全偏振態(tài)同時(shí)探測(cè)實(shí)時(shí)彩色偏振成像技術(shù)研究

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1、全偏振態(tài)同時(shí)探測(cè)實(shí)時(shí)彩色偏振成像技術(shù)研究巨海娟1,2，梁健1,2，張文飛1,2，白兆峰1，任立勇1，屈恩世1(1.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光子學(xué)研究室,西安市710119；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京市100049)摘要:偏振光學(xué)成像技術(shù)作為一種新型的光學(xué)成像技術(shù)，通過對(duì)光波偏振特性的探測(cè)，增加了信息的探測(cè)維度，有利于全面、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的信息。文中闡述了偏振成像的探測(cè)方法，典型偏振成像系統(tǒng)的分類；詳細(xì)介紹了一種基于Stokes矢量方法的分孔徑全偏振態(tài)同時(shí)探測(cè)的實(shí)時(shí)彩色偏振成像相機(jī)；利用該相機(jī)進(jìn)行了全偏振度成像實(shí)驗(yàn)和偏振去霧成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明全偏振態(tài)同

2、時(shí)探測(cè)偏振成像技術(shù)在提高成像探測(cè)距離、目標(biāo)細(xì)節(jié)獲取及恢復(fù)等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楝F(xiàn)代光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)提供重要的技術(shù)補(bǔ)充。關(guān)鍵詞:偏振成像；全偏振態(tài)；同時(shí)探測(cè)；分孔徑PACS:42.30.-d中圖法分類號(hào):0436文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言偏振光學(xué)成像技術(shù)是一種近年來快速發(fā)展的新型光學(xué)成像技術(shù)。傳統(tǒng)光學(xué)強(qiáng)度成像是通過探測(cè)反射、輻射光強(qiáng)的二維空間分布來獲得圖像的；偏振光學(xué)成像在傳統(tǒng)強(qiáng)度成像基礎(chǔ)上增加了偏振信息維度，不僅能獲得二維空間光強(qiáng)分布，還能獲得目標(biāo)反射光的每一點(diǎn)的偏振信息。偏振特性作為光波的一種固有特性，在光波與目標(biāo)物質(zhì)相互作用時(shí)，由于不同物質(zhì)的幾何形狀、表面粗

3、糙度、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等不同，反射光的偏振特性會(huì)存在一定的差別。利用偏振信息可以分析目標(biāo)的物理特性，結(jié)合空間特性，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的探測(cè)和識(shí)別[1]，或者在復(fù)雜環(huán)境中有效檢測(cè)和識(shí)別常規(guī)成像技術(shù)無法識(shí)別的目標(biāo)。因此，在目標(biāo)探測(cè)[2-4]、生物醫(yī)學(xué)[5-8]、三維重構(gòu)[9,10]、去霧成像[11-14]及大氣光學(xué)[15]等領(lǐng)域，偏振光學(xué)成像技術(shù)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的研究和應(yīng)用開發(fā)熱點(diǎn)[16-19]。早期的偏振成像系統(tǒng)一般只獲取目標(biāo)的線偏振特性，而在一些人造目標(biāo)及金屬目標(biāo)的探測(cè)中，目標(biāo)的圓偏振特性是一個(gè)非常重要的特征信息，因此，全偏振探測(cè)成像技術(shù)成為偏振光

4、學(xué)成像領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[20-23]?；谌玈tokes矢量的全偏振探測(cè)成像技術(shù)，主要是通過拍攝多幅（一般三幅或四幅）經(jīng)不同偏振態(tài)調(diào)制后的強(qiáng)度圖像并進(jìn)行偏振信息提取來實(shí)現(xiàn)的。常用的全Stokes矢量偏振成像方案主要有分時(shí)獲取和同時(shí)獲取兩種。對(duì)于分時(shí)偏振成像系統(tǒng)，由于不能在同一時(shí)刻獲取所有的偏振圖像，因此只適用于靜態(tài)場(chǎng)景偏振信息的探測(cè)，不適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)場(chǎng)景的探測(cè)。因此，多幅偏振圖像的同時(shí)獲取和偏振信息的實(shí)時(shí)提取成為偏振光學(xué)成像探測(cè)技術(shù)實(shí)用化的重要條件。文中闡述了偏振成像的基本原理，詳細(xì)介紹了一種分孔徑全偏振態(tài)同時(shí)探測(cè)實(shí)時(shí)彩色偏振成像相機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該相機(jī)在全偏

5、振度成像實(shí)驗(yàn)和偏振去霧成像實(shí)驗(yàn)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種電磁波，光的干涉和衍射現(xiàn)象說明了光的波動(dòng)性，而光的偏振現(xiàn)象又揭示了光的橫波特性。光的偏振特性反映的是光與物質(zhì)相互作用過程中，光矢量的幅度和方向隨光傳播的變化情況。一般為了說明偏振光，采用與光波傳播方向垂直的兩個(gè)分量（例如x,y軸分量）的時(shí)間平均來描述偏振狀態(tài)。沿z軸方向傳播的光，可以認(rèn)為是由x軸（水平軸）和y軸（垂直軸）方向振動(dòng)的兩支光波合成的。在一個(gè)定態(tài)的單一頻率的振動(dòng)中，兩個(gè)分量也是定態(tài)的，且保持一定的相位關(guān)系。相互正交的兩分量可以用下式表示：------------

6、---------------------收稿日期：****-**-*；修返日期：****-**-*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61505246,61535015，61275149）作者簡(jiǎn)介:巨海娟(1988－)，女，甘肅慶陽(yáng)人，工程師，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠窆鈱W(xué)技術(shù).juhaijuan@opt.ac.cn,(1)其中，j1和j2分別是x和y方向的初相位。定義j=j1-j2為x方向和y方向之間的初相位差。兩分量都在z方向傳播，合成的光波動(dòng)為：(2)消去，得到下式：.(3)這里，當(dāng)j為一個(gè)常量時(shí)，(3)式為一個(gè)橢圓方程，光矢量是橢圓偏振的（如果j是p的整數(shù)倍，

7、則表示光矢量是線偏振的；當(dāng)E0x=E0y，j=±p/2時(shí)，光矢量是圓偏振的）；當(dāng)光波中既包含非偏振光，又包含偏振光，就稱為部分偏振；當(dāng)j為隨機(jī)數(shù)時(shí)，產(chǎn)生的光矢量為非偏振的。定量描述光的偏振態(tài)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，還可以表示非偏振光。自然界中輻射或反射光大多數(shù)為部分偏振光，其攜帶的豐富信息可以通過Stokes矢量完全地表示出來，故偏振成像探測(cè)技術(shù)中一般采用Stokes矢量來描述其偏振態(tài)。1.1偏振成像探測(cè)方法Stokes矢量利用4個(gè)獨(dú)立

8、的參量S0，S1，S2和S3描述光的偏