KR101784334B1 - 이미지들에서 광의 편광을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

Abstract

시스템들은 편광 필터를 갖는 또는 갖지 않는 단일 카메라를 이용하여 편광 계측 데이터를 획득할 수 있다. 편광 필터가 사용될 때, 데이터 획득 방법은: (1) 이미지들이 캡쳐링될 때 다양한 방향들로 편광 필터 (및 카메라)를 방향 설정하기 위해 항공기 (또는 다른 운송 수단)을 조종하는 단계, (2) 다양한 이미지들을 서로 레지스터링하는 단계, 및 (3) 이미지들에서 관심 있는 포인트들에 대한 편광 계측 값들(이를테면, 스토크스 파라미터들)을 계산하는 단계를 포함한다. 편광 필터가 사용되지 않을 때, 데이터 획득 방법은, 이미지들이 캡쳐링될 때 다양한 방향들로 카메라를 방향 설정하기 위해 항공기 (또는 다른 운송 수단)을 조종하고 그 다음 동일한 동작들 (2) 및 (3)을 수행하는 단계를 포함한다. 이러한 방법들은 상이한 각들에서 다수의 카메라 이미지들을 촬영함으로써 주어진 풍경에서 편광의 양을 측정한다.

Description

이미지들에서 광의 편광을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR MEASURING POLARIZATION OF LIGHT IN IMAGES}

본 개시는 일반적으로 이미지들에서 광의 편광을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 관심 있는 물체들을 시각적으로 검출하기 위해 편광 및 편광 계측을 이용하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "편광 계측(polarimetry)"이라는 용어는, 전자기파들과 같은 횡파들의 편광의 측정 및 해석을 의미한다.

본 명세서에 다루는 일반적인 문제는 이미지들, 특히 이동 중인 운송 수단들에 의해 캡쳐링된 이미지들에서 광의 편광을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들을 향상시키는 것이다. 편광 및 편광 계측은 사용자들이 관심 있는 많은 물체들을 검출하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 비편광된 광으로 가득찬 자연 풍경에서, 평탄한 표면들은 선형적으로 편광된 광으로 보이는데; 이들 평탄한 표면들은 종종 (대부분의 운송 수단 운전자들이 피하려고 하는) 손상을 유발할 수 있는 외부 물체들 또는 (흔히 군대에 의해 탐색되는) 격추된 항공기 또는 무기들과 같은 인공물들에 대응된다. 편광은 감시 분석자들의 시야가 물 또는 창문들과 같은 표면으로부터의 휘광(glare) 또는 연무(haze)를 관통하게 한다. 편광은 군 분석자들이 잠수함들 및 기뢰들 또는 창문들 뒤에 숨어 있는 스폿 저격수들을 발견할 수 있게 하고, 어부들이 고기 떼를 발견할 수 있게 한다. 편광은 또한 민간 사용자들이 기상 파라미터들을 측정하고 숲 및 작물의 건강 상태를 평가하는 것을 도울 수 있다.

이러한 장점에도 불구하고, 편광 계측 및 편광된 영상(imagery)은 거의 사용되지 않는다. 그 이유는 비용, 무게 및 신뢰도이다. 일반적으로, 단일 카메라 앞에 단일 편광 필터를 두는 것은 충분하지 않다. 이미지에서 편광을 측정하고 이미지의 어느 부분들이 다른 부분들과 상이한 편광을 갖는지를 파악하기 위해, 편광 필터의 적어도 둘 및 통상적으로 세 방향에 대해 이미지를 캡쳐링해야 한다. 선행 기술에서, 이는 (1) 카메라 렌즈에 장착된, 전기적으로 제어되는 회전 필터, (2) 상이한 각들로 장착된 수 개의 편광 필터들을 갖는, 전기적으로 제어되는 필터 휠, 또는 (3) 각각이 상이하게 방향 설정된 편광 필터를 갖는 다수의 카메라들을 의미하였다. 이러한 처리 방식들의 비용, 무게 및 신뢰도 패널티들은 실험실 밖에서 촬영된 이미지들에 대한 편광 계측의 대부분의 사용을 불가능하게 하였다.

카메라 렌즈에 장착된 전기적으로 제어되는 회전 필터의 경우, 필터 휠은 단일 카메라 앞에 3개 또는 4개의 상이한 방향들로 편광 필터들을 포지셔닝하도록 구성된다. 필터 휠은 이동부를 갖는 매우 견고한 광학 컴포넌트이다. 필터 휠은 거의 전형적인 무인 항공기(UAV)에 사용되는 소형 카메라만큼 무겁다. 필터 휠은 상당한 부피를 차지한다. 전기 기계식 액추에이터를 갖기 때문에, 필터 휠은 디지털 카메라보다 실질적으로 신뢰도가 낮고, 결국 항공기 미션 시스템(aircraft mission system)의 신뢰도를 저하시킨다.

단일 카메라 앞의 회전 편광자는 필터 휠보다 작지만, 여전히 이동부를 갖는 견고한 광학 컴포넌트이다. 회전 편광자는 실질적으로 소형 카메라의 무게를 증가시키고 실질적으로 그 부피를 증가시킬 수 있다. 회전 편광자는 항공기 미션 시스템의 신뢰도를 저하시키는 전기 기계적 액추에이터를 포함한다.

세 번째 경우, 동일한 방향을 향하는 다수의 카메라들―각 카메라는 그 앞에 상이하게 방향 설정된 편광자를 가짐―을 포함하는 시스템은 각 카메라에 대한 비용, 무게 및 신뢰도에 대해 작은 패널티를 부과한다. 그러나 하나 대신에 3개 또는 4개의 카메라들을 사용하는 것은 비용과 무게를 증가시키고 시스템의 신뢰도를 저하시킨다.

추가의 발전의 따라, 상이하게 방향 설정되는 편광 필터들이 전하 결합 소자(CCD)의 다양한 픽셀들 앞에 배치된다. 이러한 카메라는 3 또는 4 색의 픽쳐와 같이 구성된 디지털 이미지를 생성하지만, 각각의 "색"은 상이한 편광의 강도에 대응될 것이다. 픽셀 당 편광 필터가 경제적으로 만들어질 수 있는지는 분명하지 않다. 카메라는 편광 계측과 일치하는 실제 컬러 이미징(예를 들어, 레드, 블루 및 그린)을 가능하게 하지 않는다. 이러한 일 CCD 칩은 이미지 파일 포맷들에 의해 기대되는 통상의 3개보다는 4개의 "컬러들"(각 편광 당 하나씩)을 출력하도록 설계된다. 이는 폭넓은 수용에 대해 기술적 및 경제적 장벽을 제기한다.

저비용, 경량 및 고신뢰도의 최적의 조합으로 이동 운송 수단(예를 들어, 항공 운송 수단)으로부터 시각적 편광 계측 데이터를 수집하기 위한 향상된 수단 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

개시된 발명의 요지는, 편광 필터를 갖는 또는 갖지 않는 단일 카메라를 이용하여 편광 계측 데이터를 획득할 수 있는 시스템들을 포함한다. 편광 필터가 사용될 때, 데이터 획득 방법은: (1) 이미지들이 캡쳐링될 때 다양한 방향으로 편광 필터(및 카메라)를 방향 설정하기 위해 항공기(또는 다른 운송 수단)를 조종하는 단계, (2) 다양한 이미지들을 서로 레지스터링하는 단계, 및 (3) 이미지들에서 관심 있는 포인트들에 대한 편광 계측 값들(이를테면, 스토크스 파라미터들)을 계산하는 단계를 포함한다. 편광 필터가 사용되지 않을 때, 데이터 획득 방법은, 이미지들이 캡쳐링될 때 다양한 방향들로 카메라를 방향 설정하기 위해 항공기(또는 다른 운송 수단)를 조종하여 컴퓨터 시스템에서 동일한 동작들 (2) 및 (3)을 수행하는 단계를 포함한다. 이러한 방법들은 상이한 각들에서 다수의 카메라 이미지들을 촬영함으로써 주어진 풍경에서 편광의 양을 측정한다.

본 명세서에 개시된 발명의 요지의 일 양상은 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법이며, 이 방법은: (a) 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함하는 카메라의 시야(field of view)에 선형 편광 필터를 배치하는 단계; (b) 단일 포지션에 근접하지만 상이한 세 방향들―세 방향들 각각에 대해 풍경은 카메라의 시야 내에 있음―로 카메라 및 선형 편광 필터를 연속적으로 로케이팅하는 단계; (c) 카메라 및 선형 편광 필터가 각각 상이한 세 방향들에 있는 동안 제 1 내지 제 3 필터링된 이미지들을 캡쳐링하는 단계; (d) 제 1 내지 제 3 필터링된 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 카메라로부터 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및 (e) 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들로부터 풍경의 하나 이상의 포인트의 편광을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다. 이 방법은 운송 수단에 카메라 및 선형 편광 필터를 장착하는 단계를 더 포함하며, 단계(b)는, 운송 수단을 조종하는 단계, 및/또는 단계(e)를 수행하기 전에 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계를 포함한다. 개시된 실시예에서, 단계(e)는 스토크스 파라미터들을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상이한 세 방향들 중 제 1 두 방향에 대한 기준에 관하여 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 45°의 홀수 배만큼 상이하며, 상이한 세 방향들 중 제 2 두 방향에 대한 기준에 관하여 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 90°만큼 상이하다.

본 명세서에 개시된 발명의 요지의 다른 양상은 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템이며, 이 시스템은, 무인 운송 수단; 무인 운송 수단에 온보드된 카메라 ―이 카메라는 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함함―; 센서들의 어레이의 적어도 제 1 부분의 앞에 배치된 제 1 선형 편광 필터; 조종들을 수행하기 위해 무인 운송 수단을 제어할 수 있는 무인 운송 수단 제어 시스템 ― 무인 운송 수단 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 무인 운송 수단 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생(occurrence)들 각각에 대해 특정 포지션에 또는 그 부근에, 그리고 서로 상이하지만 각각이 카메라의 시야 내에 풍경을 위치시키는 제 1, 제 2 및 제 3 방향들에 무인 운송 수단을 포지셔닝하기 위해 무인 운송 수단을 제어하도록 구성됨―; 및 무인 운송 수단에 온보드되어 배치되며, 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하고 그 다음 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 출력할 수 있는 카메라 제어 시스템을 포함하며, 카메라 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 카메라 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각 동안 타겟 풍경의 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하도록 구성된다. 시스템은 이미징 데이터를 프로세싱할 수 있는 이미징 데이터 프로세싱 시스템을 더 포함할 수 있고, 이미징 데이터 프로세싱 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템의 소프트웨어는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하고 이미징된 풍경에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 구성된다.

추가의 양상은 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법이며, 이 방법은: (a) 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함하는 카메라의 편광 파워를 특성화하는 단계; (b) 단일 포지션에 근접하지만 상이한 세 방향들―세 방향들 각각에 대해 풍경은 카메라의 시야 내에 있음―로 카메라를 연속적으로 로케이팅하는 단계; (c) 카메라가 각각 상이한 세 방향들에 있는 동안 제 1 내지 제 3 이미지들을 캡쳐링하는 단계; (d) 제 1 내지 제 3 캡쳐링된 이미지들을 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 카메라로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및 (e) 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들로부터 풍경의 하나 이상의 포인트의 편광을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다. 개시된 실시예에서 단계(a)는 제 1 및 제 2 뮐러 매트릭스 엘리먼트들을 결정하는 단계를 포함한다. 일 구현에서, 단계(a)는 센서들의 어레이 상의 적어도 두 포지션들에 대해 제 1 뮐러 매트릭스 엘리먼트 및 제 2 뮐러 매트릭스 엘리먼트 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하며, 이 포지션들은 렌즈의 중앙을 통과하는 광에 대한 상이한 입사각들에 대응한다.

다른 양상은 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템이며, 이 시스템은, 무인 운송 수단; 무인 운송 수단에 온보드된 카메라 ―이 카메라는 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함함―; 조종들을 수행하기 위해 무인 운송 수단을 제어할 수 있는 무인 운송 수단 제어 시스템 ― 무인 운송 수단 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 무인 운송 수단 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각에 대해 특정 포지션에 또는 그 부근에, 그리고 서로 상이하지만 각각이 카메라의 시야 내에 풍경을 위치시키는 제 1, 제 2 및 제 3 방향들에 무인 운송 수단을 포지셔닝하기 위해 무인 운송 수단을 제어하도록 구성됨―; 및 무인 운송 수단에 온보드되어 배치되며, 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하고 그 다음 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 출력할 수 있는 카메라 제어 시스템을 포함하며, 카메라 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 카메라 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각 동안 타겟 풍경의 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하도록 구성된다. 시스템은 이미징 데이터를 프로세싱할 수 있는 이미징 데이터 프로세싱 시스템을 더 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템의 소프트웨어는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하고 카메라의 편광 파워의 특성화를 나타내는 저장된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 이미징된 풍경에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 구성된다.

또 다른 양상은 풍경으로부터의 광의 편광을 측정하기 위한 방법으로, (a) 단일 포지션에 근접하게 포지셔닝되고 연속적인 상이한 방향 각들로 방향 설정된 카메라를 사용하여 풍경의 연속적인 이미지들을 캡쳐링하는 단계 ―여기서, 상이한 입사각들 및 상이한 방향 각들에서 카메라의 편광 파워를 특성화하는 일 세트의 매트릭스들이 알려져 있고 카메라의 센서들의 어레이와 풍경 사이에 편광 필터가 존재하지 않음―; (b) 캡쳐링된 이미지들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계; 및 (c) 알려진 매트릭스들 및 레지스터링된 캡쳐링된 이미지들에 기초하여 풍경에서 관심있는 하나 이상의 포인트로부터의 광에 대한 편광 계측 값들을 컴퓨팅하는 단계를 포함하며, 단계 (b) 및 (c)는 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 시스템을 이용하여 수행된다. 일 실시예에 따라, 매트릭스는 뮐러(Mueller) 매트릭스이며 컴퓨팅된 편광 계측 값들은 스토크스 파라미터들인데; 편광 계측 값들은 편광의 각 및 강도를 포함하며; 풍경은 카메라의 광축들을 중심으로 상이한 세 방향 각들로 이미징되며, 이 상이한 방향 각들은 45도의 각 간격으로 배치된다.

본 명세서에 개시된 발명의 요지의 추가의 양상은, 특정한 방향 각 및 충돌(impinging) 광의 특정 입사각에서 센서들의 초점면(focal plane) 어레이 및 렌즈를 갖는 카메라의 편광 파워를 특성화하기 위한 경험적 방법이며, 이 방법은: (a) 비편광된 광을 방출하는 타겟을 제공하는 단계; (b) 매개 편광 필터 없이 그리고 타겟의 일부가 초점면 어레이의 중앙의 센서들로 프로젝팅되게 카메라를 타겟에 조준하는 단계; (c) 카메라가 단계 (b)에서 설명된 상태에 있는 동안 기준 이미지(reference image)를 캡쳐링하는 단계; (d) 초점면 어레이의 중앙의 센서에 의해 생성된 픽셀에 인접한, 기준 이미지의 픽셀들의 세트에 대한 기준 픽셀 값들의 세트를 계산하는 단계; (e) 매개 편광 필터 없이 그리고 타겟의 일부가 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서들로 프로젝팅되게 카메라를 타겟에 조준하는 단계; (f) 카메라가 단계 (e)에 설명된 상태에 있는 동안 제 1 이미지를 캡쳐링하는 단계; (g) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 의해 생성된 픽셀에 인접한, 제 1 이미지의 픽셀들의 세트에 대한 픽셀 값들의 제 1 세트를 계산하는 단계; (h) 카메라와 타겟 사이에 선형 편광 필터를 배치하는 단계; (i) 카메라가 단계 (e) 및 (h)에 설명된 상태에 있는 동안 제 2 이미지를 캡쳐링하는 단계; (j) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 의해 생성된 픽셀에 인접한, 제 2 이미지의 픽셀들의 세트에 대한 픽셀 값들의 제 2 세트를 계산하는 단계; (k) 기준 픽셀 값들의 세트 및 픽셀 값들의 제 1 세트에 기초하여 매트릭스의 제 1 엘리먼트를 계산하는 단계; 및 (l) 적어도 기준 픽셀 값들의 세트 및 픽셀 값들의 제 2 세트들에 기초하여 매트릭스의 제 2 엘리먼트를 계산하는 단계를 포함한다. 전술한 방법은: (m) 선형 편광 필터를 90°만큼 회전하는 단계; (n) 카메라가 단계 (e) 및 (m)에 설명된 상태에 있는 동안 제 3 이미지를 캡쳐링하는 단계; 및 (o) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 의해 생성된 픽셀에 인접한, 제 3 이미지의 픽셀들의 세트에 대한 픽셀 값들의 제 3 세트를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 단계 (l)에서, 적어도 기준 픽셀 값들의 세트 및 픽셀 값들의 제 2 및 제 3 세트들에 기초하여 매트릭스의 제 2 엘리먼트가 계산된다. 게다가, 경험적 방법은, 기준 픽셀 값들의 세트와 픽셀 값들의 제 2 및 제 3 세트들에 기초하여 강도 계수를 컴퓨팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 단계 (h)는 선형 편광 필터의 편광 축이 카메라 렌즈 중앙의 표면(surface plane) 또는 카메라 렌즈 중앙의 입사면 중 하나에 평행하게 선형 편광 필터를 방향 설정시키는 단계를 더 포함한다.

선행 기술의 해결책들과 비교하여, 본 명세서에 설명된 시스템들은 이하의 장점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다. (1) 개시된 시스템들은 필터 휠이나 회전 편광자를 갖지 않기 때문에, 더 가벼운 무게, 더 낮은 비용 및 (이동부가 항공기에 부가되지 않기 때문에) 더 높은 신뢰도를 가질 수 있다. (2) 개시된 시스템들은 더 적은 카메라들을 채용하기 때문에 더 가벼운 무게 및 더 낮은 비용을 가질 수 있고, 결국 더 적은 전자 컴포넌트들 및 전기적 접속들을 가져서 더 높은 신뢰도를 초래한다. (3) CCD 상에 편광 필터들을 포함하는 최근의 개발들에 대조적으로, 개시된 시스템들은 새로운 전자 제조 프로세스들의 개발을 요구하지 않아서, 상이한 애플리케이션들에 이를 구현하기 위한 타임라인 및 비용 면에서 더 적합하다. 실제 컬러 이미징(예를 들어, 레드, 블루 및 그린)은 사용자들에게 인기가 있고, 일부 애플리케이션들에서 요구된다. 개시된 시스템들은 편광 계측과 동시에 실제 컬러 이미징을 가능하게 한다. CCD 상의 편광 필터들은 이를 가능하게 하지 않는다. 본 명세서에 개시된 시스템들에 사용된 필터는 대부분의 실시예들에서 제거가 용이하며, 결국 동일한 카메라를 이용하여 동일한 해상도로 효율적인 비편광된 이미징을 가능하게 한다. CCD에 부착된 편광 필터들은 제거하기가 어렵거나 불가능해서, 비편광된 이미징은 제 2 카메라를 이용(비용 발생)하거나 상이한 편광들을 갖는 이웃 픽셀들의 강도들을 합산(더 낮은 포토닉 효율 및 더 낮은 해상도)함으로써 오직 이용가능하다.

이미지들에서 광의 편광을 측정하기 위한 개선된 시스템들 및 방법들의 다른 양상들이 이하에서 설명된다.

도 1a, 1b 및 1c는 항공기가 카메라를 방향 설정하기 위해 조종될 때 각 방향들에서 타겟 풍경 위에 놓인 카메라 픽셀 그리드를 각각 보여주는 도면이다. 카메라 픽셀 그리드의 코너의 어두운 스폿은 모든 이미지들에서 동일한 픽셀을 마킹한다. 양방향 화살표는 각각의 선형 편광 필터 방향들에 대응하는 각각의 편광 각들을 나타낸다.
도 2a, 2b 및 2c는 도 1a, 1b 및 1c에 각각 도시된 예들에서 캡쳐링되는 이미지들을 도시한다.
도 3은 원근감(perspective)이 이미지의 중앙에 있지 않은 픽셀들에 대한 편광자 방향을 왜곡한다는 사실을 도시하는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 하향(downward-facing) 카메라를 가진 이상적인 고정익 항공기의 평면도 및 측면도를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4a 및 4b에 도시된 고정익 항공기에 대한 비행 경로를 보여주는 도면으로, 이 비행 경로는 타겟 위를 3번 연속하여 통과(pass)하는 동안 카메라에 장착된 편광 필터를 방향 설정하기 위한 진로(heading)의 변경을 포함한다.
도 6a 및 6b는 편광 필터를 구비한 전방을 향하는 카메라를 갖는 이상적인 고정익 항공기의 측면도 및 정면도를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 고정익 항공기(20)에 대한 비행 경로를 도시하며, 이 비행 경로는 타겟을 향하는 직선 경로(즉, 시선)를 따라 비행하는 동안 편광 필터를 갖는, 전방을 향하는 카메라를 방향 설정하기 위한 뱅크 각(bank angle)의 변화를 수반한다.
도 8은 도 6a 및 도 6b에 도시된 고정익 항공기에 대한 비행 경로를 보여주는 도면으로, 이 비행 경로는 타겟으로의 초기 시선을 따라 놓인 동일한 포지션을 3회 연속 통과하는 동안 편광 필터를 갖는, 전방을 향하는 카메라를 방향 설정하기 위한 진로의 변경 및 뱅크 각의 변경을 수반한다.
도 9는 편광 필터가 카메라 내부의 픽셀들의 초점면 어레이의 일부 위에 놓인 카메라 구성을 보여주는 도면이다.
도 10은 초점면 어레이의 일부 위에 놓인 편광 필터의 정면도를 나타내는 도면이다. 이는 카메라가 도 9의 라인 10-10으로 표시된 평면을 따라 절단된 경우 보여질 수 있는 뷰이다.
도 11은 일 실시예에 따라, 초점면 어레이의 각 이분면(halves) 위에 놓인 두 선형 편광 필터들의 정면도를 나타내는 도면이다. 두 선형 편광 필터들은 서로에 대해 수직하게 방향 설정된다.
도 12는 초점면 어레이의 각 사분면 위에 놓인 4개의 편광 필터들의 정면도를 나타내는 도면이다. 4개의 편광 필터들 중 3개는 상이한 방향들로 선형적인 반면, 4번째 편광 필터는 원형이다.
도 13은 전형적인 2축 짐벌 장착 카메라의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 13a는 도 13에 도시된 짐벌 장착 카메라의 단면도를 나타내는 도면이다. 짐벌은 도 13에서 라인 13A-13A로 표시된 평면을 따라 절단된다.
도 14는 카메라에 부착된 편광 필터의 방향을 변경하는 것을 용이하게 하도록 설계된 짐벌 장착 카메라의 평면도는 나타내는 도면이다.
도 14a는 도 14에 도시된 짐벌 장착 카메라의 단면도를 나타내는 도면이다. 짐벌은 도 14의 라인 14A-14A로 표시된 평면을 따라 절단된다.
도 14b는 짐벌 장착 카메라를 이전 짐벌 고도 축을 중심으로 90°만큼 회전한 이후의 짐벌 장착 카메라의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 15는 반구형 포탑(ball turret)에 짐벌 카메라(gimbaled camera)를 구비한 무인 항공기의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 16은 카메라의 응시 범위의 일부를 편광시키기 위해 반구형 포탑 상에 설치된 편광 필터 및 반구형 포탑에 짐벌 카메라를 구비한 무인 항공기의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 17a 및 17b는 광이 수직 입사로 유리에 부딪칠 때 편광이 없고(도 17a), 비스듬한(oblique) 입사 시 s-편광된 광의 더 강한 반사 ―이는 투과된 빔에서 p-편광된 광을 증가시킴― 가 있음(도 17b)을 각각 보여주는 도면이다.
도 18a 내지 18c는 각각의 상이한 픽셀 포지션들에 대응하는, 광축으로부터 상이한 각들

= 0 (도 18a), ~20°(도 18b) 및 ~40°(도 18c)에서 렌즈에 의한 상이한 편광을 각각 도시하는 도면이다.
도 19는 초점면 어레이 상의 물체 이미지의 상이한 포지션들에 대응하는, 상이한 각들로 렌즈를 통과하는 광의 상이한 편광을 보여주는 도면이다. 타원 이심률은 편광도(degree of polarization)를 나타내며; 타원 방향은 편광 방향을 나타낸다.
도 19a 내지 19c는 상이한 픽셀 포지션들에서의 풍경 물체의 상이한 강도들을 각각 보여주며, 수직하게 편광된 광(도 19a), 수평하게 편광된 광(도 19b) 및 비편광된 광(도 19c)에 대해 풍경 물체의 편광(라인 폭은 강도를 나타냄)을 나타내는 도면이다.
도 20a는 각

로 틸팅된(tilted) 렌즈들 및 비 틸팅된 렌즈들의 단면도를 나타내는 도면이다. 이러한 렌즈들은 도 20b에서 라인 20A-20A로 표시된 평면을 따라 절단된다.
도 20b는 도 20a에 도시된 렌즈들 및 상이한 방향들(

)로 틸팅된 다른 렌즈들의 정면도를 보여주는 도면이다.
도 20c는 도 20b에 도시된 렌즈들과 동축으로 장착된 초점면 어레이 상으로 프로젝팅되는 물체 이미지들을 나타내는 도면이다. 각(

)은 초점면의 중앙을 중심으로 각 포지션에 대응한다.
도 21a는 렌즈 축에 평행한 광이 렌즈의 중심에서 편광되지 않고 렌즈의 에지에서 단지 약하게 편광되는 것을 보여주는 도면이다.
도 21b는 큰 각으로 도달한 광이 렌즈의 모든 포인트들에서 더 강한 편광을 초래하는 것을 나타내는 도면이다. (편광도는 렌즈 표면에 걸쳐 약간 변화하며; 오직 중앙 빔만이 도시된다.)
도 22는 전형적인 이너(inner) 포커스 타입 렌즈 시스템의 기본 배열을 보여주는 도면이다.
도 23은 전형적인 CCD에서 초점면 어레이의 단면도를 보여주는 도면이다.
도 24는 CCD를 갖는 카메라를 특성화하기 위한 실험적 셋업을 보여주는 도면이다.
도 25는

= 0°에서 획득된 기준 이미지에서 타겟의 일부의 근접도를 보여주는 도면이다.
도 26은 고정된 하향 카메라로부터 편광 필터가 제거된 것을 제외하고, 도 4a 및 4b에 도시된 타입의 고정익 항공기에 대한 비행 경로의 3개의 루프들을 보여주는 도면이다. 항공기는 타겟 바로 위를 비행하는 동안 서향 45°, 북서향 45°, 및 북향 45°의 뱅크 각들로 카메라를 뱅킹하기 위해 3회의 조종을 수행한다.
도 27은 일 실시예에 따라, 편광 계측 데이터 획득 시스템의 주요 컴포넌트들을 나타내는 블록도이다.
본 개시에 도시된 각각의 도면은 제시된 실시예들의 양상의 변화를 도시하며, 차이들만이 상세하게 논의될 것이다.
이하에서, 상이한 도면들의 유사한 엘리먼트들이 동일한 참조 번호를 갖는 도면들에 대해 참조가 이뤄질 것이다.

다양한 실시예들이 본 명세서에 교시된 원리들의 다양한 애플리케이션들을 예시하기 위해 설명될 것이다. 도면들에 도시되고 이하 상세하게 설명된 실시예들이 카메라를 항공기(예를 들어, UAV와 같은 고정익 항공기 또는 헬리콥터 같은 회전익 항공기)에 장착하는 것을 포함하지만, 본 명세서에 교시된 원리들이 우주선 및 무인 잠수정(UUV)들에도 또한 적용될 있다는 것이 처음부터 이해되어야 한다.

일부 실시예들에 따라, 이미징된 타겟에 대한 편광 값들을 획득하기 위한 시스템은: 항공기; 3차원 포지션(예를 들어, 경도, 위도 및 해발 높이)으로 비행하고 이후에 대략적으로 동일한 포지션을 적어도 2회 항공기로 리턴할 수 있고, 또한 이 포지션에서 항공기 방향을 측정하여 항공기가 동일한 포지션으로 리턴할 때 상이하게 선택된 방향으로 항공기를 세팅할 수 있는 온보드 네비게이션 및 제어 시스템; 항공기에 대해 알려진 방향을 갖는 온보드 카메라; 카메라에 대해 알려진 고정된 방향을 갖는 온보드 선형 편광 필터; 항공기가 선택된 방향들 중 하나를 갖는 선택된 포지션에 도달할 때 이미지들을 캡쳐링하도록 카메라를 제어할 수 있는 온보드 제어 시스템; 이미지들을 레지스터링하고 이미징된 타겟에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 프로그래밍된, 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터(온보드되거나 지상에 있음); 및 카메라 이미지들을 컴퓨터로 전달하기 위한 수단을 포함한다.

일련의 이미지들을 촬영하는 동안 한 위치에서 호버링(hover)할 수 없는 고정익 항공기에 장착된 카메라 및 편광 필터를 갖는 이러한 실시예들의 경우, 주요한 프로세스 단계들은: (a) 일 포지션 ―이 포지션으로부터 카메라의 시야에 타겟이 있음― 을 향해 항공기를 비행시키는 단계; (b) 상기 포지션에 도달하기 전에, 타겟으로의 시선을 중심으로 제 1 필터 방향에 대응하는 제 1 항공기 방향으로 항공기를 방향 설정하는 단계; (c) 항공기가 상기 포지션 및 제 1 항공기 방향에 있는 동안 타겟의 제 1 이미지를 캡쳐링하는 단계; (d) 동일한 포지션을 향해 항공기를 다시 비행시키는 단계; (e) 두 번째로 상기 포지션에 또는 그 부근에 도달하기 전에, 상기 타겟으로의 시선을 중심으로 제 2 필터 방향에 대응하는 제 2 항공기 방향으로 항공기를 방향 설정하는 단계; (f) 항공기가 상기 포지션에 또는 그 부근에 그리고 제 2 항공기 방향에 있는 동안 타겟의 제 2 이미지를 캡쳐링하는 단계; (g) 항공기를 동일한 포지션을 향해 다시 비행시키는 단계; (h) 세 번째로 상기 포지션에 또는 그 부근에 도달하기 전에, 상기 타겟으로의 시선을 중심으로 제 3 필터 방향에 대응하는 제 3 항공기 방향으로 항공기를 방향 설정하는 단계; (i) 항공기가 상기 포지션에 또는 그 부근에 그리고 제 3 항공기 방향에 있는 동안 타겟의 제 3 이미지를 캡쳐링하는 단계; (j) 이미지 데이터 및 세 방향들을 규정하는 데이터를 컴퓨터로 전달하는 단계; (k) 이미지들을 서로에 대해 기하학적으로 레지스터링하기 위해 계산들을 수행하는 단계; 및 (l) 타겟의 이미지에 대해 스토크스 파라미터들과 같은 편광 파라미터들을 계산하는 단계를 포함한다. 상이한 카메라 방향들로의 항공 운송 수단의 각각의 통과 동안 카메라가 동일한 포지션에 정밀하게 있는 것이 선호되지만, 항공 운송 수단 분야의 당업자는 이러한 정밀성이, 사용되는 포지셔닝 시스템, 바람 상태 및 기타 요인들의 정확도에 의존한다는 것을 인식할 것이다.

임의의 시스템을 상세하게 설명하기 전에, 편광자가 타겟에 대해 전형적으로, 상이한 세 방향들을 갖는 이유를 생각해 보는 것이 도움이 될 수 있다. 일부 타겟으로부터 도달하는 부분적으로 편광된 광을 생각해 보자. 일단은 원형 편광이 제로라고 가정하면, 오직 선형 편광이 관심 대상이다. 시스템 사용자는 타겟으로부터 얼마나 많은 광이 편광되고 얼마나 많이 비편광되는 지를, 그리고 편광된 광의 방향이 무엇인지를 알기를 원한다.

전술한 이슈들을 해결하기 위해, 우선 일 편광 각에서 광의 강도가 측정될 수 있다. 각이 수직이고 이를 각 제로라고 칭하기로 가정한다. 1 유닛의 강도가 측정된다고 가정한다. 이어 90°의 편광 각, 즉 수평 편광에서 강도가 측정될 수 있다. 이 강도도 또한 1 유닛이다. 이 두 측정들로는, (1) 2 유닛들의 강도로 광이 완전히 비편광되는지, (2) 2 유닛들의 강도로 광이 45°에서 편광되는지 또는 (3) 2 유닛들의 강도로 광이 135°에서 편광되는지가 결정될 수 없다. 이는 일반적인 문제이다: 선택되는 두 각들과 무관하게, 두 측정들은 결코 충분하지 않다. 모호성을 해결하기 위해, 바람직하게는 45°또는 135°의 편광 각에서 제 3 측정이 행해진다. 45°가 사용되는 것으로 가정한다. 제로의 강도가 측정되면, 이는 광이 135°에서 100% 편광되는 것을 나타낸다. 2 유닛들의 강도가 측정되면, 이는 광이 45°에서 100% 편광되는 것을 나타낸다. 1 유닛의 강도가 측정되면, 이는 광이 100% 비편광되는 것을 나타낸다. 제로와 2 유닛들 사이의 다양한 비정수 값들은 부분 편광 및 편광된 부분의 각을 나타낸다.

타겟 풍경에 대한 정보가 하나의 측정을 생략하게 하는 경우들이 존재한다. 예를 들어, 광학적으로 등방성 재료로 만들어진 볼록한 물체를 조사하는 단일의 비편광 광원만이 존재하는 경우, 광학적 강도를 측정하기 위해 요구되는 단지 두 방향들은 물체의 표면의 패치(patch)에 평행한 방향과 이 패치에 수직인 방향이다. 표면에 대해 45°로 편광되는 광은 존재할 수 없다. 그러나 이러한 경우들은 드문데: 대부분의 애플리케이션들의 경우, 상이한 세 방향들에서 강도가 측정될 필요가 있다. 이러한 방향들은 45°의 홀수 및 짝수 정수 배들만큼 분리될 필요는 없지만, 이럴 경우, 관련된 계산은 가장 쉽다.

당업자는 편광이 선형일 뿐만 아니라 원형 컴포넌트들을 포함한다는 것을 알고 있다. 본 명세서에 상세하게 개시된 실시예들 대부분은 실용적으로 적은 비용과 함께 간략화를 위해 원형 편광을 무시한다. 원형 편광은 드물다. 심지어 원형 편광이 발생하는 경우에도, 원형으로 편광된 광을 생성하기 위해 조치들이 취해지지 않는다면, 원형 편광은 보통 매우 약하다.

편광의 주어진 상태를 수학적으로 설명하기 위한 몇몇 등가의 방식들이 존재한다. 이러한 기술들 중 하나는 스토크스 파라미터들로 지칭되는 4개의 파라미터들을 사용한다. 이러한 기술은 다양한 각들에서의 강도 측정들의 세트에 관련시키기에 가장 쉬워서, 스토크스 파라미터들이 본 개시에서 언급된다. 스토크스 파라미터들은 대개 스토크스 벡터로 지칭되는 4-엘리먼트 벡터에 함께 수집된다.

제 4 스토크스 파라미터는 원형 편광의 척도이다. 본 명세서에 설명된 실시예들은 대부분 원형 편광을 무시하기 때문에, 본 개시는 제 1 세 스토크스 파라미터들에 중점을 둔다. 본 명세서에 사용된 "스토크스 파라미터들" 및 "스토크스 벡터"라는 용어는 각각 전형적으로 제 1 세 파라미터들 또는 이러한 파라미터들로 이뤄진 3-엘리먼트 벡터만을 의미한다.

4개의 스토크스 파라미터들은 I, Q, U 및 V로 명시된다. 제 1 세 스토크스 파라미터들은 아래와 같은 강도 측정들로부터 계산된다:

여기서, Int₀, Int₄₅, Int₉₀ 및 Int₁₃₅는 첨자로 표시된 각들에서 측정되고 각 단위로 측정된 강도들이다. 설명된 실시예들에서, 시스템은 세 번의 측정들만을 실시한다. 나머지 3개의 강도들로부터 임의의 강도 값이 계산될 수 있는데, 예를 들어, Int₀, Int₄₅ 및 Int₉₀이 주어지면, 식(1)의 우변을 이용하여 Int₁₃₅가 계산될 수 있다:

일단 카메라에 관련한 각들을 기초로 스토크스 파라미터들이 계산되면, 이들은 임의의 다른 기준 좌표계(frame of reference)의 관점에서 편광을 설명하기 위해 수학적으로 변환될 수 있다.

본 개시에서 "스토크스 파라미터들"이란 용어의 사용에도 불구하고, 편광 값들을 결정하기 위해 사용되는 계산들이 스토크스 파라미터들만을 이용하는 것에 제한되지 않고, 즉, 계산들은 편광의 임의의 수학적 표현에 기초할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

본 명세서에 설명된 방법은 운송 수단에 장착된 카메라를 이용하여 타겟으로부터 편광 계측 데이터를 획득하는 것과, 적절하게 프로그래밍된 컴퓨터 시스템을 이용하여 획득된 데이터를 프로세싱하는 것을 수반한다. 카메라는 카메라 렌즈에 대해 고정된 포지션을 갖도록 부착된 편광 필터를 갖는다.

도 1a, 1b 및 1c는, 항공기가 카메라를 방향 설정하기 위해 조종될 때 각 방향들에서 타겟 풍경(12) 위에 놓인 카메라 픽셀 그리드(10)를 도시한다. 이 예에서, (양방향 화살표들로 표시된) 각각의 편광 각들은 +45°(도 1a), 0°(도 1b) 및 -45°(도 1c)이다. 카메라 픽셀 그리드(10)의 코너의 어두운 스폿은 모든 이미지들에서 동일한 픽셀을 마킹한다.

도 2a, 2b 및 2c는 도 1a, 1b 및 1c에 각각 도시된 예들에서 캡쳐링된 이미지들을 도시한다. 상대적으로 흐리게 음영된 삼각형 및 삼각형과 부분적으로 중첩하는 상대적으로 어둡게 음영된 직사각형은 타겟 풍경(12)에서의 타겟 물체의 이상화된 피쳐들을 나타낸다. 각각의 편광 각들은 역시 양방향 화살표들로 표시된다.

편광 계측 데이터가 획득된 후, 이 데이터는 데이터 프로세싱을 위해 컴퓨터 시스템으로 전달된다. 도 2a-2c를 참조하면, 각 픽셀에서의 그레이스케일 값은 각각의 이미지에 대해 도시된 방향을 갖는 편광된 광의 강도에 비례한다. 풍경의 주어진 포인트에 대한 스토크스 벡터를 결정하기 위해, 컴퓨터는 식(1)-(4)로부터의 공식을 이용하여, 풍경의 동일한 포인트에 대응하는 픽셀들에 대한 강도 값들 ―3개의 이미지들 각각으로부터 적어도 하나― 을 사용하여 계산들을 수행한다. 둘 또는 그 이상의 이미지들에 걸쳐 픽셀들을 정렬하는 프로세스는 본 명세서에서 "이미지 레지스트레이션(image registration)"으로 지칭될 것이다. 이미지 레지스트레이션에 대한 많은 방법들이 기술 분야에 잘 알려져 있다. 본 명세서에 개시된 시스템들에 따라, 카메라의 포지션 및 방향에 대한 데이터는 통상적으로 모든 각각의 이미지에 이용가능하다. 따라서, 이러한 데이터를 활용하는 이미지 레지스트레이션 방법들이 전형적으로 선호된다.

본 개시의 이 지점까지는, 편광자 방향이 이미지에 걸쳐 일정한 것처럼 논의되었다. 원근감이 이미지 중앙에 있지 않은 픽셀들에 대한 편광자 방향을 왜곡한다는 사실을 그래픽적으로 도시하는 도 3에 도시된 바와 같이, 편광자 방향은 이미지에 걸쳐 일정하지 않다. 수직축은 고도인 한편, 수평축은 방위각이다. 이 그래프는 카메라 렌즈(미도시) 앞에 수평 방향으로 평평한 편광 필터(도 3에 미도시)를 배치한 효과를 도시한다. 편광 각은 양방향 화살표로 표시된다. "로컬 편광자 방향"으로 명시된 두꺼운 곡선들은 이미지의 각 포인트에서의 결과적인 편광을 도시한다. 이미지의 수직축을 따라, 편광은 수평이다. 마찬가지로 이미지의 수평축을 따라, 편광은 수평이다. 그러나 편광자가 좌측 및 우측으로 무한하게 멀리 연장하고 카메라가 방위각의 180°에 걸치는 이미지를 형성할 수 있다고 상상하면, 광학적 원근감에 의해 왜곡된 "수평" 편광의 라인들을 보게 된다. 극좌 및 극우에서, 라인들은 광학적 무한대로 사라진다. 이미지의 중앙과 이미지의 에지 사이에서, 편광자 ―이를 통해 광이 카메라의 초점면으로 나아감― 의 로컬 방향은 수평이지 않다. 도 3의 수평 라인은 각각의 방위각 포지션에서의 로컬 수평선을 도시한다. (이러한 이미지는 높은 해발 고도에서 촬영되어서 지구의 둘레가 0-고도 라인 아래에 있는 것으로 가정되었다.) 로컬 수평선은 편광자 방향과 평행하지 않다. 몇 도의 폭보다 큰 임의의 이미지의 경우, 편차가 상당해서 수학적으로 처리되어야 한다.

이미지의 각 포인트에서 실제 편광자 방향을 계산하는 방법들은 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 본 명세서에서 "편광 파라미터들의 계산"으로 불리는 프로세스 단계는 이러한 방법들 중 하나 또는 그 이상을 응용한다.

본 명세서에 개시된 원리들에 따라 이미지에서 광의 편광을 측정하기 위해 편광 필터를 사용하는 시스템들 및 방법들이 많은 방식들로 실시될 수 있다. 적절한 실시예들의 다양한 예들이 이제 상세하게 설명될 것이다.

제 1 실시예 .

도 4a 및 4b는 단일의 하향 카메라(16)가 고정 장착되어 있는 이상적인 고정익 항공기(20)의 평면도 및 측면도이다. 편광 필터(18)는 카메라에 대해 고정된 포지션을 갖고 카메라 렌즈(미도시)의 앞에 배치되는 방식으로 장착된다. 편광 각은 도 4a에서 양방향 화살표로 표시된다.

도 5는 도 4a 및 4b에 도시된 고정익 항공기(20)에 대한 비행 경로를 도시하며, 이 비행 경로는 타겟(22) 위를 3번 연속하여 직선 통과하는 동안 편광 필터를 방향 설정하기 위한 진로의 변경을 수반한다. 연속한 통과들은 각각 ①, ② 및 ③으로 표시된다. 3회 통과에 대한 편광 각들은 도 5에서 각각 양방향 화살표들로 표시된다.

도 5에서 볼 수 있듯이, 항공기는 동일한 타겟 풍경으로부터 상이한 필터 방향들을 갖는 이미지들을 캡쳐링하기 위해 십자형 패턴을 갖는 경로를 따라 비행할 수 있다. (편광 필터(18)가 하나 이상의 45°의 홀수 배 및 하나의 45°의 짝수 배만큼 상이한 세 방향들을 따라 방향 설정될 것이라면 다른 비행 경로들이 채용될 수 있다.)

제 2 실시예 .

대안적인 실시예에 따라, 고정된 포지션에 편광 필터를 갖는 하향 지향 카메라가 회적익 항공기에 장착될 수 있다. 회전익 항공기는 한 위치에서 호버링할 수 있기 때문에, 회전익 항공기 파일럿은 타겟이 카메라의 시야에 있는 일 포지션에 회전익 항공기를 포지셔닝 할 수 있고, 이어 그 포지션에서 호버링할 수 있다. 회전익 항공기가 호버링하는 동안, 세 이미지들이 상이한 편향(yaw) 각들에서 카메라에 의해 캡쳐링되기 때문에, 파일럿은 회전익 항공기가 편향되게 할 수 있으며, 그로 인해, 세 이미지들을 캡쳐링하는 동안 편광 필터를 세 방향들로 방향 설정한다.

제 3 실시예 .

또 다른 실시예에 따라, 전방 또는 후미를 지향하는 단일 카메라를 갖는 항공기는 상이한 편광 필터 방향들을 달성하기 위해 뱅크 각들을 이용한다. 도 6a 및 6b는 단일의 전방 지향 카메라(16)가 고정되게 장착되어 있는 이상적인 고정익 항공기(20)의 측면도 및 정면도이다. 편광 필터(18)는 카메라에 대해 고정된 포지션을 갖고 카메라 렌즈(미도시) 앞에 배치되는 식으로 장착된다. 편광 각은 도 6b에서 역시 양방향 화살표로 표시된다.

도 7은 도 6a 및 6b에 도시된 고정익 항공기(20)에 대한 비행 경로를 도시하며, 이 비행 경로는 타겟(22) 쪽으로 지향된 직선 경로(24)(즉, 시선)를 따른 비행 동안 편광 필터를 방향 설정하기 위해 뱅크 각의 변화들을 수반한다. 시선을 따른 연속한 항공기 포지션들은 ①, ② 및 ③으로 각각 표시된다. 항공기(20)의 대응하는 뱅크 각들은 각각의 원 번호의 우측에 도시된다. 항공기의 세 포지션들에 대한 편광 각들은 도 7에서 각각의 양방향 화살표들로 표시된다.

비행기가 90°까지 롤링(roll)할 수 있고 적절한 해상도로 그리고 타겟 특성화에 현저한 변화 없이 타겟의 세 이미지들을 촬영하는 경우, 도 7에 도시된 방법은 적절하다. 제어 시스템은 비행기가 한 쪽으로 45°롤링하도록 명령하고, 카메라가 사진을 촬영하도록 명령하고, 수평으로 롤링하여 다른 사진을 촬영하고, 다른 쪽으로 롤링하여 제 3의 사진을 촬영한다. 이상적으로, 제 2 및 제 3 사진들은 제 1 이미지 포지션으로부터 타겟으로의 시선을 따르는 포지션들에서 발생한다. 이는 카메라가 모든 각각의 이미지에서 거의 동일한 산란 각으로, 그리고 그 결과 동일한 편광으로 광을 샘플링하는 것을 보장한다.

더 높은 정밀도를 필요로 하는 경우, 또는 연기, 먼지, 연무 등이 상당한 양의 광을 산란시키는 경우, 도 8의 방법이 적절하다. 도 8은 도 6a 및 6b에 도시된 고정익 항공기(20)에 대한 비행 경로를 도시하며, 이 비행 경로는, 타겟(22)으로의 초기 시선을 따라 놓인 동일한 포지션을 연속해서 3회 통과하는 동안, 편광 필터(18)를 갖는, 전방을 향하는 카메라(16)(도 6a 참조)를 방향 설정하기 위해 진로의 변화들 및 뱅크 각의 변화들을 수반한다. 비행 경로의 연속한 구간(leg)들은 ①, ②, ③ 및 ④로 각각 표시된다. 제 1 구간 ①은 직선이며 타겟(22)으로의 카메라의 초기 시선과 동일선상에 있다. 타겟(22)의 제 1 이미지가 온보드 카메라에 의해 캡쳐링될 때 항공기(20)는 0°의 뱅크 각을 가질 수 있다. 제 1 이미지가 캡쳐링된 후, 항공기(20)는 제 1 이미지가 캡쳐링되었던 포지션에 대해 지정된 근접 범위(specified proximity) 내에서 되돌아 선회하는 제 2 레그 ②를 따라 좌측으로 회전하여 비행한다. 이러한 제 2 통과 동안, 항공기(20)는, 도 8에서 "~45°좌측 뱅크로 표기된 삽도에 도시된 바와 같이, 타겟(22)의 제 2 이미지가 캡쳐링될 때 45°의 좌측 뱅크 각을 가질 수 있다. 제 2 이미지가 캡쳐링된 후, 항공기(20)는 제 1 이미지가 캡쳐링되었던 포지션에 대해 지정된 근접 범위(specified proximity) 내에서 되돌아 선회하는 제 3 레그 ③을 따라 우측으로 회전하여 비행한다. 이러한 제 3 통과 동안, 항공기(20)는, 도 8에서 "~45°우측 뱅크로 표기된 삽도에 도시된 바와 같이, 타겟(22)의 제 3 이미지가 캡쳐링될 때 45°의 우측 뱅크 각을 가질 수 있다. 제 3 이미지가 캡쳐링된 후, 항공기(20)는 직선 구간 ④를 따라 타겟(22) 쪽을 향해 계속 비행할 수 있다. 상이한 뱅크 각들이지만 동일한 포지션을 통과하는 세 통과들에 대한 편광 각들은 도 8에서 각각 양방향 화살표들로 표시된다. 항공기 네비게이션 정밀도의 한계 내에서, 비행기는 제 1 포토의 포지션으로 선회하여 되돌아 옴으로써 모든 3장의 포토들에 대해 정확하게 동일한 포지션에 카메라를 위치시킨다.

카메라 및 편광 필터를 구비한 항공기는 고정익 또는 회전익을 가질 수 있다. 대부분의 회전익 항공기는 실시예 2에서 처럼 호버링 동안 편향할 수 있지만, 일부는 호버링동안 큰 뱅크 각을 달성할 수 없다. 이러한 회전익 항공기는 도 7 또는 도 8에 도시된 조종을 사용할 수 있다. 그러나, 일부 회전익 항공기는 정지로부터 옆으로 가속함으로써 45°의 뱅크 각을 달성할 수 있다. 이들은 전방향 이동 없이 신속하게 좌측 및 우측으로 이동하면서 이미지들을 캡쳐링할 수 있다.

제 4 실시예 .

전술한 임의의 실시예들의 경우, 하나의 카메라 대신, 항공기에는 서로 대략 평행하게 조준된 두 개의 카메라들이 장착될 수 있으며, 각 카메라는 서로에 대해 대략 90°로 방향 설정된 각각의 고정 편광 필터들을 갖는다. 이러한 배열로 인해, (카메라들의 방향에 따라) 45°회전, 뱅킹 또는 편향은 이전 실시예들에서 요구된 세 조종에서보다는 두 조종에서 모든 선형 스토크스 파라미터들을 획득한다.

제 4 실시예는 제 1 내지 제 3 실시예들에 대해 요구되는 단일 카메라를 능가하는, 추가의 카메라 및 필터에 대한 추가 무게 및 비용을 부과하지만, 제 4 실시예는 세 조종들 대신에 두 조종들만을 이용함으로써 일부 작업이 절감된다. 다수의 카메라들을 사용하는 선행 기술의 해결책에 비해, 이 실시예는 하나 더 적은 카메라를 사용함으로써 무게 및 비용을 다소 절감한다.

제 5 실시예 .

도 9 및 10에 도시된 실시예에서, 카메라(16) 내부의 픽셀들의 초점면 어레이(26)의 일부는 편광 필터(18a)로 커버되고, 일부는 커버되지 않아서 초점면 어레이(26)의 커버되지 않은 부분으로부터 보통의 (비편광) 이미지들이 초래된다. 도 9는 카메라(16) 내부의 픽셀들의 초점면 어레이(26)의 일부 위에 편광 필터(18)가 놓여 있는 카메라 구성을 도시한다. 편광 필터(18)는 접착제(25)를 사용하여 초점면 어레이(26)에 본딩될 수 있다. 초점면 어레이(26)는 차례로 카메라(16)의 하우징의 후벽(30)에 부착된다.

도 10은 초점면 어레이(26)의 일부 위에 놓인 편광 필터(18)의 정면도이다. 편광 필터(18)의 방향은 도 10에서 양방향 화살표로 표시된다. 초점면 어레이(26)의 커버되지 않은 부분은 스토크스 파라미터들을 컴퓨팅하기 위해 사용되는 측정치들 중 하나인 전체 강도를 측정한다. 이는 또한 편광 계측이 요구되지 않을 때 통상의 이미지를 제공한다. 초점면 어레이(26)의 커버된 부분을 타겟에 지향시키고 편광 필터(18)를 적절하게 방향 설정하기 위한 항공기 조종과 함께, 초점면 어레이(26)의 커버된 부분은 하나 또는 두 편광 방향들에서의 강도 측정들을 제공한다.

CCD의 초점면 어레이의 일부 위에 균일한 필터를 위치시키는 것은 특정 필터 방향을 각 픽셀 위에 위치시키는 선행 기술의 해결책에 비해 훨씬 저렴하고 용이하다. 전자의 기술은 한 조각의 플라스틱 또는 유리가 약 1mm의 정밀도로 부착될 것을 요구한다. 작업은 손으로 행해질 수 있고, 항공기에 이미 장착된 카메라를 변형하기 위해 사용될 수 있다. 후자의 기술(선행 기술)은 개별적으로 방향 설정된 거의 백 만개의 필터들이 픽셀 폭의 일부, 예를 들어, 1 미크론(micron) 또는 2 미크론 내에 포지셔닝될 것을 요구한다. 이는 정밀한 전기 광학 제조 시스템들을 요구하고 오직 공장에서만 현실적으로 행해질 수 있다.

대안적인 실시예(미도시)에서, 비편광 부분은 입사광의 약 50%를 투과시키는 중성 밀도 광학 필터(neutral density optical filter)로 커버된다. 풍경이 (대부분의 야외 풍경들에서와 같이) 비편광되거나 단지 약간만 편광되는 경우, 편광 필터가 입사광의 약 50%를 투과시키기 때문에, 50% 그레이 필터는 편광자의 투과율에 거의 부합한다. 투과율에 부합한다는 것은 CCD 이미지의 양 측들이 거의 균등하게 잘 노출되는 것을 의미하며, 이는 이미지 유용성 및 강도 분해능을 향상시킨다.

제 6 실시예 .

도 11에 도시된 실시예에서, 카메라(16)는 초점면 어레이(26)의 각 절반들을 커버하고 초점면 어레이의 앞에 상이한 방향들을 갖는 두 편광 필터들(18a 및 18b)을 갖도록 변형된다. 항공기는 그 광축을 중심으로 회전하기 보다는 초점면 어레이(26)의 각 부분 상에 타겟을 이미징하도록 조정된다. 이는 다수 회의 광범위한 조정보다는 항공기의 1회 또는 수 회의 약간의 재방향 설정으로 다양한 편광의 측정을 가능하게 한다. 전방을 향하는 카메라에 있어서, 도 11의 구성은 상이한 세 편광 각들에서 측정을 하기 위해 진로 또는 피치의 약간의 변경 외에 단지 45°의 롤링만을 필요로 한다.

도 12에 도시된 구성은, 초점면 어레이(26)의 앞에 있으며 각 사분면들을 커버하는, 각각의 방향들을 갖는 3개의 선형 편광 필터들(18c-18e)과 원형 편광 필터(18f)를 포함한다. 이 구성은 3개 또는 4개의 편광 각들에서 측정하기 위해 단지 1° 또는 2°의 진로 또는 피치 변경만을 전형적으로 필요로 한다(즉, 항공기가 롤링할 필요가 없다). 원형 편광 필터(18f)는 원형 편광이 현저한 애플리케이션들에서 최대(full) 스토크스 벡터를 측정할 수 있다. 대안적으로, 원형 편광 필터(18f)에 의해 커버링된 초점면 어레이(26)의 사분면은 비편광된 강도 측정치를 제공하기 위해 중립 밀도 필터로 대신 커버될 수 있다.

제 7 실시예 .

다른 실시예에서, 본 발명은 일부 항공기에서 짐벌 장착 카메라의 존재를 활용한다. 도 13은 렌즈 유닛(28)을 갖는 전형적인 짐벌 장착 카메라(16)의 개략적인 평면도이다. 도 13a는 도 13에 도시된 짐벌 장착 카메라의 단면도로서, 짐벌이 도 13의 라인 13A-13A로 표시된 평면을 따라 절단된다. 짐벌(32)은 서로 직교하는 두 개의 회전 축을 갖는다. 카메라(16)는 짐벌 방위각 축을 중심으로 좌측 및 우측으로 스윙할 수 있고 렌즈 유닛(28)을 상향 및 하향으로 지향시키기 위해 짐벌 고도 축을 중심으로 회전할 수 있다. 이러한 구성에서, 방위각 및 고도 축들은 카메라(16)의 광축에 대해 그리고 서로에 대해 수직이다.

도 14, 14a 및 14b에 도시된 제 7 실시예에 따라, 짐벌 장착 카메라(16)는 카메라(16)의 렌즈 유닛(28)에 부착된 편광 필터(18)의 방향을 변경시키기에 용이하도록 설계되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 카메라(16)는 이전 고도 축이 카메라(16)의 광축에 평행한 방식으로 옆쪽이 짐벌(32)에 장착된다. 이러한 구성에서, 카메라(16)는 이전 고도 축을 중심으로 제 1 각 포지션과 제 2 각 포지션 사이에서 회전할 수 있어서, 도 14a 및 14b에 도시된 바와 같이, 편광 필터(18)가 상향 및 하향으로 스윙하게 한다. 설명의 목적을 위해, 도 14a 및 14b에 도시된 회전량이 90°라고 가정된다. 카메라(16)가 제 1 각 포지션에 있는 경우, 편광 필터(18)는 수평으로 방향 설정되고(도 14a에서 보여짐); 카메라(16)가 제 2 각 포지션에 있는 경우, 편광 필터(18)는 수직으로 방향 설정된다(도 14b에 보여짐). 도 14a 및 14b에서, 직선의 양방향 화살표들은 편광 필터(18)의 각 방향들을 표시하는 한편, 곡선의 양방향 화살표들은 카메라(16)가 제 1 각 포지션과 제 2 각 포지션 사이에서 회전함에 따른 편광 필터의 중앙의 곡선 경로를 표시한다. 편광 필터(18)의 방향을 변경하기 위한 능력은 카메라(16)가 다양한 편광 각들에서 이미지들을 제공할 수 있게 한다. 이러한 제 7 실시예에서, 이전의 고도 축은 더 이상 카메라(16)를 위 및 아래로 조준하지 않는다. 방위각 축은 선행 기술의 디바이스에서 방위각 축이 가졌던 범위의 대략 절반에 걸쳐 좌-우 지향을 계속해서 제공한다. 항공기 조종은 다른 축들에서의 지향을 제공한다.

제 8 실시예 .

도 15는 반구형 포탑(34)의 짐벌(32)(부분적으로 도시됨)에 장착된 카메라(16)를 갖는 무인 항공기(20)의 측면도를 도시한다. 투명한 반구형 포탑(34)(또는 창문)을 통해 외부를 주시하는 짐벌 장착 카메라들의 경우, 반구형 포탑(34)(또는 창문)의 일부는 도 16에 도시된 바와 같이, 카메라의 응시 필드의 일부를 편광시키기 위해 편광 필터(18)에 의해 커버될 수 있다. 통상의 이미징의 경우, 짐벌(32)은 반구형 포탑(34)(또는 창문)의 비필터링된 부분을 통해 밖으로 카메라(16)를 조준하기 위해 사용된다. 편광 계측의 경우, 짐벌(32)은 타겟(도 16에 미도시)에 카메라(16)를 조준하기 위해 사용되고, 항공기는 카메라(16)와 타겟 사이에 편광 필터(18)를 배치하기 위해 방향 설정된다. 다수의 필터 방향들이 요구되면, 항공기(20)는 편광 필터(18)를 방향 설정하기 위해 다른 실시예들에 대해 앞서 설명된 바와 같은 조종을 수행한다.

UAV 운영자들은 반구형 포탑(34)의 아래쪽 후미 부분을 통해서는 카메라(16)를 거의 지향시키지 않는다는 것이 이해된다. 따라서, 편광 필터(18)에 대해 이 포지션을 사용하는 것은 평상시 작동에 최소한의 영향을 줄 수 있지만, 편광 계측 데이터의 획득을 가능하게 한다. 제 3 실시예에서와 같이, 항공기를 좌 또는 우로 롤링하는 것은 필터 방향을 변경시킨다.

도 16은 반구형 포탑(34) 내에 장착된 편광 필터(18)를 도시한다. 이것이 적합하지 않은 경우, 편광 필터(18)는 공기 저항을 최소화하기 위한 적절한 페어링(fairing)을 사용하여 반구형 포탑(34) 외부에 장착될 수 있다.

다른 옵션(도면들에는 미도시)은 편광 필터(18)를 반구형 포탑(34)의 일 측에, 예를 들어, 우측(stardboard side)에 장착하는 것이다. 그 다음, UAV는 좌향 뱅크로 타겟을 반 시계 방향으로 선회하여 보통의 비편광 이미지를 획득할 수 있지만, UAV는 우향 뱅크로 타겟을 시계 방향으로 선회함으로써 편광된 이미지를 획득할 수 있다. UAV의 피치 각의 변경들과 함께, 초점면 상의 다양한 포지션들에서 타겟을 뷰잉하는 것은 다양한 방향들에서 편광 측정들을 허용한다.

이 점에 대해 설명된 실시예들은, 카메라를 이용한 타겟의 이미징 동안 편광 필터의 방향이 변화하도록 운송 수단을 조종하는 원리에 따라 운용된다. 다른 실시예들은 풍경에서 편광된 광의 양을 결정하기 위해 전용 편광 필터 없이 카메라의 광학적 속성들을 활용하는 원리에 따라 운용된다. 일부 실시예들에 따라, 편광 필터를 사용하지 않고 풍경 내의 하나 또는 그 이상의 물체들로부터의 광의 편광을 결정하는 시스템 및 방법이 제공된다. 물체들이 카메라의 초점면 상의 다양한 포지션들에 나타나도록, 일련의 이미지들이 다양한 각들로 방향 설정되는 카메라를 이용하여 획득된다. 수직하지 않은 각으로 렌즈에 충돌하는 광은 부분적으로 반사되는데, 반사된 광은 렌즈 표면과 평행하게 편광되며 투과된 광은 렌즈 표면과 수직하게 편광된다. 일련의 이미지들로부터의 이미지들을 비교하면, 초점면에서 물체의 프로젝팅된 이미지의 포지션에 따라 각각의 편광된 물체들의 강도가 변화하는 것을 알게 될 것이다. 강도의 이러한 변화는 각 물체로부터의 광의 편광을 나타낸다.

편광 필터 없이 카메라를 이용하는 전형적인 실시예의 경우, 시스템은: 항공기; 앞서 설명된 성능들을 갖는 온보드 네비게이션 및 제어 시스템; 항공기에 대해 알려진 방향을 갖는 온보드 카메라; 항공기가 선택된 방향들 중 하나로 선택된 포지션에 도달할 때 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어할 수 있는 온보드 제어 시스템; 이미지들을 레지스터링하고 카메라의 편광 파워의 특성화를 나타내는 저장된 데이터에 따라 타겟의 편광 값들을 컴퓨팅하도록 프로그래밍된 (온보드된 또는 지상의) 컴퓨터; 및 카메라 이미지들을 컴퓨터에 전달하기 위한 수단을 포함한다.

편광 필터를 사용하지 않는 실시예들은 카메라의 편광 파워(특히, 그 뮐러 매트릭스의 두 엘리먼트들) 대 각을 특성화하기 위한 방법들 및 수단을 채용해서, 카메라가 이전 단락에서 설명된 바와 같이 사용될 수 있다. 카메라의 편광 파워의 이러한 특성화는, (전형적으로 실험실 또는 공장에서 사용되는) 알려진 편광도 및 각을 갖는 편광 광원; 카메라; 카메라로부터 이미지들을 수신하도록 구성된 컴퓨터; 및 카메라의 편광 파워를 특성화하는 뮐러 매트릭스 엘리먼트들을 결정하기 위해 카메라 및 편광 광원으로 생성된 이미지들을 프로세싱하기 위한 컴퓨터 상의 소프트웨어를 수반한다.

부착된 편광 필터 없이 카메라를 이용하여 편광 계측 데이터를 획득하기 위한 프로세스의 주요한 단계들은 아래와 같다:

(1) 측정에 의해 또는 계산에 의해, 카메라의 편광 파워(즉, 뮐러 매트릭스) 대 각이 결정된다.

(2) 카메라의 편광 파워의 특성화 이후, 타겟의 일련의 카메라 이미지들이 캡쳐링된다. 타겟이 카메라의 초점면 상의 다양한 포지션들에서 이미징되도록, 카메라 방향이 연속한 이미지들 사이에서 변경된다. 일부 애플리케이션들에서, 카메라는 항공기에 장착된다. 카메라의 방향은 항공기를 조종함으로써 제어된다.

(3) 그 다음, 캡쳐링된 이미지 데이터는 카메라로부터 컴퓨터로 전달된다.

(4) 그 다음, 컴퓨터는 타겟으로부터의 광에서의 편광의 각 및 양을 계산하기 위해 카메라의 뮐러 매트릭스들을 이용하여 이미지 데이터를 프로세싱한다.

카메라의 편광 파워의 특성화에 의존하는 다양한 실시예들을 개시하기 전에, 광 편광의 양상들의 추가 논의가 도움이 될 것이다. 물리학자들 및 엔지니어들은 전자기파의 편광을, 전기장이 오실레이팅하는 방향들에 대응하는 두 직교하는 컴포넌트들을 갖는 것으로 설명한다. 강하게 편광된 방사에서, 이러한 컴포넌트들 중 하나는 다른 하나보다 훨씬 강하다. 자연 일광은 비편광되는데, 즉 두 편광 컴포넌트들이 동일한 크기를 갖는다.

투명한 표면에서의 부분 반사는 광의 빔을 두 빔들로 분리할 수 있으며, 이들 각각은 부분적으로 또는 완전히 편광된다는 것이 잘 알려져 있다. 이는 비스듬한 각으로 유리 평판에 광을 통과시킴으로써 설명될 수 있다. 도 17a는 광이 유리로 만든 평판에 수직 입사로 부딪칠 때 편광이 없음을 보여준다. 도 17b는 투과된 빔에서 p-편광된 광의 비율을 증가시키는 비스듬한 입사에서 s-편광된 광의 더 강한 반사를 보여준다. 단지 표면(first surface) 반사가 보여진다. 실제로는, 배면(back surface)으로부터의 반사가 또한 존재한다. 도 17a 및 17b (및 다른 도면들)는 두 편광 컴포넌트들(s 및 p)을 명명하는 일반적인 관례에 따르는데, 이들이 무엇에 평행한지에 대한 연상 기호로서 명명된다: s는 표면에 평행하고, p는 입사면에 평행하다. 도면들에서, p-편광된 광은 페이지 면에서의 벡터를 나타내는 화살표들로 도시되고, s-편광된 광은 페이지에 수직한 벡터를 나타내는 원들로 표시된다. 각 편광 컴포넌트의 강도는 각 화살표의 길이 또는 각 원의 직경으로 표시된다. 각 표면으로부터 반사되는 광은 (도 17b에 도시된 상황인) 0°에 가까운 입사각으로 충돌하지 않을 경우, 대부분 s-편광된다. 투과된 빔에 잔여하는 광은 s-컴포넌트가 다소 감소되며, 따라서 입사 빔이 0°에 가까운 입사각으로 부딪치지 않을 때 약간 더 p-편광된다. 두 컴포넌트들의 비는 입사각 및 유리의 굴절률에 의존한다. 표면에 평행하고 수직한 파들의 반사 및 투과에 관한 계수 크기들은 프레넬 방정식(Fresnel equations)을 이용하여 계산될 수 있다. 임의의 입사각(

)에 대해, 프레넬 방정식은 다음과 같이 표현된다:

여기서,

는 입사 매체에 대한 굴절률이며,

는 투과되는 매체에 대한 굴절률이며,

는 입사각이며,

는 굴절각(transmitted angle)인데, 이는

및 스넬의 법칙(Snell's law)을 이용하여 계산될 수 있다.

뮐러 매트릭스들(Mueller Matrices)

식 (1)-(4)를 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 스토크스 파라미터들은 광 엘리먼트에 관련된 각들에 기초하여 계산될 수 있다. 편광 필터, 카메라 렌즈 또는 다른 광 엘리먼트는 편광된 광을 제 1 스토크스 벡터에 의해 표현가능한 형태로부터 제 2 스토크스 벡터에 의해 표현가능한 다른 형태로 변환할 수 있다. 이 변환을 수학적으로 설명하기 위한 가장 일반적인 방식은 뮐러 계산식이며, 여기서 변환은 4×4 매트릭스로 특정된다. 형식은 식(9)처럼 보인다:

여기서, S₁은 제 1 스토크스 벡터이고, M은 광 엘리먼트의 뮐러 매트릭스이며, S₂는 제 2 스토크스 벡터이다. 완전한 수평 편광 필터의 뮐러 매트릭스는 아래와 같다:

완전한 수직 편광 필터의 경우, 매트릭스는 다음과 같다:

식 10은 뮐러 계산식이 어떻게 사용되는 지를 보여주는 예이다. 강도 1을 갖는 (벡터 S₁으로 식(10)의 가장 우측에 표시되는) 광의 비편광된 인입 빔은 우측 45°상향으로 편광된다. 이 인입 빔은 (뮐러 매트릭스로 표현되는) 수직 편광 필터를 통과하여 강도 1/2을 갖는 (벡터 S₂로 식(10)의 좌측에 표현되는) 수직으로 편광된 빔이 된다.

위의 예들에서, 뮐러 매트릭스는 전체 광학 엘리먼트, 예를 들어, 편광 필터 또는 카메라 렌즈를 설명한다. 카메라 렌즈의 경우, 뮐러 매트릭스는 광의 특정 빔이 렌즈에 충돌하는 입사각(

) 및 광축 중심의 방향각(angle of orientation)(

)에 의존한다. 따라서, 이러한 개시는, 단지 입사각만이 문제가 되는 경우, 때때로, 특정 뮐러 매트릭스들을

로 나타내고, 다른 때에는 두 파라미터들 모두가 문제가 되는 경우, 특정 뮐러 매트릭스들을

또는 일부 유사한 특정 형태로 나타낸다.

간단한 정성적 예

CCD 카메라에서, 렌즈는 인입 광을 초점면 어레이의 다양한 포인트들로 포커싱한다. 도 18a 내지 18c는 각각의 상이한 픽셀 포지션들에 대응하는, 카메라(16)의 광축으로부터 상이한 각들 θ = 0, ~20°및 ~40°에서 렌즈(42)에 의한 상이한 양의 편광을 각각 도시하는 도면이다. 광이 렌즈(42)에 도달하는 각은 광이 초점면 어레이(26) 상에 포커싱하는 포지션을 결정한다.

도 19는 초점면 어레이(26) 상의 물체 이미지의 상이한 포지션들에 대응하는 상이한 각들로 렌즈(42)를 통과하는 광의 상이한 편광을 도시한다. 타원 이심률은 편광도를 도시한다: 타원 방향은 편광 방향을 도시한다. 제로의 입사각으로 도달하는 광은 초점면 어레이(26)의 중앙에 포커싱되므로(도 18a 참조), 초점면 어레이(26)의 중앙에 포커싱된 광은 렌즈(42)로부터 어떠한 편광도 발생시키지 않는다(도 19 참조). 큰 각으로 도달하는 광은 초점면 어레이(26)의 에지 부근에 포커싱되어(도 19 참조), 초점면 어레이(26)의 에지를 조사하는 광은 렌즈(42)로부터 최대 편광을 발생시킨다. 그 결과, 렌즈(42)는 편광 필터로서 작용하는데: 외부 풍경으로부터 카메라(16)로 인입하는 광이 이미 렌즈의 편광 효과에 대해 수직하게 편광되면, 렌즈(42)는 광의 강도를 감소시킨다. 이는 풍경에서 주어진 물체의 외관상 강도가 (a) 물체의 실제 강도, (b) 물체의 편광 및 (c)초점면 상의 물체의 포지션에 의존하는 것을 의미한다.

도 19a 내지 19c는 수직하게 편광된 광(도 19a), 수평하게 편광된 광(도 19b) 및 비편광된 광(도 19c)에 대해 풍경 물체의 편광(라인 폭은 강도를 표시함)을 나타내는 상이한 픽셀 포지션들에서의 풍경 물체의 상이한 강도들을 도시한다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 수직하게 편광된 물체는 초점면의 중앙을 통하는 수직한 라인 부근에서 나타날 경우 밝게 유지되지만, 중앙의 좌측 또는 우측으로의 아크에서는 어둡게 된다. 수평하게 편광된 물체는, 초점면의 중앙을 통하는 수평한 라인 부근의 아크 내에 나타날 경우 밝게 유지되지만, 중앙의 위 또는 아래의 아크에서는 어둡게 된다(도 19b 참조). 도 19c에 도시된 바와 같이, 비편광된 물체의 강도는, 초점면의 중앙으로부터 물체의 방향과 무관하게, 초점면의 중앙으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 페이딩(fade)한다.

전술한 논의는 고정된 카메라 및 그 초점면과 상호작용하는 변화하는 도달각 및 변화하는 편광을 갖는 광을 전제로 하였다. 대안적으로, 카메라 방향이 변경되는 동안 고정된 좌표에서 고정된 편광을 갖는, 예를 들어, x 방향으로 이동하는 충돌하는 광을 생각할 수 있다. 도 20a-20c는 이러한 방식을 예시한다.

도 20a는 비 틸팅된 렌즈(42a)(제로 입사각) 및 비 제로 각(

)으로 틸팅된 렌즈(42b)의 단면도를 도시한다. 이러한 렌즈들은 도 20b의 라인 20A-20A로 표시된 평면을 따라 절단된다. 도 20b는 도 20a에 도시된 렌즈들(42a, 42b) 및 도달하는 광에 대해 동일한 각(

)으로 틸팅된 다른 렌즈들(42c, 42d)의 정면도들을 도시하지만, 이들은 광축을 중심으로 상이한 방향 각들(

)로 틸팅된다. 전형적인 카메라에서와 같이 초점면 어레이(26)가 각 렌즈에 평행하고 렌즈의 광축 상에 중심이 위치된다는 것을 전제로, 도 20c는 도 20b에 도시된 렌즈들에 의해 초점면 어레이(26) 상으로 프로젝팅된 물체 이미지들을 나타낸다. 각

는 초점면의 중앙을 중심으로 한 각 포지션에 대응한다. 이러한 방향들로 렌즈들을 통과하는 광은 초점면 어레이(26) 상의 상이한 포인트들에 포커싱된다. 따라서, 초점면 상의 픽셀의

-좌표는 광이 렌즈를 통과하였을 때 렌즈 표면에 대한 광의 방향에 대응한다. 이는 인입하는 편광된 광에서 s-편광 및 p-편광의 상대적인 양에 영향을 미친다.

= 0 인 위치에 포커싱되는, 인입하는 수평하게 편광된 광은 렌즈에 대해 p-편광된다.

= 90°인 위치에 포커싱되는, 인입하는 수직하게 편광된 광은 s-편광된다. 일부 실시예들에 따라, 카메라가 상이한 각들로 방향설정되어 단일 타겟으로부터의 광이 상이한

값들을 갖는 포인트에 포커싱되는 방식으로 항공기가 조종될 수 있다.

문제점들

타겟으로부터 CCD 카메라의 센서까지의 광 경로는 카메라가 올바른 뮐러 매트릭스에 의해 특성화될 경우 고려되어야 할 추가의 문제들을 제기한다.

곡면 렌즈 : 유리로 된 평판에 있어서, 인입하는 콜리메이팅된 광은 동일한 각으로 표면의 모든 각각의 포인트에 부딪히며, 따라서 표면 상의 모든 각각의 포인트는 투과된 빔을 모든 각각의 다른 포인트와 동일한 각도로 편광시킨다(도 17b 참조). 카메라 렌즈는 곡면을 가져서, 광의 콜리메이팅된 빔은 전체 표면에 걸쳐서 동일한 각으로 렌즈에 부딪치지 않는다. 따라서, 렌즈(42) 상의 다양한 포인트들을 투과하는 광에 대해 약간 변화하는 편광도가 존재한다(도 21a 참조). 그러나 이미지 중앙 부근의 타겟 및 원형 대칭인 렌즈(즉, 거의 모든 렌즈들)의 경우, 렌즈 상의 임의의 포인트 A에서 발생한 편광은 포인트 A로부터의 축을 중심으로 90°및 렌즈의 중앙으로부터 등거리에 있는 포인트 B에서의 광의 반대의 그리고 거의 동일한 편광에 의해 거의 상쇄된다. 따라서, 순수 효과는 유리로 된 평판의 효과와 유사하다: 렌즈 축에 평행하게(즉, 렌즈 표면에 거의 수직하게) 도달하고 초점면 어레이의 중앙 부근의 포인트에 포커싱되는 광은 렌즈를 통과하는 어떠한 편광도 총체적으로 발생시키지 않지만; 렌즈 축에 대해 상당한 각으로 도달하고 초점면 어레이의 중앙으로부터 떨어진 포인트에 포커싱되는 광은 더 강한 편광을 총체적으로 발생시킨다(도 21b 참조). 편광도는 렌즈 표면에 걸쳐 약간 변화하는데; 중앙 빔만이 도 21b에 도시된다.

좁은 카메라 조리개(aperture)는 만곡된 렌즈 표면의 영향을 최소화하는데: 렌즈는 좁은 조리개의 영역에 걸쳐 매우 조금 만곡한다. 넓은 조리개는 렌즈를 통하는, 넓게 분리된 평행 경로들 간의 비상쇄 차들(non-canceling differences)을 증가시킨다. 따라서, 일부 실시예들은 카메라에 대해 뮐러 매트릭스들을 결정 시,

는 물론 조리개 폭을 파라미터로서 포함한다.

다수의 렌즈들 : 지금까지, 본 개시는 전면 및 배면에서의 반사들에 대해 단편 유리로서의 렌즈를 논의하였다. 전형적으로, 항공 감시 카메라들과 현재 일반적으로 사용되는 자동 SLR(point-and-shoot and single-lens reflex) 카메라들을 포함하는 임의의 카메라는 단일 카메라 렌즈 유닛으로 결합된 다수의 렌즈들을 가질 것이다. 각각의 렌즈는 렌즈 엘리먼트들로 구성된다. 어떤 것들은 서로 접합되고; 어떤 것들은 서로 접합되지 않고 대신에 공-대-경(air-to-interface) 인터페이스들을 갖는다. 다중 렌즈 엘리먼트들은 수차를 제어하고 선명한 이미지를 제공하기 위해 사용된다. 부분 반사들이 각 인터페이스에서 발생하여 축을 벗어난 광 경로들에 대해 편광도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 22는 고정된 제 1 렌즈 그룹(50), 줌 동작을 수행하기 위한 제 2 렌즈 그룹(52), 아이리스 조리개(54), 고정된 제 3 렌즈 그룹(56), 줌에 의해 유발된 초점면의 이동에 대해 보정하는 소위 보정판 기능 및 포커싱 기능 모두를 갖는 제 4 렌즈 그룹(58)(포커스 렌즈로 지칭됨), 및 초점면 어레이(26)와 같은 이미지 센싱 디바이스를 포함하는 이너 포커스 타입 렌즈 시스템의 기본적인 배열을 도시한다. 플레어(flare)와 같은 이미지 아티팩트들을 감소시키고 투과되는 광의 양을 증가시키기 위해, 렌즈 제조 업체들은, 가능하게는 다수의 층들로 구성되고 전형적으로 다른 파장들보다는 일부 파장들에서 더 효율적인 반사 방지 코팅들로 엘리먼트들을 전형적으로 코팅한다. 이들은 각각의 공-대-경 인터페이스에 부가되는 편광을 제거하지는 않지만 감소시킨다.

초점면 옵틱 (optic): 일단 카메라 렌즈를 통과하면, 광은 일반적으로 CCD 검출기인 초점면 어레이에 닿는다. 렌즈와 마찬가지로, CCD는 또한 편광을 증가시킬 수 있다. CCD는 광자들을 전기 신호로 변환하여 광을 수집할 뿐만 아니라 전형적으로 적외선 필터 및 컬러 필터 어레이(흔히 베이어 필터)를 통해 광을 필터링하는 다층 디바이스이다. 도 23은 전형적인 CCD의 유닛 셀의 단면도를 도시한다. 유닛 셀은 센서(60), 컬러 필터 어레이(62) 및 온칩 마이크로 렌즈(64)를 포함한다. (단색 디바이스는 CCD의 일부로서 컬러 필터들을 갖지 않는다.)

도 23에서 볼 수 있듯이, 광은 광의 수집을 최대화하고 이를 센서(60)를 향해 지향시키기 위해 사용되는 온칩 마이크로 렌즈(64)와 마주칠 수 있다. 그 다음, 광은 컬러 필터 어레이(62)를 통과한다. 전형적으로, 컬러 필터 어레이는 칩에 걸쳐 패터닝된 레드, 그린 및 블루 컬러 필터들로 구성된 베이어(Bayer) 필터일 것이다. 마이크로렌즈(64) 및 컬러 필터들(62)을 통한 각각의 인터페이스에서, 일부 반사가 발생한다. 축에서 벗어날수록, 이 반사는 편광을 더 증가시킨다.

센서 표면 : 다른 부분 반사는 필터-대 -센서 표면에서 발생하며, 편광을 조금 더 증가시킨다.

카메라를 특성화하는 방법

컴퓨터를 사용한 방법: 카메라를 특성화하는 일 방법, 즉 수 개의 상이한 입사각들에 대한 카메라의 뮐러 매트릭스들을 결정하기 위한 일 방법은 각 렌즈 엘리먼트의 상세한 기하학적 및 재료 모델, 코팅, 접착제 및 초점면 옵틱들을 광학 분석 소프트웨어에 개입시키는 것이다. 소프트웨어는 초점면 어레이 상의 각 포인트에 도달하는 광의 편광을 계산한다. 이 방법은 신규하지 않다.

실험적 방법: 제 2 방법은 실험적 방법을 이용하여 일련의 강도 측정들 및 계산들을 행하는 것이다. 이 방법은 전술한 모든 문제들이 자동으로 해소되기 때문에 컴퓨터를 이용한 방법보다 더 용이하다. 이 실험적 방법은 다음 단계들을 포함한다.

첫째로, 제어된 광학적 환경에서 선택된 렌즈를 포함하는 카메라를 셋업한다. 셋업은 전형적으로 광학 타겟, 선택된 방향으로 회전될 수 있는 편광자, 및 축을 벗어나서 다양한 알려진 각들로 타겟이 나타나는 사진을 촬영하기 위해 적어도 하나의 축을 중심으로 카메라를 회전시키기 위한 수단을 포함한다. 이러한 실험적 셋업의 일 예는 도 24에 도시된다. 센서들의 초점면 어레이(26) 및 렌즈 유닛(28)을 갖는 CCD 카메라(16)는 팬-틸트 메커니즘(68) 상에 장착된다. 카메라(16)의 렌즈 유닛(28)은 광원(66)으로 조준되는데, 편광 필터(18)가 이들 사이에 배치된다. 광원(66)은 렌즈 유닛(28)에 부딪치는 편광된 광파들을 생성하기 위해 편광 필터에 의해 필터링되는 비평광된 광을 방사한다. (비록 도 24가 카메라(16)를 향해 광을 직접 방사하는 광원(66)을 도시하지만, 이하에 보고되는 실제 실험에서, 카메라는, 광이 광원에 의해 백지 한 장을 향해 방사되고 그 다음 백지에 의해 카메라를 향해 반사된 후, 광을 수신했다.)

셋업 이후, 타겟의 이미지들이 다양한 카메라 포지션들 및 필터 방향들에서 캡쳐링된다. 뮐러 매트릭스

는 축을 벗어난 각각의 각(

)에서 상이하다. 따라서, 이미지 측정들은 (a) 정확한 뮐러 매트릭스가 요구되는 모든 각각의 각(

)에서 수행되거나, (b) 충분하게 정확한 보간이 허용될 정도로 근접하게 이격된 각들에서 행해져야 한다. 적어도 두 이미지들이 각각의 각(

)에서 캡쳐링되어야 하는데; 이하에 설명되는 바와 같이, 전형적으로 3개의 이미지들이 정확성을 향상시키기 위해 사용된다.

이미지들을 캡쳐링할 각들(

)의 범위는 카메라와 애플리케이션에 따라 변화한다. 단일 기준 이미지는

인 각에서 캡쳐링되어야 한다. 카메라가 가장 큰 입사각에서 가장 강한 편광 효과를 갖기 때문에, 전형적인 애플리케이션은

에서의 기준 이미지로부터 가장 큰 가능한 입사각, 즉 타겟이 이미지의 중앙으로부터 가장 멀게 되는 포지션까지의 각들에서 이미지들을 캡쳐링한다. 대부분의 경우, 이러한 캡쳐링은 직사각형 이미지의 코너에 타겟을 놓는다. 비록 에지의 중앙이 코너만큼 이미지의 중앙으로부터 멀지는 않지만, 계산의 간략함을 위해, 일부 실시예들은, 직사각형 이미지의 에지 가운데에 타겟이 있는 이미지들을 사용한다.

다음 몇몇 섹션들은

인 어떤 값에서의 일 세트의 이미지들 및

에서의 기준 이미지를 캡쳐링하기 위한 조건들을 기술한다.

기준 이미지: 축상 , 즉

기준 이미지는 0°의 입사각을 사용하는데, 즉 타겟이 이미지의 중앙에 놓인다. 이러한 각에서 렌즈 및 초점면 옵틱들은 이상적인 클리어 필터로 취급된다.(클리어 필터는 아니지만, 클리어 필터가 아니라는 사실은 더 좋은 카메라 및 다른 장비가 사용되지 않는 한 식별할 수 없다.) 대응하는 뮐러 매트릭스는 식(11)에 도시된 항등(identity) 매트릭스이다.

타겟은 식(11)의 최우측에서 입력 스토크스 벡터로 표현되는 비편광된 광을 방사 및/또는 산란시킨다.

각각의 캡쳐링된 이미지는 픽셀 값들(

)의 어레이이다. 각 픽셀 값은 타겟 풍경에서 대응하는 포인트에 부딪치는 광의 강도에 비례한다. 기준 이미지의 타겟 포인트에서 측정된 픽셀 값(

)은 도 (12)에 도시된 바와 같이, 기준 강도(

)를 정의한다.

다른 각들(

)에 대응하는 뮐러 매트릭스들에 대한 1이 아닌(non-unity) 계수들은 이 기준 강도에 대한 변경을 나타낸다.

,

에서의 이미지들

각각의 입사각

에서 촬영된 이미지들 모두는 동일한 회전각(

)을 이용한다. 회전각(

)은 타겟, 렌즈의 중앙 및 타겟으로부터 가장 먼 렌즈 상의 포인트를 포함하는 평면에 의해 정의된다(도 20c 참조). 회전각(

)은 편광을 위한 좌표 시스템을 정의하는데, 즉, 모든 특성화 이미지들은

에 있는 것으로 정의된다.

에서 편광된 광은 수평하게 편광된 것으로 정의되는데, 즉 선택된 좌표 시스템에서

이다. 이러한 정의는 수평하게 편광된 광을 렌즈에 대해 p-편광된 광과 동일하게 하고, 수직하게 편광된 광을 s-편광된 것과 동일하게 한다.

비편광된 타겟

에서의 이미지들 중 하나는 비편광된 광으로 타겟을 뷰잉하는데, 즉 편광 필터가 카메라 그 자체 외에는 사용되지 않는다. 이는 식(13)의 최우측에 도시된 입력 스토크스 벡터에 대응한다:

이미지는 타겟에서의 측정된 픽셀 값(

)을 포함한다. 타겟으로부터 카메라에 도달하는 광은 기준 이미지에서와 동일한 강도를 갖지만, 측정된 픽셀 값은 상이해서,

인 경우, 뮐러 매트릭스 엘리먼트

은 식(14) 및 측정된 값들(

및

)을 사용하여 계산된다:

수평하게 편광된(p-편광된) 타겟

에서의 이미지들 중 하나는 수평 편광자를 통과한 광으로 타겟을 뷰잉할 수 있다. (카메라가

으로 방향 설정되므로, 수평 편광은 p-편광과 동일하다.) 이는 전체 강도에 대한 필터의 효과를 비롯해, 식(15)의 최우측의 입력 스토크스 벡터에 대응한다. (나타낸 바와 같이, 이상적인 편광 필터의 경우, 강도 계수는 1/2이다. 이하에 설명된 방법들 중 하나는 실제 계수를 측정한다.)

이미지는 타겟에서의 측정된 픽셀 값(

)을 포함한다. 식(15)로부터,

의 경우, 뮐러 매트릭스 엘리먼트

는 식(16)에 의한 픽셀 값에 관련되는 것을 알게 된다.

이 식은

를 구하기 위해 식(17)에 나타낸 바와 같이 재배열될 수 있다.

수직하게 편광된(s-편광된) 타겟

에서의 이미지들 중 하나는 수직 편광자를 통과한 광으로 타겟을 뷰잉할 수 있다.(카메라가

으로 방향 설정되므로, 수직 편광은 s-편광과 동일하다.) 이는 식(18)의 최우측의 입력 스토크스 벡터에 대응한다.

이미지는 타겟에서의 측정된 픽셀 값(

)을 포함한다. 식(18)로부터,

의 경우, 뮐러 매트릭스 엘리먼트

는 식(19)에 의한 픽셀 값에 관련되는 것을 알게 된다.

이 식은

를 구하기 위해 식(20)에 나타낸 바와 같이 재배열될 수 있다.

평균

추정을 유도하기 위한 s-편광된 그리고 p-편광된 이미지들의 사용

일부 실시예들은 전술한 수평적으로 편광된 그리고 수직적으로 편광된 이미지들 모두를 이용한다. 이러한 실시예들은 잡음의 효과를 감소시키기 위해 데이터를 결합하고 그로 인해

의 추정을 향상시킨다. 이러한 실시예들에서, 식(17)은 식(20)에 부가되고, 합을 2로 나눠서

의 평균 추정을 컴퓨팅한다.

수평적으로 편광된 그리고 수직적으로 편광된 이미지들 모두를 사용하는 것은 다른 이익을 가져온다: 이 측정들에 사용되는 편광 필터의 강도 계수에 대한 추정. 강도 계수는 비편광된 광이 어떤 비율로 필터를 통과하는 지를 설명한다. 앞서 언급한 바와 같이, 이상적인 편광 필터는 1/2의 강도 계수를 갖는다. 실제 편광 필터의 경우, 강도 계수는 임의의 두 수직한 편광들, 예를 들어, s-편광 및 p-편광으로 필터를 통과하는 광의 평균 비율로서 컴퓨팅 될 수 있다. 식(14)에 나타낸 바와 같이, 비편광된 광의 픽셀 강도는

로 이미 측정되었다. 따라서, 필터의 강도 계수는 다음과 같이 컴퓨팅될 수 있다:

이 값은 식(15) 및 식(18)의 계수 1/2를 대체하여,

를 추정하기 위해 식(17), (20) 및 (21)에서 개선된 수치 계수들을 초래한다.

뮐러 매트릭스 측정 예

전술한 방법은 18mm 초점 거리로 세팅된 18-55mm 캐논 EFS 줌 렌즈 및 렌즈 앞에 클리어 필터를 갖는 캐논 EOS Rebel 300D 카메라를 특성화하기 위해 사용되었다. 광원은 형광 데스크 램프에 의해 조사되는 한 장의 백색 프린트지였다. 백색 프린트지는 그 위에 십자형 타겟 심볼이 그려져 있다. (이 타겟 심볼의 일부가 도 25에 도시된다.) 이미지들은 8-비트 JPEG 포맷으로 저장되었다. 이러한 품질 레벨은 가능성(feasibility)을 보여주기에 충분하다. 더 정밀한 특성화에서, 더 높은 해상도를 제공하고 압축 에러들을 유발하지 않는 12 비트 RAW 포맷으로 이미지를 생성하기 위해 카메라가 세팅될 것이다.

이제 설명될 특성화 방법은 각각의 계산마다 4개의 픽셀들의 세트들을 사용하지만, 이는 단순히 잡음을 감소시키기 위한 평균 기술이며-이것이 요구되지는 않는다. 더욱 일반적인 방식은 단일 픽섹들의 값들에 기초한다.

첫 번째, 축상 기준 이미지가 이미지의 중앙에 타겟이 있는 채로 캡쳐링된다. 타겟으로부터의 광은 비편광되었다. 도 25는 근접 이미지를 도시한다. MATLAB이 타겟 픽셀을 마킹하고 그 RGB 값들을 측정하기 위해 사용되었다. 타겟 픽셀은 픽셀 이미지의 컬럼 1536 (X) 및 로우 1024 (Y)에 로케이팅되었다. 타겟 픽셀은 각각 232, 181 및 124의 측정된 R, G 및 B 값들을 가졌다. 타겟 픽셀에 인접한 4개의 픽셀들은 각각 237.25, 182.5 및 127.5의 평균 측정된 R, G 및 B 값들을 가졌다.

그 다음, 축을 벗어난 이미지들이 이미지의 우측 에지 부근에 타겟이 있고 여전히 편광 필터가 없는 상태로 캡쳐링되었다. 이미지 중앙으로부터의 타겟의 각은

였다. 이 예에서, 타겟 픽셀은 픽셀 이미지의 컬럼 2850 (X) 및 로우 1024 (Y)에 로케이팅되었다. 이러한 타겟 픽셀에 인접한 4개의 픽셀들에 대한 평균 측정된 R, G 및 B 값들은 이제 각각 209.75, 167.5 및 115.25 이었다.

그 후에, 편광 필터(편광 선글라스 렌즈)가 (이미지 중앙으로부터 타겟의 각이 여전히

인 동안) 타겟과 카메라 사이에 배치되었다. 첫 번째, 타겟으로부터의 광이 렌즈 및 초점면 옵틱들에 대해 수평으로 편광되도록, 즉 p-편광되도록 편광 필터가 방향 설정되었다. 이러한 경우, 타겟 픽셀(즉, X: 2850; Y: 1024)에 인접한 4개의 픽셀들은 각각 118, 82 및 44.25의 평균 측정된 R, G 및 B 값들을 가졌다. 그 다음, 타겟으로부터의 광이 렌즈 및 초점면 옵틱들에 대해 수직으로 편광 ―이는 s-편광되는 것임― 되도록 편광 필터가 방향 설정되었다. 이 경우, 타겟 픽셀에 인접한 4개의 픽셀들은 각각 104.75, 80.75 및 34.75의 평균 측정된 R, G 및 B 값들을 가졌다. 예상된 대로, p-편광된 값들은 s-편광된 값들보다 더 크다: 카메라의 각각의 인터페이스는 p-편광된 광보다 더 많은 s-편광된 광을 반사한다.

이하의 표는 전술한 측정들로부터 제 1 두 뮐러 매트릭스 엘리먼트들의 예시적인 계산을 보여준다.

표에서 "타겟 포인트" 라인은 가시적 타겟의 축을 벗어난 픽셀 좌표를 특정한다(초점면의 축상 중앙은 1536 및 1024 이었음). 표에서 측정들의 각 세트는 타겟 픽셀에 대각으로 인접한 4개의 픽셀들을 포함한다. R, G 및 B로 명시된 컬럼들은 각 컬러에 대한 측정된 픽셀 값들을 나타내는데; "강도" 컬럼은 이러한 값들의 평균이다. 각 컬러 및 강도에 대한 평균 및 중앙값은 데이터의 각 세트 바로 아래의 두 라인에 나타난다. 밑에서 세 번째 라인은 각 컬러 및 전체 강도에 대한 평균 픽셀 값으로부터 계산된 제 1 뮐러 엘리먼트(

)를 나타낸다. 맨 아래 라인은 각각에 대한 제 2 뮐러 엘리먼트(

)를 나타낸다.

데이터는 레드 및 블루 대역들에서 수평 대 수직 편광에 대해 상대적으로 강한 강도 비율을 나타내지만, 그린 대역에서는 상대적으로 약한 비율을 나타낸다. 이는 아마도 렌즈의 반사 방지 코팅이, 인간의 시각이 가장 민감한 대역인 그린 광에서 반사를 감소시키도록 최적화되기 때문이다. 본 명세서에 설명된 방법이 편광을 유발하기 위해 비균일한 반사에 의존하기 때문에, 그린 대역에서 최소의 반사는 바로 그 대역에서 최소의 편광에 상응한다. 그린 대역에서의 제 2 뮐러 엘리먼트는 이런

값에서의 그린 대역의 편광 측정들이 신뢰가능하지 않을 수도 있음을 표시하기 위해 음영 처리된다.

예는 식(22)에서와 같이 편광 필터의 강도 계수의 계산들을 포함한다. 각 컬러에 대한 하나의 계수가 표에서 "편광자 중립 밀도"로 명시된 라인에 표시된다.

전술한 실험에 사용된 카메라는 22.7mm 폭 및 15.1mm 높이의 초점면 어레이를 갖는다. 렌즈 초점 길이는 18mm로 세팅되었다. 타겟 포인트는 중앙으로부터 수평하게 28.3°즉,

이었다.

전술한 실험에서,

의 단일 값에 대한 측정들이 행해졌다. 전형적인 애플리케이션은

의 다수의 값들에서 유사한 측정들을 사용한다. 결과적인 뮐러 매트릭스 값들은 룩업 테이블에 저장되거나 임의의 각에서 뮐러 매트릭스 값들을 추정하기 위해 사용될 수 있는 등식을 커브-피팅(curve-fit)하기 위해 사용된다. 이러한 뮐러 매트릭들은 카메라의 편광 파워의 특성화를 구성한다.

특성화된 카메라를 사용하기 위한 방법

일단 카메라의 편광 파워가 특성화되면, 이 카메라는 미지의 타겟들을 포함하는 풍경들로부터 이미지들을 캡쳐링하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에 따른 방법은 이하의 단계들을 포함한다:

단계 1: 카메라를 셋업

카메라의 셋업은, 카메라가 CCD 상의 상이한 포지션들에 전형적으로 대응하는 상이한 렌즈 방향들로 동일한 타겟 물체를 뷰잉할 수 있는 방식으로 카메라 및 관련된 장치를 인스톨하는 것을 포함한다. 이는 예를 들어, 공장에서 카메라를 팬/틸트 마운트에 부착하는 것 또는 카메라를 항공기 또는 다른 운송 수단에 부착하는 것을 포함할 수 있다.

단계 2: 이미지들을 캡쳐링

동일한 입사각(

) 및 다양한 카메라 방향 각들(예를 들어,

)을 이용하여 다수(예를 들어, 3개)의 이미지들을 캡쳐링한다. 상이한 방향들에서 캡쳐링된 각각의 이미지의 경우, 렌즈는 타겟 상의 포인트의 이미지를 CCD 칩 상의 대응하는 포지션으로 프로젝팅할 것이다. 목적은 유사한 입사각들(예를 들어, 중앙으로부터 30°)이지만 상이한 틸트 방향들로 동일한 풍경을 캡쳐링하는 것이다. 카메라가 카메라-대-타겟 축을 중심으로 회전하지 않는 경우, 이 목적은 중앙으로부터 동일한 각에 위치한 CCD의 상이한 부분들 상에 풍경을 캡쳐링하는 것과 동등하다. (선형 편광을 완전하게 특성화하는) 제 1 세 스토크스 파라미터들을 측정하기 위해, 타겟은 광축을 중심으로 상이한 각 포지션들에서, 이상적으로, 0°, 90° 및 45°또는 135°에서 이미지화된다.

카메라는 팬/틸트 마운트 메커니즘에 장착될 수 있다. 공장 애플리케이션에서, 전형적인 실시예는 이미지들이 획득되는 동안 전술한 바와 같이 카메라를 방향 설정하기 위해 자동화된 팬/틸트 마운트 또는 짐벌을 사용한다. 짐벌 마운트를 갖는 전형적인 비행 중인 애플리케이션에서, 이미지들이 획득되고 있는 동안 짐벌은 카메라를 방향 설정한다. 짐벌 없이 비행 중인 경우, 또는 짐벌이 효과적이지 못한 경우, 운영자 또는 비행 제어 컴퓨터는 이미지 획득을 위해 상이한 각들로 카메라를 방향 설정하기 위해 항공기, 우주선 또는 다른 운송 수단을 조종한다.

제 9 실시예

전술한 바와 같이, 도 4a 및 4b는 이상적인 고정익 항공기(20)의 평면도 및 측면도로서, 이 고정익 항공기에는 단일 하향 카메라(16)가 고정 장착되고, 이 카메라에는 편광 필터(18)가 고정되어 있다. 카메라의 편광 파워가 전술한 바와 같이 특성화되는 경우, 편광 필터는 생략될 수 있다. 도 4a 및 4b에 도시된 구성에서, 항공기가 수평 비행 중일 때, 카메라(16)는 아래쪽을 향한다.

도 26은 편광 필터가 생략되었다는 것을 제외하고, 도 4a 및 4b에 도시된 타입의 고정익 항공기(20)에 대한 비행 경로를 도시한다. 특성화된 카메라가 온보드형일 때, 항공기(20)는 동일한 뱅크각(

)으로 3회의 급선회를 함으로써 타겟(22)으로부터 편광 계측 데이터를 획득할 수 있다. (수평 비행 중인 항공기 상의 하향 지향 카메라의 경우, 뱅크 각은 입사각(

)과 동일하다.) 연속한 선회들은 도 26에서 ①, ② 및 ③으로 각각 표시된다. 카메라는 3회의 선회들 각각 동안 타겟 바로 위의 동일한 포지션에서 이미지를 캡쳐링한다. 선회 번호 1에서, 카메라가 이미지를 캡쳐링할 때 카메라는 서쪽으로 기울어지고; 선회 번호 2에서, 카메라가 이미지를 캡쳐링할 때 카메라는 북서쪽으로 기울어지고; 선회 번호 3에서, 카메라가 이미지를 캡쳐링할 때 카메라는 북쪽으로 기울어진다. 이는

에 대응한다.

고정된, 전방을 향하는 카메라를 구비한 비행기는, 사진들을 촬영하는 동안 순간적으로 편향 및 약 32°상향 또는 하향으로 피칭함으로써

에서 이미지들을 획득할 수 있다. 고정된 측면을 향하는 카메라를 구비한 비행기는, 사진들을 촬영하는 동안, 좌우로 약 32°롤링 및 편향함으로써 약

에서 이미지들을 획득할 수 있다.

제 10 실시예 ;

호버링하는 회전익 항공기는, 항공기 및 카메라가 동일한 각들로 틸팅된 채로 타겟 위의 자신의 동일한 포지션을 떠나지 않고, 이미지들의 동일한 세트를 획득할 수 있다. 대신에, 회전익 항공기는 좌우로 또는 앞뒤로 이동함으로써 롤링 및 피칭할 수 있다.

제 11 실시예 ;

우주선은 타겟 위의 연속한 궤도 통과 시, 자신을 재방향 설정함으로써 유사한 이미지들을 획득할 수 있다.

단계 3: 이미지들을 비교하고 편광을 결정

비행 중인 운송 수단의 경우, 캡쳐링된 이미지들은 지상의 컴퓨터에 의해 프로세싱되기 위해 무선 통신 채널을 통해 지상의 안테나로 전송될 수 있거나, 캡쳐링된 이미지들은 온보트 컴퓨터로 직접 전달될 수 있다. 이미지들은 풍경의 스토크스 벡터(

)를 결정하기 위해 측정된 강도 대 포지션을 이용하는 컴퓨터에 전달된다:

이러한 벡터의 좌표 시스템은 이하에서 논의된다.

알려진 일 기술에 따르면, 시스템의 출력에서 스토크스 파라미터들이 측정될 수 있는데, 예를 들어,

,

. 이들을 출력 스토크스 벡터로 연관시키고, 이 벡터에 뮐러 매트릭스의 역을 곱해서 타겟으로부터의 광의 입력 스토크스 벡터(

)가 얻어질 것이다.

본 명세서에 개시된 편광 계측 데이터 획득 기술은 상이하게 동작한다. 카메라는 각각의 방향에서,

및

가 아닌 전체 강도(

)만을 측정할 수 있다. 따라서, 상이한 방법이

를 컴퓨팅하기 위해 사용된다. 이하에 설명되는 방법의 논의의 경우, 세 이미지들 모두가 동일한 입사각(

)으로 촬영되지만, 타겟에 대한 축을 중심으로 방향(

)이 45°의 정수배들로 변화한다는 것이 가정될 것이다. 또한, 선택된 기준 시스템에서 100% 수평하게 편광되는 광의 가상적인 빔이 참조될 것이다. 이러한 광은 실제로는 존재하지 않는데; 이는 독자들이 좌표 시스템과 카메라의 재방향 설정 효과를 이해하는데 도움을 주기 위해 도입된다.

,

을 정의:

선택된 이미지에 대해

이도록 기준 시스템을 정의하기 위해 하나의 이미지가 선택된다. 이러한 기준 시스템에서 수평하게 100% 편광되는 가상적인 광은 스토크스 파라미터

및 스토크스 파라미터

을 갖는데; 이러한 가상적인 광은 렌즈의 중앙에 대해 p-편광된다. 이러한 기준 시스템은 식(23)에서와 같이 입력 스토크스 벡터를 정의하고, 이는 식(24)에서와 같이 이미지에서 측정된 강도를 결정한다:

이는

를

및

에 관련시키며, 따라서:

:H-편광/p-편광은 V-편광/s-편광이 됨:

카메라가 타겟에 대해 동일한 입사각(

)을 달성하기 위해 기울어지는 경우

에 대한 이미지와 동일한 기준 시스템에서 측정되는 제 2 이미지가 사용되지만, 카메라는 타겟에 대한 축을 중심으로

로 회전된다. 광을 투과시킬 렌즈의 성능과 관련하여, 입력 편광은 90°만큼 회전되었다. 기준 시스템에서 수평하게 100% 편광되는 가상적인 광은 스토크스 파라미터(

) 및 스토크스 파라미터(

)를 갖는다. 이는 수평 및 수직 편광을 스와핑하는 효과를 가져서, 카메라에 대한 유효 스토크스 벡터는 식(26)의 최우측에 나타낸 바와 같다:

이는

를

및

에 관련시켜서:

:

-편광은 H-편광/p-편광이 됨:

카메라가 타겟에 대해 동일한 입사각(

)을 달성하기 위해 기울어지는 경우 제 3 이미지가 사용되지만, 카메라는 타겟에 대한 축을 중심으로

로 회전된다. 광을 투과시킬 렌즈의 성능과 관련하여, 입력 편광은 45°만큼 회전하였다. 기준 시스템에서 수평하게 100% 편광되는 가상적인 광은 스토크스 파라미터(

) 및 스토크스 파라미터(

)를 갖는다. 이는 수평-편광 및 45°- 편광(스토크스 벡터에서 각각

)을 스와핑하는 효과를 가져서, 카메라에 대한 유효 스토크스 벡터는 식(28)의 최우측에 보여진다:

이는

를

및

에 관련시켜서:

입력 스토크스 벡터 계산

의 측정들이 주어지면, 편광 계측 데이터를 프로세싱하도록 프로그래밍된 컴퓨터 시스템은 이제 3개의 미지수(

)가 있는 3개의 등식들(즉, 식(25), (27) 및 (29))을 갖는다. 식(25)를 식(27)과 더하면 다음 식이 유도된다:

를 얻기 위해 이 식을 재배열하면;

이를 식(27)에 대입하면 식(32)를 얻는다:

이 식은 식(33)에서와 같이

를 얻기 위해 재배열될 수 있다:

식(31)을 식(29)에 또한 대입하면 식(34)를 얻을 수 있다:

이는

를 얻기 위해 아래와 같이 재배열될 수 있다:

이는 식(23)에 정의된, 완전한 3-엘리먼트 스토크스 벡터(

)를 제공한다.

전술한 등식들을 사용하면, 스토크스 파라미터들이 각각의 컬러(R, G, B)에 대해 그리고 전체 강도에 대해 계산될 수 있다.

전술한 방법은 계측예로부터의 측정들을 이용하여 적용되었다. 이러한 측정들은

에 대한 어떠한 이미지들도 포함하지 않아서,

컴포넌트는 계산될 수 없지만, 계측을 위해 사용되는 기준 값들인,

의 올바른 값들, 즉 1 및 1을 전술한 프로세스가 유도하는 것을 다른 계산들이 확인하였다.

도 27은 일 실시예에 따른, 이미징된 타겟(22)에 대한 편광 값들을 획득하기 위한 시스템의 주요 컴포넌트들을 식별하는 블록도이다. 이 시스템은: 항공기(20); 3차원 포지션(예를 들어, 경도, 위도 및 해발 높이)으로 비행하고 이후에 대략적으로 동일한 포지션으로 적어도 2회 항공기를 리턴할 수 있고, 또한 그 포지션에서 항공기 방향을 측정하고 항공기가 동일한 포지션으로 리턴할 때 상이하게 선택된 방향으로 항공기를 세팅할 수 있는 온보드 네비게이션 및 제어 시스템(70); 짐벌(32)에 장착된 온보드 카메라(16); 항공기(20)에 대해 카메라의 방향을 변경하기 위해 짐벌(32)에 커플링된 액추에이터들(74); 카메라(16)에 대해 알려진 고정된 방향을 갖는 온보드 선형 편광 필터(18); 복수의 선택된 방향들 중 임의의 한 방향으로 카메라(16)를 방향 설정하기 위한 액추에이터(74)를 제어할 수 있고, 항공기가 선택된 포지션에 선택된 방향들 중 한 방향으로 도달할 때 이미지들을 캡쳐링하도록 카메라(16)를 제어하고, 그 다음 카메라(16)로부터 이미징 데이터를 수신할 수 있는 온보드 카메라 제어 시스템(72); 이미징 데이터를 지상국으로 전송하기 위해 카메라 제어 시스템(72)에 커플링된 온보드 송신기(76); 송신된 이미징 데이터를 수신하기 위한 지상국의 수신기(78); 및 이미지들을 레지스터링하고 이미징된 타겟(22)에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 프로그래밍된 (지상의) 이미징 데이터 프로세싱 컴퓨터(80)를 포함한다.

카메라 제어 시스템(72)은 하드웨어 및 소프트웨어를 구비한 컴퓨터를 포함할 수 있다. 카메라 제어 소프트웨어는: 타겟 포지션 정보를 포함하는 데이터베이스; 저장된 타겟 포지션 정보 및 데이터 획득 미션 동안 네비게이션 및 비행 제어 시스템(70)으로부터 수신된 현재 항공기 포지션 정보(즉, 현재 항공기 포지션 및 방향)에 따라 짐벌(32)의 상태를 변경하기 위해 액추에이터들(74)을 제어하고, 그 다음 카메라(16)를 활성화하기 위한 제 1 프로그램; 및 카메라(16)로부터 이미징 데이터를 수신하고, 송신기(76)에 의한 다운로딩을 위해 적절한 포맷으로 이미징 데이터를 출력하기 위한 제 2 프로그램을 포함한다.

이미징 데이터 프로세싱 컴퓨터(80)는 또한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이미징 데이터 프로세싱 소프트웨어는 캡쳐링된 이미지들을 레지스터링하기 위한 제 1 프로그램 및 이미징된 타겟(22)에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하기 위한 제 2 프로그램을 포함한다.

대안적으로, 카메라(16)는 항공기(20)에 고정적으로 장착될 수 있으며, 이로 인해 짐벌(32) 및 액추에이터들(74)의 필요성을 제거한다. 추가의 대안적인 실시예들에 따라, 편광 필터(18)는 생략될 수 있고 그리고/또는 컴퓨터(80)는 항공기(20)에 온보드 식으로 로케이팅될 수 있다(이 경우, 송신기(76)는 또한 프로세싱된 데이터를 지상국으로 전송할 것이다).

추가의 실시예들

편광 계측 데이터 획득 시스템은 많은 방식들로 실시될 수 있다. 추가의 예들은 적어도 이하 사항을 포함한다.

(1) 각의 함수로서 뿐만 아니라 조리개의 함수로서 카메라의 뮐러 매트릭스를 특성화. 상당히 큰 조리개는 광이 상이한 입사각들로 렌즈 표면의 섹션들을 통과하게 한다.

(2) 카메라의 렌즈들과는 별도로 카메라의 CCD를 특성화하여, 사용자들이 다양한 방식들로 각각의 결합을 특성화하지 않고 CCD들과 렌즈들을 결합할 수 있다.

렌즈 및 CCD와 같이 연속하게 사용되는 두 광학 엘리먼트들은 이들의 뮐러 매트릭스들을 이용하여 연속적인 매트릭스 곱으로 수학적으로 표현되는데, 예를 들어,

. 만일 두 뮐러 매트릭스들 모두가 개별적으로 특성화되면, 입력 스토크스 벡터는 두 매트릭스들 모두의 역을 취하고 이들을 역순으로 곱함으로써 계산된다:

.

(3) 45°의 정수 배가 아닌

각들 및/또는 이미지들 사이에서 변화하는

각들을 이용하여 이미지들을 캡쳐링. 이들 실시예들은 식(28) 내지 (35)에 설명된 처리 방식보다 더 지루하고 더 복잡한 대수에 의존하지만, 유도 및 방법은 전술한 교시로부터 학습한 당업자에게 명백할 것이다.

(4) 풍경을 커버하는 겨우 3개의 이미지들을 이용하여 풍경에서 다수의 픽셀-사이징된 포인트들(가능하게는 풍경에서 모든 각각의 픽셀-사이징된 포인트)에 대한 입력 스토크스 벡터(

)를 계산하기 위해 (0/45/90°가 아닌

각들 및 각

의 비동일한 값들을 이용하여) 전술한 실시예를 적용. 이는 필터 없이 완전한 편광 계측 이미지 ―풍경의 모든 각각의 포인트에서 편광도 및 편광의 각― 를 생성한다.

(5) 카메라를 UAV, 유인 항공기, 회전익 항공기, 우주선, 수상 선박, 또는 UUV에 부착.

(6) 자외선, 가시광선, 적외선 또는 테라헤르츠 대역들에서 작동하는 카메라 및 렌즈를 사용.

추가로, 본 개시는 이하의 항목들에 따른 실시예들을 포함한다:

항목 1.

풍경의 편광을 결정하기 위한 방법은,

(a) 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함하는 카메라의 시야에 선형 편광 필터를 배치하는 단계;

(b) 단일 포지션에 근접하지만 상이한 세 방향들―세 방향들 각각에 대해 풍경은 카메라의 시야 내에 있음―로 카메라 및 선형 편광 필터를 연속적으로 로케이팅하는 단계;

(c) 카메라 및 선형 편광 필터가 각각 상이한 세 방향들에 있는 동안 제 1 내지 제 3 필터링된 이미지들을 캡쳐링하는 단계;

(d) 제 1 내지 제 3 필터링된 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 카메라로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및

(e) 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들로부터 풍경의 하나 이상의 포인트의 편광을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다.

항목 2.

항목 1의 방법은, 운송 수단에 카메라 및 선형 편광 필터를 장착하는 단계를 더 포함하며, 단계(b)는 운송 수단을 조종하는 단계를 포함한다.

항목 3.

항목 2의 방법에 있어서, 운송 수단은 무인 운송 수단이다.

항목 4.

항목 1의 방법에 있어서, 상이한 세 방향들 중 제 1 두 방향에 대한 기준에 관하여 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 45°의 홀수 정수 배만큼 상이하며, 상이한 세 방향들 중 제 2 두 방향에 대한 기준에 관하여 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 90°만큼 상이하다.

항목 5.

항목 1의 방법은, 단계(e)를 수행하기 전에, 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계를 더 포함한다.

항목 6.

항목 1의 방법에 있어서, 단계(e)는 스토크스(Stokes) 파라미터들을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다.

항목 7.

풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템은,

무인 운송 수단;

무인 운송 수단에 온보드된 카메라 ―이 카메라는 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함함―;

센서들의 어레이의 적어도 제 1 부분의 앞에 배치된 제 1 선형 편광 필터;

조종을 수행하기 위해 무인 운송 수단을 제어할 수 있는 무인 운송 수단 제어 시스템 ―무인 운송 수단 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 무인 운송 수단 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각에 대해 특정 포지션에 또는 그 부근에, 그리고 서로 상이하지만 각각이 카메라의 시야 내에 풍경을 위치시키는 제 1, 제 2 및 제 3 방향들에 무인 운송 수단을 포지셔닝하기 위해 무인 운송 수단을 제어하도록 구성됨―; 및

무인 운송 수단에 온보드되어 배치되고 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어할 수 있고, 그 다음 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 출력할 수 있는 카메라 제어 시스템을 포함하며,

카메라 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 카메라 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각 동안 타겟 풍경의 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하도록 구성된다.

항목 8.

항목 7의 시스템은, 이미징 데이터를 프로세싱할 수 있는 이미징 데이터 프로세싱 시스템을 더 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템의 소프트웨어는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하고 이미징된 풍경에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 구성된다.

항목 9.

항목 8 항의 시스템에 있어서, 편광 값들은 스토크스 파라미터들을 포함한다.

항목 10.

항목 7의 시스템에 있어서, 무인 운송 수단은 창문을 포함하며, 무인 운송 수단에 장착된 짐벌을 더 포함하며, 카메라는 짐벌에 커플링되고, 선형 편광 필터는 창문에 부착된다.

항목 11.

항목 7의 시스템은, 무인 운송 수단에 장착된 짐벌을 더 포함하며, 카메라는, 카메라의 광축에 평행한 축을 중심으로 회전하기 위해 짐벌에 회전가능하게 커플링되며, 선형 편광 필터는 카메라에 부착된다.

항목 12.

항목 8의 시스템에 있어서, 제 1 내지 제 3 방향들 중 적어도 두 방향에 대한 기준에 관하여 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 45°의 정수 배만큼 상이하다.

항목 13.

항목 7의 시스템은, 센서들의 어레이의 제 2 부분 앞에 배치된 제 2 선형 편광 필터를 더 포함하며, 제 1 및 제 2 선형 편광 필터들 중 하나는 수평으로 편광되고, 제 1 및 제 2 선형 편광 필터들 중 다른 하나는 수직으로 편광된다.

항목 14.

풍경의 편광을 결정하기 위한 방법은: (a) 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함하는 카메라의 편광 파워를 특성화하는 단계; (b) 단일 포지션에 근접하지만 상이한 세 방향들―세 방향들 각각에 대해 풍경은 카메라의 시야 내에 있음―로 카메라를 연속적으로 로케이팅하는 단계; (c) 카메라가 각각 상이한 세 방향들에 있는 동안 제 1 내지 제 3 이미지들을 캡쳐링하는 단계; (d) 제 1 내지 제 3 캡쳐링된 이미지들을 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 카메라로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및 (e) 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들로부터 풍경의 하나 이상의 포인트의 편광을 컴퓨팅하는 단계를 포함한다.

항목 15.

항목 14의 방법에 있어서, 단계(a)는 제 1 및 제 2 뮐러 매트릭스 엘리먼트들을 결정하는 단계를 포함한다.

항목 16.

항목 14의 방법에 있어서, 단계(a)는 센서들의 어레이 상의 적어도 두 포지션들에 대해 제 1 뮐러 매트릭스 엘리먼트 및 제 2 뮐러 매트릭스 엘리먼트 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하며, 이 포지션들은 렌즈의 중앙을 통과하는 광에 대한 상이한 입사각들에 대응한다.

항목 17.

항목 14의 방법에 있어서, 풍경이 센서들의 어레이의 에지 또는 코너 부근의 포지션에 닿도록 상이한 세 방향들 중 하나 이상이 선택된다.

항목 18.

항목 14의 방법은, 운송 수단에 카메라를 장착하는 단계를 더 포함하며, 단계(b)는 운송 수단을 조종하는 단계를 포함한다.

항목 19.

항목 14의 방법에 있어서, 상이한 세 방향들 중 둘 이상의 방향에 대한 기준과 관련한 카메라의 시선을 중심으로 각각의 각들은 45°의 정수 배만큼 상이하다.

항목 20.

항목 14의 방법은 단계(e)를 수행하기 전에, 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계를 더 포함한다.

항목 21.

풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템은: 무인 운송 수단; 무인 운송 수단에 온보드된 카메라 ―이 카메라는 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함함―; 조종들을 수행하기 위해 무인 운송 수단을 제어할 수 있는 무인 운송 수단 제어 시스템 ―무인 운송 수단 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 무인 운송 수단 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각에 대해 특정 포지션에 또는 그 부근에, 그리고 서로 상이하지만 각각이 카메라의 시야 내에 풍경을 위치시키는 제 1, 제 2 및 제 3 방향들에 무인 운송 수단을 포지셔닝하기 위해 무인 운송 수단을 제어하도록 구성됨―; 및 무인 운송 수단에 온보드되어 배치되며, 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하고, 그 다음 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 출력할 수 있는 카메라 제어 시스템을 포함하며, 카메라 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 카메라 제어 시스템의 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각 동안 타겟 풍경의 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 캡쳐링하기 위해 카메라를 제어하도록 구성된다.

항목 22.

항목 21의 시스템은, 이미징 데이터를 프로세싱할 수 있는 이미징 데이터 프로세싱 시스템을 더 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 이미징 데이터 프로세싱 시스템의 소프트웨어는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하고 카메라의 편광 파워의 특성화를 나타내는 저장된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 이미징된 풍경에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 구성된다.

항목 23.

풍경으로부터의 광의 편광을 측정하기 위한 방법은: (a) 단일 포지션에 근접하게 배치되고 연속적인 상이한 방향 각들로 방향 설정된 카메라를 사용하여 풍경의 연속적인 이미지들을 캡쳐링하는 단계 ―여기서, 상이한 입사각들 및 상이한 방향 각들에서 카메라의 편광 파워를 특성화하는 일 세트의 매트릭스들이 알려져 있고 카메라의 센서들의 어레이와 풍경 사이에 편광 필터가 존재하지 않음―; (b) 캡쳐링된 이미지들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계; 및 (c) 복수의 알려진 매트릭스들 및 레지스터링된 캡쳐링된 이미지들에 기초하여 풍경에서 관심있는 하나 이상의 포인트로부터의 광에 대한 편광 계측 값들을 컴퓨팅하는 단계를 포함하며, 단계 (b) 및 (c)는 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 시스템을 이용하여 수행된다.

항목 24.

항목 23의 방법에 있어서, 매트릭스는 뮐러(Mueller) 매트릭스이며 컴퓨팅된 편광 계측 값들은 스토크스 파라미터들이다.

항목 25.

항목 23의 방법에 있어서, 편광 계측 값들은 편광의 각 및 강도를 포함한다.

항목 26.

항목 23의 방법에 있어서, 풍경은 카메라의 광축들을 중심으로 상이한 세 방향 각들로 이미징되며, 이 상이한 방향 각들은 45도의 각 간격으로 배치된다.

항목 27.

항목 23의 방법은, 운송 수단에 카메라를 장착하는 단계 및 상이한 카메라 방향들을 달성하기 위해 운송 수단을 조종하는 단계를 더 포함한다.

항목 28.

특정한 방향 각 및 충돌(impinging) 광의 특정 입사각에서 센서들의 초점면(focal plane) 어레이 및 렌즈를 갖는 카메라의 편광 파워를 특성화하기 위한 경험적 방법으로서, 이 방법은: (a) 비편광된 광을 방출하는 타겟을 제공하는 단계; (b) 매개 편광 필터 없이 그리고 타겟의 일부가 초점면 어레이의 중앙의 하나 이상의 센서들로 프로젝팅되게 카메라를 타겟에 조준하는 단계; (c) 카메라가 단계 (b)에서 설명된 상태에 있는 동안 기준 이미지(reference image)를 캡쳐링하는 단계; (d) 초점면 어레이의 중앙의 센서에 대응하는 기준 이미지의 픽셀에 대한 기준 픽셀 값을 측정하는 단계; (e) 매개 편광 필터 없이 그리고 타겟의 일부가 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 하나 이상의 센서들로 프로젝팅되게 카메라를 타겟에 조준하는 단계; (f) 카메라가 단계 (e)에 설명된 상태에 있는 동안 제 1 이미지를 캡쳐링하는 단계; (g) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 대응하는 제 1 이미지의 픽셀에 대한 제 1 픽셀 값을 측정하는 단계; (h) 카메라와 타겟 사이에 선형 편광 필터를 배치하는 단계; (i) 카메라가 단계 (e) 및 (h)에 설명된 상태에 있는 동안 제 2 이미지를 캡쳐링하는 단계; (j) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 대응하는 제 2 이미지의 픽셀에 대한 제 2 픽셀 값을 측정하는 단계; (k) 기준 픽셀 값들의 세트 및 픽셀 값들의 제 1 세트에 기초하여 매트릭스의 제 1 엘리먼트를 계산하는 단계; 및 (l) 적어도 기준 픽셀 값 및 제 2 픽셀 값에 기초하여 매트릭스의 제 2 엘리먼트를 계산하는 단계를 포함한다.

항목 29.

항목 28의 경험적 방법에 있어서, 단계(h)는 선형 편광 필터의 편광 축이 카메라 렌즈의 중심의 표면 또는 카메라 렌즈의 중심의 입사면 중 하나에 평행하게 선형 편광 필터를 방향 설정시키는 단계를 더 포함한다.

항목 30.

항목 28의 경험적 방법은, (m) 선형 편광 필터를 90°만큼 회전하는 단계; (n) 카메라가 단계 (e) 및 (m)에 설명된 상태에 있는 동안 제 3 이미지를 캡쳐링하는 단계; 및 (o) 초점면 어레이의 에지 또는 코너 부근의 센서에 대응하는 제 3 이미지의 픽셀에 대한 제 3 픽셀 값을 측정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 단계 (l)에서, 적어도 기준 픽셀 값 및 제 2 및 제 3 픽셀 값들에 기초하여 매트릭스의 제 2 엘리먼트가 계산된다.

항목 31.

항목 30의 경험적 방법은, 기준 픽셀 값과 제 2 및 제 3 픽셀 값들에 기초하여 강도 계수를 컴퓨팅하는 단계를 더 포함한다.

항목 32.

항목 31의 경험적 방법에 있어서, 단계(l)에서, 매트릭스의 제 2 엘리먼트의 계산은 강도 계수에 추가로 기초한다.

항공기와 관련하여 다양한 실시예들이 전술되었지만, 다른 실시예들에서 플랫폼은: (a) 타겟 위의 통과들 사이에 그 자신을 재방향 설정하는 우주선; 또는 수중 사진들을 촬영하는 잠수정들 또는 보트들을 포함할 수 있다. 짐벌을 사용하는 실시예들은 운송 수단에 있을 필요조차 없다: 지상 운송 수단 또는 고정된 장비들의 짐벌 장착 카메라들은 카메라 및 이에 부착된 필터를 방향 설정하기 위해 짐벌 이동을 이용할 수 있다. 이는 편광 필터가 렌즈 앞에 부착된 스마트폰 같은 휴대용 카메라에도 적용될 수 있다. 많은 스마트폰들이 방향을 센싱하기 위해 가속도계들 또는 다른 수단을 포함하고, 이들은 프로세서들 및 통신 링크들을 가지기 때문에, 편광 필터를 갖춘 스마트폰은 편광된 이미지들을 획득하고 편광 계측 측정치들을 생성하기 위해 이들을 이용하는, 카메라가 설치된 비행기만큼 성능을 가질 것이다.

게다가, 전술한 실시예들은 CCD를 언급했지만, 본 명세서에 개시된 교시들은 또한 다른 전자 초점면 기술들 또는 필름 카메라 및 스캐닝 디지타이저와 함께 이용될 수 있다.

편광 계측 데이터 획득을 위한 시스템들이 다양한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이하에 설명된 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 등가물들이 다양한 실시예들의 엘리먼트들을 대체할 수 있고 다양한 변화들이 행해질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 본 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서의 교시를 특정 상황에 적응하기 위해 많은 변경이 행해질 수 있다.

청구항들에 사용된 바와 같이, "컴퓨터 시스템"이란 용어는 적어도 하나의 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 시스템을 포함하도록 광범위하게 해석되어야 하며, 컴퓨터 시스템은 네트워크 또는 버스를 통해 통신하는 다수의 컴퓨터들 또는 프로세서들을 가질 수 있다. 앞선 문장에서 사용되듯이, "컴퓨터" 및 "프로세서"라는 용어 둘 모두는 프로세싱 유닛(예를 들어, 중앙 프로세싱 유닛) 및 프로세싱 유닛에 의해 판독가능한 프로그램을 저장하기 위한 어떤 형태의 메모리(즉, 컴퓨터 판독 가능 매체)를 갖는 디바이스들을 지칭한다.

이하에 설명된 방법 청구항들은 본 명세서에서 열거되는 단계들이 알파벳 순으로 또는 이들이 열거되는 순으로 수행되는 것을 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 이들은 또한 둘 또는 그 이상의 단계들의 임의의 부분들이 동시에 또는 택일적으로 수행되는 것을 배제하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "위치"라는 용어는 포지션 및 방향 둘 모두를 포함한다.

Claims (13)

1. 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템에 의한, 상기 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법으로서,
   (a) 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함하는 카메라의 시야에 선형 편광 필터를 위치시키는 단계;
   (b) 단일 포지션으로, 그러나 순차적으로 상이한 세 방향들―세 방향들 각각에 대해 풍경은 상기 카메라의 시야 내에 있음―에서 상기 카메라 및 상기 선형 편광 필터를 향하게 하는 단계;
   (c) 상기 카메라 및 상기 선형 편광 필터가 각각 상이한 세 방향들에 있는 동안 제 1 내지 제 3 필터링된 이미지들을 캡쳐링하는 단계;
   (d) 상기 제 1 내지 상기 제 3 필터링된 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 상기 카메라로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및
   (e) 상기 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들로부터 상기 풍경의 적어도 하나의 포인트의 편광을 컴퓨팅하는 단계를 포함하는,
   풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   운송 수단에 상기 카메라 및 상기 선형 편광 필터를 장착하는 단계를 더 포함하며, 상기 단계(b)는 상기 운송 수단을 조종하는 단계를 포함하는, 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 운송 수단은 무인 운송 수단인, 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 상이한 세 방향들 중 제1의 두 방향의 경우, 기준 방향에 대하여 상기 카메라의 시선에 대한 각각의 각들은 45°의 홀수 정수 배만큼 상이하며, 상기 상이한 세 방향들 중 제2의 두 방향의 경우, 기준 방향에 관하여 상기 카메라의 시선에 대한 각각의 각들은 90°만큼 상이한, 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계(e)를 수행하기 전에, 상기 이미징 데이터의 제 1 내지 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하는 단계를 더 포함하는, 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계(e)는 스토크스(Stokes) 파라미터들을 컴퓨팅하는 단계를 포함하는, 풍경의 편광을 결정하기 위한 방법.
7. 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템으로서,
   무인 운송 수단;
   상기 무인 운송 수단에 온보드된 카메라 ―상기 카메라는 렌즈 및 센서들의 어레이를 포함함―;
   상기 센서들의 어레이의 적어도 제 1 부분의 앞에 배치된 제 1 선형 편광 필터;
   조종을 수행하기 위해 상기 무인 운송 수단을 제어할 수 있는 무인 운송 수단 제어 시스템 ―상기 무인 운송 수단 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하고, 상기 무인 운송 수단 제어 시스템의 상기 소프트웨어는 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각에 있어서, 특정 포지션에 또는 특정 포지션의 부근에, 그리고 서로 상이하지만 각각이 상기 카메라의 시야 내에 상기 풍경을 위치시키는 제 1, 제 2 및 제 3 방향들에 상기 무인 운송 수단을 포지셔닝하기 위해 상기 무인 운송 수단을 제어하도록 구성됨―; 및
   상기 무인 운송 수단에 온보드되어 배치되고 이미지들을 캡쳐링하기 위해 상기 카메라를 제어하는 카메라 제어 시스템을 포함하며,
   상기 카메라 제어 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 상기 카메라 제어 시스템의 상기 소프트웨어는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 발생들 각각 동안 타겟 풍경의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 캡쳐링하기 위해 상기 카메라를 제어하도록 구성되고,
   상기 카메라 제어 시스템은, 그 다음 상기 제 1, 제 2 및 제 3 이미지들을 각각 나타내는 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 출력할 수 있는,
   풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   이미징 데이터를 프로세싱할 수 있는 이미징 데이터 프로세싱 시스템을 더 포함하며, 상기 이미징 데이터 프로세싱 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 상기 이미징 데이터 프로세싱 시스템의 상기 소프트웨어는 상기 이미징 데이터의 제 1, 제 2 및 제 3 세트들을 서로에 대해 레지스터링하고 상기 이미징된 풍경에 대한 편광 값들을 컴퓨팅하도록 구성되는, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 편광 값들은 스토크스 파라미터들을 포함하는, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 무인 운송 수단은 창문을 포함하며, 상기 무인 운송 수단에 장착된 짐벌을 더 포함하며, 상기 카메라는 상기 짐벌에 커플링되고, 상기 선형 편광 필터는 상기 창문에 부착되는, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 무인 운송 수단에 장착된 짐벌을 더 포함하며,
    상기 카메라는, 상기 카메라의 광축에 평행한 축을 중심으로 회전하기 위해 상기 짐벌에 회전가능하게 커플링되며, 상기 선형 편광 필터는 상기 카메라에 부착되는, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 방향들 중 적어도 두 방향에 있어서, 기준 방향에 관하여 상기 카메라의 시선에 대한 각각의 각들은 45°의 정수 배만큼 상이한, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.
13. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서들의 어레이의 제 2 부분 앞에 배치된 제 2 선형 편광 필터를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 선형 편광 필터들 중 하나는 수평으로 편광되고, 상기 제 1 및 제 2 선형 편광 필터들 중 다른 하나는 수직으로 편광되는, 풍경의 이미지들을 획득하기 위한 시스템.

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