)分出的光束的两个像面位置,
线偏振通道中的第一成像探测器(304)和圆偏振通道中的第二成像探测器(404)具有相同的像元数目,
第一成像探测器(304)和第二成像探测器(404)所输出的图像进入数据处理系统(500),经数据处理系统(500)处理后可得到四个斯托克斯分量图像,实现全偏振成像。
2.如权利要求1所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,所述线偏振通道(300)中,1/2波片(302)的快轴与X轴的夹角为0°。
3.如权利要求2所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,所述线偏振通道(300)中,微偏振片阵列(303)中的每一个微偏振片在空间上与第一成像探测器(304)的像元一一对应。
4.如权利要求3所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,微偏振片阵列(303)中包括多个微偏振单元,每2×2个微偏振片组成一个微偏振单元,在一个微偏振单元中,四个微偏振片的透光轴与X轴的夹角分别为0°、45°、135°和90°,顺着Z轴正向观察,0°微偏振片位于左上角,45°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一行,90°微偏振片与0°微偏振片相邻且位于同一列,135°微偏振片位于右下角,
其中,XYZ坐标系为XYZ右手坐标系,其Z轴与成像装置光轴重合,且Z轴正向由前置光学系统指向第一成像探测器,X轴垂直于纸面向内,Y轴垂直于XZ平面。
5.如权利要求4所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,所述圆偏振通道(400)中,线偏振片(403)的透光轴方向与X轴重合,1/4波片(402)的快轴与X轴的夹角为135°。
6.如权利要求5所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,线偏振通道和圆偏振通道中的成像探测器可采用CCD或CMOS。
7.如权利要求6所述的一种同时全偏振成像装置,其特征在于,数据处理系统可使用计算机或嵌入式硬件实现。
8.一种同时全偏振成像方法,其特征在于,其包括如下步骤:
首先,携带二维空间目标偏振信息的光波经过前置光学系统(100)后,被消偏振分光棱镜(200)分成能量相等但偏振特性不发生变化的透射光和反射光,
接着,透射光依次经过线偏振通道(300)中的第一聚焦透镜(301)、1/2波片(302)、微偏振片阵列(303)后被第一成像探测器(304)转换为数字图像,同时,反射光依次经过圆偏振通道(400)中的第二聚焦透镜(401)、1/4波片(402)、线偏振片(403),然后被第二成像探测器(404)转换为数字图像,
然后,数据处理系统(500)接收第一成像探测器(304)输出的数字图像,然后提取不同位置微偏振单元内相同角度微偏振片对应的像素以组成四幅低分辨率图像,这四幅低分辨率图像经插值后得到四幅与第二成像探测器(404)像元数目相同的偏振角度图像I0、I45、I90和I135,
数据处理系统(500)同时接收第二成像探测器(404)输出的数字图像,得到圆偏振分量图像Ic,
最后,按下式计算可得到全部斯托克斯分量:
其中,I、Q、U和V为四个斯托克斯分量。
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