CN111562223A - 一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法，属于偏振成像技术领域。它包括沿同一轴线依次排列的激光光源、待测样品、成像镜头、面阵相机，以及与面阵相机电性连接的计算机处理系统，所述成像镜头到面阵相机之间的光路上依次设有液晶相位延迟器、微偏振片阵列。本发明可以测量全部的斯托克斯参量，完整地描述偏振特性；本发明采用液晶相位延迟器和微偏振片阵列相结合地方式进行测量，既可以进行普通的偏振差别成像，具有较好的实时性，也可以对液晶相位延迟器进行调制，从而获得全部的偏振信息，并可进行定量测量；本发明所采用的微偏振片阵列，适用波段较宽，可以通过严格的标定，满足多波段测量的要求。

Description

一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法，属于偏振成像技术领域。

背景技术

偏振成像技术是将偏振探测技术和成像技术相融合，可同时获得目标场景的二维图像信息和各点的偏振态信息。偏振信息是独立于光谱信息之外的表征物体固有性质的信息，可作为一种有效鉴别地物的依据，增强目标的可识别性，在遥感探测、军事侦察和生物医学领域具有重要的应用价值。近年来，偏振成像已成为国内外光学探测和遥感领域的研究热点。

光偏振态可用Stokes矢量进行完全描述(S₀,S₁,S₂,S₃)，具有四个独立的分量。要获得完整的偏振态信息，至少需要四次不同偏振片和波片组合的独立测量。根据多次测量方式的不同，可以把偏振成像分成分时测量和实时测量两大类。分时测量通过旋转或者调制光学器件在不同时间获得多次测量结果，适用于建筑、植被、矿石等静态目标的探测。而实时测量通过分光路单次曝光方式获取多个测量结果，具有动态观察能力。已有的实时偏振成像技术中主要采用分幅、分孔径、分频谱通道以及分焦平面等几种方案。

目前，分幅和分孔径偏振成像的时间、空间分辨率较高，但光路复杂，稳定性不高，不同偏振态的图像难以进行像素量级的空间对准；而分频谱通道方案采用双折射晶体劈组调制图像偏振态，干涉条纹的存在导致空间分辨率偏低；分焦平面方案通过单次曝光可以实现偏振态测量，而且整体系统结构紧凑、性能稳定，已经被用于美国军方的雷达遥控系统，是偏振成像技术未来的发展方向。但是，目前基于微偏振片阵列的分焦平面偏振成像只能测量Stokes矢量的前三个线性分量(S₀,S₁,S₂)，其原因在于单纯地通过改变偏振片方向无法测量代表旋光成分的S₃分量。随着偏振成像技术应用范围的扩展，特别是在动态目标遥感研究中，迫切需要发展同时具备高时空间分辨率，并且能够进行全Stokes矢量测量及长期稳定运行等特点的全新偏振成像技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法，它解决了目前基于微偏振片阵列的分焦平面偏振成像不能方便地测量Stokes矢量所有分量的问题。

本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置，它包括沿同一轴线依次排列的激光光源、样品、成像镜头、面阵相机，以及与面阵相机电性连接的计算机处理系统，所述成像镜头到面阵相机之间的光路上依次设有液晶相位延迟器、微偏振片阵列。

一种基于微偏振片阵列的偏振成像方法，它包括以下步骤：

(1)根据待测样品选用合适的照明激光光源和成像镜头，沿同一轴线依次放置激光光源、待测样品、成像镜头、液晶相位延迟器、微偏振片阵列、面阵相机，将面阵相机与计算机处理系统电性连接；

(2)激光光源产生入射光经过待测样品后，产生由待测样品光学参数决定的偏振图像；

(3)偏振图像光线依次经过成像镜头、液晶相位延迟器、微偏振片阵列，偏振图像最终成像到面阵相机上，经过液晶相位延迟器、微偏振片阵列两者进行的偏振态调制后，将偏振图像转换成二维强度分布，面阵相机收集光强信息并将数据传输至计算机处理系统；

(4)计算器处理系统对接受到的光强数据进行处理和反演计算，得到偏振图像上每个像素点的偏振态信息。

所述步骤(4)中计算机处理系统对光强数据进行处理和反演计算过程如下：

计算入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃：

S₀＝I₁+I₄

S₁＝I₄-I₁

S₂＝2I₂-I₄-I₁

S₃＝I'₁+I'₄-2I'₃

这里I₁，I₂，I₄分别是90°，45°，0°微偏振片在相位延迟器零延迟时探测到的光强，I’₁，I’₃，I’₄分别是在90°，135°，0°微偏振片在相位延迟器λ/4延迟时探测到的光强。由于是通过四个偏振态反演出一个全斯托克斯参量，所以每四个像素实际对应一个探测像素。

所述入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃计算公式通过如下步骤得到：

用Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃来描述光的偏振态，对于多次独立的测量，经过微偏振片单元的偏振态变化可以用4×4Muller矩阵来表示：

其中，上标i表示测量的次数或对应每个单元的测量；

由于面阵相机对光强有响应，因此每次测量可得到输出线偏振状态下的Stokes值，偏振片阵列四个相邻单元Muller矩阵可表示为：

这里，四个相邻的单元的偏振方向分别为90°，45°，135°，0°。液晶相位延迟0与

λ(90°)，光轴位于0°，对应Muller矩阵分别是：

根据M＝P*S，计算得到相应Muller矩阵，代入不同延迟条件下微偏振片阵列对应单元输出Stokes值，即可得到入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃计算公式。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以测量全部的斯托克斯参量，完整地描述偏振特性；

(2)本发明采用液晶相位延迟器和微偏振片阵列相结合地方式进行测量，既可以进行普通的偏振差别成像，具有较好的实时性，也可以对液晶相位延迟器进行调制，从而获得全部的偏振信息，并可进行定量测量，且制造成本低，利于广泛应用；

(3)本发明所采用的微偏振片阵列，适用波段较宽，可以通过严格的标定，满足多波段测量的要求。

附图说明

图1是本发明整体的结构示意图；

图2是本发明实施例1采用

波片2，

波片代替待测样品成像试验的结构示意图；

图3是本发明实施例1的微偏振片阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例1利用面阵相机测得的光强数据反演得到相应Stokes矢量的理论预测与实验结果对比图。

图中：激光光源1，

波片2，

波片3，成像镜头4，面阵相机5，计算机处理系统6，液晶相位延迟器7，微偏振片阵列8，待测样品9。

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1-图4所示，本实施例提供一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置，它包括沿同一轴线依次排列的激光光源1、待测样品9(图2中使用

波片2、

波片3代替待测样品9产生特定偏振光，以便于测试)、成像镜头4、面阵相机5，以及与面阵相机5电性连接的计算机处理系统6，成像镜头4到面阵相机5之间的光路上依次设有液晶相位延迟器7、微偏振片阵列8。

激光光源1、

波片2、

波片3用于生成特定偏振光(模拟待测样品9)。成像镜头4用于将偏振图像成像于面阵相机。

本实施例中，使用准直的630nm水平线偏振激光光源1，通过

波片2、

波片3，产生特定偏振光。这里，

波片3光轴方向固定，与水平偏振呈45度夹角。

波片2可以旋转，从而改变偏振态。对应Muller矩阵为：

光轴45度的

波片3，对应Muller矩阵：

起始偏振方向水平的偏振光[1 1 0 0]^T，这样，对于不同旋转角度θ计算出相应Stokes矢量。

理论计算结果与实际测量结果对比：

如图4所示，根据以上实施例，利用面阵相机5测得的光强数据，反演得到相应Stokes矢量。可以看出，实验结果与理论预测非常吻合。

进一步地，所用微偏振片阵列8像素单元四个偏振方向可以变化，比如0°，30°，90°，120°等；所用液晶相位延迟器7相位也可以设定在其他两值间比如30°，120°之间等变化。

另外，微偏振片阵列8应紧贴在面阵相机5像元上，要求微偏振片阵列8单位与面阵相机5像元大小一致。如果，大小不一致或难以贴近，则需要通过过渡镜头，将微偏振片阵列8单元成像与面阵相机5上，且像元间要严格对应。

本偏振成像装置除了能够检测待测样品9的全部Stokes矢量，还能够在不放置待测样品9的情况下，直接检测激光光源1的Stokes矢量。

综上所述，本发明可以测量全部Stokes矢量，微偏振片阵列8尺寸小，适用波段宽，可靠性好，同时，采用液晶相位延迟器7只在两值间进行切换，速度快，且对于不同波长，经过标定后，可以直接设置并适用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置，它包括沿同一轴线依次排列的激光光源、待测样品、成像镜头、面阵相机，以及与面阵相机电性连接的计算机处理系统，其特征在于，所述成像镜头到面阵相机之间的光路上依次设有液晶相位延迟器、微偏振片阵列。

2.一种基于微偏振片阵列的偏振成像方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)根据待测样品选用合适的照明激光光源和成像镜头，沿同一轴线依次放置激光光源、待测样品、成像镜头、液晶相位延迟器、微偏振片阵列、面阵相机，将面阵相机与计算机处理系统电性连接；

(2)激光光源产生入射光经过待测样品后，产生由待测样品光学参数决定的偏振图像；

(3)偏振图像光线依次经过成像镜头、液晶相位延迟器、微偏振片阵列，偏振图像最终成像到面阵相机上，经过液晶相位延迟器、微偏振片阵列两者进行的偏振态调制后，将偏振图像转换成二维强度分布，面阵相机收集光强信息并将数据传输至计算机处理系统；

(4)计算器处理系统对接受到的光强数据进行处理和反演计算，得到偏振图像上每个像素点的偏振态信息。

3.根据权利要求2所述一种基于微偏振片阵列的偏振成像方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算机处理系统对光强数据进行处理和反演计算过程如下：

计算入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃：

S₀＝I₁+I₄

S₁＝I₄-I₁

S₂＝2I₂-I₄-I₁

S₃＝I'₁+I'₄-2I'₃

这里I₁，I₂，I₄分别是90°，45°，0°微偏振片在相位延迟器零延迟时探测到的光强，I’₁，I’₃，I’₄分别是在90°，135°，0°微偏振片在相位延迟器λ/4延迟时探测到的光强。由于是通过四个偏振态反演出一个全斯托克斯参量，所以每四个像素实际对应一个探测像素。

4.根据权利要求3所述一种基于微偏振片阵列的偏振成像方法，其特征在于，所述入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃计算公式通过如下步骤得到：

用Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃来描述光的偏振态，对于多次独立的测量，经过微偏振片单元的偏振态变化可以用4×4Muller矩阵来表示：

其中，上标i表示测量的次数或对应每个单元的测量；

由于面阵相机对光强有响应，因此每次测量可得到输出线偏振状态下的Stokes值，偏振片阵列四个相邻单元Muller矩阵可表示为：

这里，四个相邻的单元的偏振方向分别为90°，45°，135°，0°。液晶相位延迟0与

光轴位于0°，对应Muller矩阵分别是：

根据M＝P*S，计算得到相应Muller矩阵，代入不同延迟条件下微偏振片阵列对应单元输出Stokes值，即可得到入射光Stokes矢量S₀,S₁,S₂,S₃计算公式。

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