[發明專利]一種基于分時法的快速偏振成像裝置及方法

在審

• 申請號: 202110202881.5
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113055566A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 陳迪虎;謝邵春;金偉;周佐達;熊偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/232;G02B27/28;G03B17/12;G03B41/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種基于分時法的快速偏振成像裝置，其特征在于，包括：鏡頭模塊(1)、角度旋轉模塊(2)、偏振片(3)、高速相機成像模塊(4)；

在所述高速相機成像模塊(4)的前方設置有所述偏振片(3)，所述角度旋轉模塊(2)帶動所述偏振片(3)勻速旋轉的同時，所述鏡頭模塊(1)中的光學鏡頭將外部光線會聚后再經過所述偏振片(3)入射到所述高速相機成像模塊(4)內，所述高速相機成像模塊(4)在所述偏振片(3)連續勻速旋轉過程中拍攝目標場景在不同偏振角度下的多幅光強圖像以用于求解偏振圖像。

2.根據權利要求1所述的基于分時法的快速偏振成像裝置，其特征在于：所述高速相機成像模塊(4)在所述偏振片(3)每次旋轉一圈的時間內至少曝光五次。

3.根據權利要求2所述的基于分時法的快速偏振成像裝置，其特征在于：所述角度旋轉模塊(2)帶動所述偏振片(3)每旋轉一個固定的角度增量值α時，所述高速相機成像模塊(4)拍攝一次圖像，從而得到一系列在不同偏振角度下曝光時所拍攝的光強圖像，其中，α45°。

4.根據權利要求1所述的基于分時法的快速偏振成像裝置，其特征在于：所述角度旋轉模塊(2)包括：電機、轉速檢測裝置和電機控制模塊；

所述轉速檢測裝置用于檢測所述偏振片(3)的轉速，并實時向所述電機控制模塊反饋所述偏振片(3)的轉速信息，所述電機控制模塊再根據所述轉速檢測裝置實時反饋的轉速信息判斷是否生成相應的轉動控制指令送給所述電機，從而實現對所述偏振片(3)的轉速閉環控制。

5.根據權利要求4所述的基于分時法的快速偏振成像裝置，其特征在于：所述電機為空心電機，從所述鏡頭模塊(1)中的光學透鏡出射的光線在所述空心電機中心的孔徑中通過，且所述偏振片(3)置于所述空心電機的孔徑內部。

6.一種基于分時法的快速偏振成像方法，其特征是應用于由鏡頭模塊(1)、角度旋轉模塊(2)、偏振片(3)、高速相機成像模塊(4)所組成的成像裝置中，并按如下步驟進行：

S1、令所述偏振片(3)繞其自身光軸旋轉，當所述偏振片(3)勻速平穩轉動后，令所述高速相機成像模塊(4)開始拍照，并設定所述偏振片(3)的透光軸與參考軸的初始夾角為0，之后所述偏振片(3)每旋轉一個固定的角度增量值α時，所述高速相機成像模塊(4)曝光一次，從而得到目標場景在不同偏振角度下曝光時所拍攝的K幅光強圖像；

S2、根據所得到的K幅光強圖像和已知探測器的焦平面像元數h×v，按照拍照時間順序，每次計算偏振圖像前，依次取前n幅光強圖像，求解目標偏振態的Stokes參數，并根據所述Stokes參數與偏振度、偏振角之間的關系，求解出2×(K-n+1)幅偏振圖像，以實現偏振成像的測量：

S2.1、定義四個變量k、i、S、n，并初始化k＝1、i＝1、S＝h×v、n為一固定值且n≥5；

S2.2、按照拍照時間順序，在第k次求解偏振圖像時，使用第k幅到第k+n-1幅的n幅光強圖像，并利用式(1)表示在第k次解偏過程中求解各個像元的偏振信息時所用的矩陣方程：

式(1)中，表示第k幅光強圖像的第i個像元的光強值，表示第k+n-1幅光強圖像的第i個像元的光強值，表示與入射光的總強度有關的參量，表示與0°和90°方向的線偏振信息有關的參量，表示與45°和135°方向的線偏振信息有關的參量；

令3×1的Stokes矢量表征第k次解偏時第i個像元的偏振態；

令方程組系數矩陣

令光強值矩陣

S2.3、假設在等精度的測量條件下，使用式(2)所示的最小二乘法求解式(1)，得到第k次解偏時第i個像元的Stokes矢量的最佳估計解

式(2)中，上標T表示矩陣的轉置，上標-1表示矩陣的逆；

S2.4、利用式(3)得到第k次解偏時第i個像元的偏振度

S2.5、利用式(4)得到第k次解偏時第i個像元的偏振角

S2.6、將i+1賦值給i，判斷iS是否成立，若成立，則表示第k次解偏完成；否則，返回步驟S2.2執行；

S2.7、將k+1賦值給k，判斷kK-n+1是否成立，若成立，則表示K幅光強圖像全部解偏完成，并得到2×(K-n+1)幅偏振圖像，且所述偏振圖像是利用所述偏振度圖像和偏振角圖像來表征的；否則，返回步驟S2.2執行。