CN115031843A - 一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,该矫正装置包括第一线偏振片和第二线偏振片,该矫正方法包括:将第一线偏振片固定在相对于偏振相机的0°偏振方向;确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向,然后从该0°偏振方向开始,将第二线偏振片分别调节到不小于12个的偏振方向,并在每调节一个偏振方向时,采集偏振相机不同像素输出的光强分量;然后根据该光强分量及偏振相机的零偏,计算偏振相机中偏振感光元件对光的响应矢量,并根据实际光的偏振度和偏振角对该响应矢量进行矫正,从而完成该偏振相机的均匀性矫正。本发明可实现利用普通的非均匀光来完成对偏振相机均匀性的矫正,有利于大规模推广。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域,更具体地,涉及一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法。
背景技术
信息可以加载在光波的强度、频率、相位、偏振等参数上。普通相机只能获取光的强度与频率信息,无法提取光的偏振信息。然而,利用光的偏振信息实现偏振成像在诸多领域具有重要的应用价值,例如仿生学、生物医学成像、远距离传感以及偏振辅助的图像去雾。为获取光的偏振信息,研究人员设计实现了多种不同类型的偏振相机,如分孔径偏振相机、分振幅偏振相机以及分焦平面偏振相机。这些偏振相机可以提取光波的偏振度与偏振角,从而实现偏振成像。
然而,由于制造缺陷以及系统噪声,偏振相机对光的响应会存在着均匀性问题,即相机的不同像元对光响应的增益与零偏存在差异。这些差异会导致所测量的偏振度与偏振角偏离实际值,从而造成测量误差。为减小偏振相机对光偏振信息的测量误差,对偏振相机的均匀性进行矫正显得尤为重要。目前,对偏振相机的均匀性进行矫正时,普遍需要用到均匀性极佳的光源。利用偏振相机接收光源发出的均匀光,对不同像元对光响应的增益与零偏进行修正,从而达到均匀性矫正的目的。这类方法虽然对偏振相机均匀性矫正的效果较佳,但是均匀性极佳的光源的价格昂贵,使得这类方法只能在少数条件较好的实验室开展。
因此,如何使用普通的非均匀光来完成偏振相机的均匀性矫正是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,可实现利用普通的非均匀光来完成对偏振相机均匀性的矫正,有利于大规模推广。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,所述偏振相机均匀性矫正装置包括两侧开设有通光孔的遮光罩,所述遮光罩内设有可调节式第一线偏振片和第二线偏振片,所述第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列,所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔处放置一典型光源,所述遮光罩靠近所述第二线偏振片的通光孔处紧贴放置待矫正的偏振相机,所述矫正方法包括如下步骤:
(1)调节第一线偏振片的偏振方向,将第一线偏振片固定在相对于偏振相机的0°偏振方向,并确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向;
(2)从第二线偏振片的0°偏振方向开始,将第二线偏振片分别调节到不小于12个的偏振方向,并在每调节一个偏振方向θ n时,采集偏振相机中偏振感光元件输出的光强分量;
(3)根据不同偏振方向θ n下采集到的光强分量及预先测量得到的偏振相机的零偏,计算偏振相机中偏振感光元件对光的响应矢量,同时根据各偏振方向θ n下采集到的光强分量,对应计算其下的光的偏振度和偏振角;
(4)根据计算到的光的偏振度和偏振角及实际的光的偏振度和偏振角θ n,对所述响应矢量进行矫正,同时根据测量得到的零偏对偏振相机的零偏进行补偿,从而完成该偏振相机在此典型光源光照环境下的均匀性矫正。
本发明提供的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,基于偏振相机中偏振感光元件对光的响应原理,利用普通光源、双线偏振片等常见光学元件,通过分析与解算偏振相机对不同偏振光的响应特性,可实现利用普通的非均匀光对偏振相机的均匀性矫正,便于偏振相机均匀性矫正的大规模推广,使得偏振成像在其应用领域有着更大的发挥潜能。
在其中一个实施例中,步骤(1)具体为:
取出第二线偏振片,并开启光源,然后沿同一方向旋转第一线偏振片180°,同时采集并根据不同旋转角度下偏振相机中0°方向偏振的偏振感光元件输出的第一光强分量,将第一线偏振片固定在第一光强分量为最大值时所对应的旋转角度处,此时第一线偏振片相对于偏振相机沿0°偏振方向;
放回第二线偏振片,然后沿同一方向旋转第二线偏振片180°,同时采集并根据不同旋转角度下偏振相机中沿0°方向偏振的偏振感光元件输出的第二光强分量,确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向,该方向为第二线偏振片在第二光强分量为最大值时所对应的旋转角度。
在其中一个实施例中,步骤(2)中,从第二线偏振片的0°偏振方向开始,按沿同一方向每增加10°偏振方向的调节方式,调节所述第二线偏振片180°。
在其中一个实施例中,步骤(3)中,计算偏振相机中偏振感光元件对光的响应矢量的公式为:
式中,、、、对应表示偏振相机中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件对光的响应矢量;d 1、d 2、d 3、d 4对应表示偏振相机中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件的零偏;I 1、I 2、I 3、I 4对应表示偏振相机中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的光强分量;表示典型光源发出的光经过第一线偏振片和第二线偏振片后的斯托克斯矢量;θ n表示第二线偏振片的偏振方向;I 0n表示表示第一线偏振片和第二线偏振片均沿0°偏振方向时,照射到该像元的光强。
在其中一个实施例中,步骤(3)中,计算光的偏振度D p和偏振角θ p的公式为:
在其中一个实施例中,步骤(3)中,所述偏振相机的零偏为:偏振相机扣上相机盖时,偏振相机中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的光强分量。
在其中一个实施例中,步骤(4)之后,还包括如下步骤:
将一典型光源更换为另一典型光源,重复步骤(1)~(4),完成偏振相机在不同典型光源光照环境下的均匀性矫正。
在其中一个实施例中,所述偏振相机矫正装置还包括中性滤波片,所述中性滤波片设置在所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔与所述典型光源之间,所述中性滤波片、第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列,所述方法中的步骤(1)之前,还包括如下步骤:
取出第一线偏振片和第二线偏振片,调节所述中性滤波片,使偏振相机输出的平均灰度值在100~150,然后再放回第一线偏振片和第二线偏振片。
在其中一个实施例中,所述偏振相机矫正装置还包括光阑,所述光阑设置在所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔与所述中性滤波片之间,所述中性滤波片、光阑、第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列。
在其中一个实施例中,所述偏振相机适用于分孔径偏振相机、分振幅偏振相机以及分焦平面偏振相机。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的偏振相机均匀性矫正装置的结构示意图;
图2是本发明提供的图1中偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法的流程示意图;
图3是本发明另一实施例提供的偏振相机均匀性矫正装置的结构示意图;
图4是本发明提供的图3中偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法的原理框图。
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。
为解决传统利用均匀性光对偏振相机的均匀性进行矫正难以大规模推广的问题,本发明提供了一种可利用普通的非均匀性光即可实现对偏振相机均匀性矫正的方法,其主要是基于偏振相机中偏振感光元件对光的响应原理,利用普通光源(以下称典型光源)和双线偏振片等常用光学元件,通过分析与解算偏振相机对不同偏振光的响应特性,实现一种简易的偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,以减少偏振相机对光偏振信息的测量误差。
其中,通过研究发现,偏振相机中偏振感光元件对光的响应原理为:
对于常见的分孔径偏振相机、分振幅偏振相机以及分焦平面偏振相机,每个像元对应4个不同的偏振感光元件,4个偏振感光元件对应沿0°、45°、90°、135°方向偏振,并用于采集照射到该像元的光沿0°、45°、90°、135°方向的光强分量I 1、I 2、I 3、I 4。根据采集到的I 1、I 2、I 3、I 4,可计算得照射到该像元的光的偏振度D P与偏振角θ P,表达式如下:
式中,I 0、D p0与θ p0对应表示光的强度、偏振度和偏振角。
理想情况下,测量得到的光的偏振度D P与偏振角θ P分别等于实际的光的偏振度D P0与偏振角θ P0。然而,由于偏振感光元件对光响应的非均匀性,将导致D P与D P0、θ P与θ P0之间的误差。考虑偏振感光元件对光的实际响应特性,若用表示偏振感光元件对光的响应矢量,则偏振感光元件探测到的光强I可以表示为:
式中,d表示无光照时偏振感光元件输出的光强值,即偏振感光元件的零偏。
理想情况下,d = 0;而对于沿0°、45°、90°、135°方向偏振的感光元件,其分别为g 0 [1 1 0]、g 0 [1 0 1]、g 0 [1 -1 0]、g 0 [1 0 1]。其中,g 0表示偏振感光元件的增益的归化值,其对于所有偏振感光元件均相同。因此,为矫正偏振相机的均匀性,以减小对偏振度与偏振角的测量误差,需要得到与d,以将其矫正到理想值。对于d,只需测量无光照时各偏振感光元件的输出;而对于,本发明设计了一种使用双偏振片控制光源输出光的偏振度与偏振角的方法。
若令光源发出的光先后经过2个线偏振片,相对于偏振相机的偏振感光元件,与光源靠近的第一个线偏振片固定沿0°方向偏振,而另一个线偏振片可旋转,进而可改变偏振方向。当后一个偏振片的偏振方向设置为θ n时,对于某一像元,则
式中,、、、分别表示此像元对应的沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件对光的响应矢量,d 1、d 2、d 3、d 4分别表示此像元对应的沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件的零偏。
照射到此像元的入射光经过2个线偏振片后的斯托克斯矢量为:
式中,I 0n表示第一线偏振片和第二线偏振片均沿0°偏振方向时,照射到该像元的光强。当改变θ n,根据不同θ n下,沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的I 1、I 2、I 3、I 4,依据式(4)即可解算得到、、、;然后再根据不同θ n下,沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的I 1、I 2、I 3、I 4,依据式(1)计算得到光的偏振度和偏振角;最后,与实际的光的偏振度D P0 = 1与偏振角θ P0 = θ n进行对比,对解算得到、、、进行矫正。按照此方法,即可得到不同偏振感光元件对光的响应矢量,从而实现偏振相机的均匀性矫正。
基于上述研究原理,对此,本发明采用的技术方案为:一种偏振相机均匀性矫正装置,如图1所示,包括两侧开设有通光孔的遮光罩10,遮光罩10内设有可旋转拆卸式第一线偏振片20和第二线偏振片30,第一线偏振片20和第二线偏振片30沿同一光轴排列,遮光罩10靠近第一线偏振片20的通光孔处放置一典型光源40,遮光罩10靠近第二线偏振片30的通光孔处紧贴放置待矫正的偏振相机50。该待矫正的偏振相机50可以为分孔径偏振相机、分振幅偏振相机或分焦平面偏振相机等偏振相机。
其中,本实施例提供的遮光罩10用于减少进入偏振相机50的干扰光;第一线偏振片20用于将典型光源40发出的光转变为0°方向偏振的线偏振光;第二线偏振片30用于控制照射到偏振相机50的光的偏振角。
本发明提供的上述的偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,包括步骤S10~S50,详述如下:
S10,调节第一线偏振片20的偏振方向,将第一线偏振片20固定在相对于偏振相机50的0°偏振方向,并确定第二线偏振片30相对于偏振相机50的0°偏振方向。
具体地,可从搭建的矫正装置中取出第二线偏振片30,并开启光源40,然后沿同一方向旋转第一线偏振片180°,同时采集比较不同旋转角度下偏振相机中0°方向偏振的偏振感光元件输出的第一光强分量,将第一线偏振片20固定在第一光强分量为最大值时所对应的旋转角度处,此时第一线偏振片20相对于偏振相机50沿0°方向偏振;再放回第二线偏振片30,然后沿同一方向旋转第二线偏振片180°,同时采集并根据不同旋转角度下偏振相机中沿0°方向偏振的偏振感光元件输出的第二光强分量,确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向,该方向为第二线偏振片30在第二光强分量为最大值时所对应的旋转角度。
S20,从第二线偏振片30的0°偏振方向开始,将第二线偏振片30分别调节到不小于12个的偏振方向,并在每调节一个偏振方向θ n时,采集偏振相机50中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的光强分量I 1、I 2、I 3、I 4。
在步骤S30中,考虑到、、、分别有三个未知参量,式(4)为十二元一次方程,所以至少需要采集12个不同偏振方向下偏振相机50的输出。优选地,可从第二线偏振片30的0°偏振方向开始,按沿同一方向每增加10°偏振方向的调节方式,调节第二线偏振片180°。
S40,根据不同偏振方向θ n下采集到的光强分量I 1、I 2、I 3、I 4,及预先测量得到的偏振相机50中4个偏振感光元件的零偏d 1、d 2、d 3、d 4,利用式(4),反演解算偏振相机50中4个偏振感光元件对光的响应矢量、、、。同时根据不同偏振方向θ n下采集到的光强分量I 1、I 2、I 3、I 4,利用式(1),计算得到不同偏振方向θ n下的光的偏振度D P和偏振角θ P,
在步骤S40中,偏振相机50中4个偏振感光元件的零偏d 1、d 2、d 3、d 4可直接通过扣上偏振相机50的相机盖,通过采集该偏振相机的输出获得。
S50,根据不同偏振方向θ n下的偏振度D P和偏振角θ P,以及实际的光的偏振度和偏振角θ n,对响应矢量进行矫正,同时根据测量得到的零偏对偏振相机的零偏进行补偿,从而完成该偏振相机50在此典型光源40光照环境下的均匀性矫正。其中,由于本发明采用的双线偏振片,故在各偏振方向下,实际的光的偏振度均为1。
本实施例提供的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,基于偏振相机中偏振感光元件对光的响应原理,利用普通光源、双线偏振片等常见光学元件,通过分析与解算偏振相机对不同偏振光的响应特性,可实现利用普通的非均匀光对偏振相机的均匀性矫正,有利于偏振相机均匀性矫正的大规模推广,使得偏振成像在其应用领域有着更大的发挥潜能。
下面结合具体实施例,对本发明提供的偏振相机均匀性矫正装置及其矫正方法进行详细说明:
图3是本发明一具体实施例提供的偏振相机均匀性矫正装置的结构示意图,如图3所示,该矫正装置包含光源40、中性滤波片60、光阑70、第一线偏振片20、第二线偏振片30、遮光罩10和偏振相机50。
其中,光源40为常用的典型光源;中性滤光片60用于控制照射到偏振相机50的光强,防止偏振相机50发生过曝;光阑70用于减少进入偏振相机50的干扰光;第一线偏振片20用于将入射光转变为沿0°方向偏振的线偏振光;第二线偏振片30用于控制照射到偏振相机50的光的偏振角;遮光罩10用于减少进入偏振相机50的干扰光;偏振相机70为需要进行均匀性矫正的相机。
参见图4,上述偏振相机均匀性矫正装置的相应矫正方法,包含以下步骤:
步骤1:搭建一该矫正装置。将第一线偏振片20、第二线偏振片30放入两侧开有通光孔的遮光罩10中,将偏振相机50紧贴遮光罩10的一通光孔,同时使光源发出的光依次通过中性滤波片60、光阑70、遮光罩10的一通光孔、第一线偏振片20、第二线偏振片30、遮光罩10的另一通光孔、偏振相机50。其中,中性滤波片60、光阑70、第一线偏振片20、第二线偏振片30、偏振相机50沿同一光轴排列。首先移走第一线偏振片20与第二线偏振片30,调节中性滤光片60,使得偏振相机50输出的平均灰度值在100~150之间;然后放回第一线偏振片20与第二线偏振片30。
步骤2:扣上偏振相机50的相机盖,记录偏振相机50的输出,即为偏振相机50中4个偏振感光元件的零偏d 1、d 2、d 3、d 4。
步骤3:打开偏振相机50的相机盖,并移走第二线偏振片30。
步骤4:旋转第一线偏振片20,采集偏振相机50中沿0°方向偏振的偏振感光元件的输出,直至此其值达到最大。此时,第一线偏振片20相对于偏振相机50沿0°方向偏振。
步骤5:放回第二线偏振片30,采集偏振相机50中沿0°方向偏振的偏振感光元件的输出,直至此其值达到最大,此时,相对于偏振相机50,第二线偏振片30的初始偏振方向为0°。
步骤6:将第二线偏振片30的偏振方向分别调节到0°、10°、20°、…、160°、170°。同时,每调节到一个偏振方向,记录偏振相机50不同像元输出的I 1、I 2、I 3、I 4。
步骤7:根据测量得到的偏振相机50中4个偏振感光元件的零偏d 1、d 2、d 3、d 4,以及第二线偏振片30调节到不同偏振方向时输出的I 1、I 2、I 3、I 4,利用式(4),反演解算出偏振相机50的4个偏振感光元件对光的响应矢量、、、。
步骤9:更换常用的典型光源,重复步骤1~8,完成偏振相机50在不同典型光照环境下的均匀性矫正。
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 (10)
1.一种基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,所述偏振相机均匀性矫正装置包括两侧开设有通光孔的遮光罩,所述遮光罩内设有可调节式第一线偏振片和第二线偏振片,所述第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列,所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔处放置一典型光源,所述遮光罩靠近所述第二线偏振片的通光孔处紧贴放置待矫正的偏振相机,所述矫正方法包括如下步骤:
(1)调节第一线偏振片的偏振方向,将第一线偏振片固定在相对于偏振相机的0°偏振方向,并确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向;
(2)从第二线偏振片的0°偏振方向开始,将第二线偏振片分别调节到不小于12个的偏振方向,并在每调节一个偏振方向θ n时,采集偏振相机中偏振感光元件输出的光强分量;
(3)根据不同偏振方向θ n下采集到的光强分量及预先测量得到的偏振相机的零偏,计算偏振相机中偏振感光元件对光的响应矢量,同时根据各偏振方向θ n下采集到的光强分量,对应计算其下的光的偏振度和偏振角;
(4)根据计算到的光的偏振度和偏振角及实际的光的偏振度和偏振角θ n,对所述响应矢量进行矫正,同时根据测量得到的零偏对偏振相机的零偏进行补偿,从而完成该偏振相机在此典型光源光照环境下的均匀性矫正。
2.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,步骤(1)具体为:
取出第二线偏振片,并开启光源,然后沿同一方向旋转第一线偏振片180°,同时采集并根据不同旋转角度下偏振相机中0°方向偏振的偏振感光元件输出的第一光强分量,将第一线偏振片固定在第一光强分量为最大值时所对应的旋转角度处,此时第一线偏振片相对于偏振相机沿0°偏振方向;
放回第二线偏振片,然后沿同一方向旋转第二线偏振片180°,同时采集并根据不同旋转角度下偏振相机中沿0°方向偏振的偏振感光元件输出的第二光强分量,确定第二线偏振片相对于偏振相机的0°偏振方向,该方向为第二线偏振片在第二光强分量为最大值时所对应的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,步骤(2)中,从第二线偏振片的0°偏振方向开始,按沿同一方向每增加10°偏振方向的调节方式,调节所述第二线偏振片180°。
4.根据权利要求1或2所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,步骤(3)中,计算偏振相机中偏振感光元件对光的响应矢量的公式为:
6.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,步骤(3)中,所述偏振相机的零偏为:偏振相机扣上相机盖时,偏振相机中沿0°、45°、90°、135°方向偏振的偏振感光元件输出的光强分量。
7.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,步骤(4)之后,还包括如下步骤:
将一典型光源更换为另一典型光源,重复步骤(1)~(4),完成偏振相机在不同典型光源光照环境下的均匀性矫正。
8.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,所述偏振相机矫正装置还包括中性滤波片,所述中性滤波片设置在所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔与所述典型光源之间,所述中性滤波片、第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列,所述方法中的步骤(1)之前,还包括如下步骤:
取出第一线偏振片和第二线偏振片,调节所述中性滤波片,使偏振相机输出的平均灰度值在100~150,然后再放回第一线偏振片和第二线偏振片。
9.根据权利要求8所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,所述偏振相机矫正装置还包括光阑,所述光阑设置在所述遮光罩靠近第一线偏振片的通光孔与所述中性滤波片之间,所述中性滤波片、光阑、第一线偏振片和第二线偏振片沿同一光轴排列。
10.根据权利要求1所述的基于偏振相机均匀性矫正装置的矫正方法,其特征在于,所述偏振相机适用于分孔径偏振相机、分振幅偏振相机以及分焦平面偏振相机。
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