全偏振态同时探测实时彩色偏振成像技术研究

《全偏振态同时探测实时彩色偏振成像技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、全偏振态同时探测实时彩色偏振成像技术研究巨海娟1,2，梁健1,2，张文飞1,2，白兆峰1，任立勇1，屈恩世1(1.中国科学院西安光学精密机械研究所信息光子学研究室,西安市710119；2.中国科学院大学,北京市100049)摘要:偏振光学成像技术作为一种新型的光学成像技术，通过对光波偏振特性的探测，增加了信息的探测维度，有利于全面、准确地获取目标的信息。文中阐述了偏振成像的探测方法，典型偏振成像系统的分类；详细介绍了一种基于Stokes矢量方法的分孔径全偏振态同时探测的实时彩色偏振成像相机；利用该相机进行了全偏振度成像实验和偏振去雾成像实验。实验表明全偏振态同

2、时探测偏振成像技术在提高成像探测距离、目标细节获取及恢复等方面具有一定优势，能够为现代光学成像探测系统提供重要的技术补充。关键词:偏振成像；全偏振态；同时探测；分孔径PACS:42.30.-d中图法分类号:0436文献标识码：A0引言偏振光学成像技术是一种近年来快速发展的新型光学成像技术。传统光学强度成像是通过探测反射、辐射光强的二维空间分布来获得图像的；偏振光学成像在传统强度成像基础上增加了偏振信息维度，不仅能获得二维空间光强分布，还能获得目标反射光的每一点的偏振信息。偏振特性作为光波的一种固有特性，在光波与目标物质相互作用时，由于不同物质的几何形状、表面粗

3、糙度、结构和材质等不同，反射光的偏振特性会存在一定的差别。利用偏振信息可以分析目标的物理特性，结合空间特性，可对目标进行有效的探测和识别[1]，或者在复杂环境中有效检测和识别常规成像技术无法识别的目标。因此，在目标探测[2-4]、生物医学[5-8]、三维重构[9,10]、去雾成像[11-14]及大气光学[15]等领域，偏振光学成像技术展现出广泛的应用前景，成为国内外关注的研究和应用开发热点[16-19]。早期的偏振成像系统一般只获取目标的线偏振特性，而在一些人造目标及金属目标的探测中，目标的圆偏振特性是一个非常重要的特征信息，因此，全偏振探测成像技术成为偏振光

4、学成像领域的一个研究热点[20-23]。基于全Stokes矢量的全偏振探测成像技术，主要是通过拍摄多幅（一般三幅或四幅）经不同偏振态调制后的强度图像并进行偏振信息提取来实现的。常用的全Stokes矢量偏振成像方案主要有分时获取和同时获取两种。对于分时偏振成像系统，由于不能在同一时刻获取所有的偏振图像，因此只适用于静态场景偏振信息的探测，不适用于动态目标场景的探测。因此，多幅偏振图像的同时获取和偏振信息的实时提取成为偏振光学成像探测技术实用化的重要条件。文中阐述了偏振成像的基本原理，详细介绍了一种分孔径全偏振态同时探测实时彩色偏振成像相机，实验验证了该相机在全偏

5、振度成像实验和偏振去雾成像实验的有效性。1偏振成像基本原理1.1偏振光及其描述方法光是一种电磁波，光的干涉和衍射现象说明了光的波动性，而光的偏振现象又揭示了光的横波特性。光的偏振特性反映的是光与物质相互作用过程中，光矢量的幅度和方向随光传播的变化情况。一般为了说明偏振光，采用与光波传播方向垂直的两个分量（例如x,y轴分量）的时间平均来描述偏振状态。沿z轴方向传播的光，可以认为是由x轴（水平轴）和y轴（垂直轴）方向振动的两支光波合成的。在一个定态的单一频率的振动中，两个分量也是定态的，且保持一定的相位关系。相互正交的两分量可以用下式表示：------------

6、---------------------收稿日期：****-**-*；修返日期：****-**-*基金项目：国家自然科学基金（61505246,61535015，61275149）作者简介:巨海娟(1988－)，女，甘肃庆阳人，工程师，硕士，主要研究领域为偏振光学技术.juhaijuan@opt.ac.cn,(1)其中，j1和j2分别是x和y方向的初相位。定义j=j1-j2为x方向和y方向之间的初相位差。两分量都在z方向传播，合成的光波动为：(2)消去，得到下式：.(3)这里，当j为一个常量时，(3)式为一个椭圆方程，光矢量是椭圆偏振的（如果j是p的整数倍，

7、则表示光矢量是线偏振的；当E0x=E0y，j=±p/2时，光矢量是圆偏振的）；当光波中既包含非偏振光，又包含偏振光，就称为部分偏振；当j为随机数时，产生的光矢量为非偏振的。定量描述光的偏振态的方法主要有Jones矢量法和Stokes矢量法。Jones矢量主要用于描述完全偏振光，而Stokes矢量既可以表示完全偏振光，也可以表示部分偏振光，还可以表示非偏振光。自然界中辐射或反射光大多数为部分偏振光，其携带的丰富信息可以通过Stokes矢量完全地表示出来，故偏振成像探测技术中一般采用Stokes矢量来描述其偏振态。1.1偏振成像探测方法Stokes矢量利用4个独立

8、的参量S0，S1，S2和S3描述光的偏