法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-07-07
授权
发明专利权授予
2022-11-22
实质审查的生效 IPC(主分类):G02B27/28 专利申请号:2022103638926 申请日:20220408
实质审查的生效
技术领域
本发明涉及一种偏振成像方法，属于偏振成像、非相干全息术、计算成像等领域。
技术背景
非相干偏振成像的具有广泛的应用价值，其采用Stokes矩阵和Muller矩阵描述偏振。比如在医学上可以实现疾病诊断，在遥感领域可实现区分人造物和自然物体。传统偏振成像的构型大致有：分时偏振、分振幅偏振、分焦平面偏振以及分孔径偏振，且均为透镜系统。然而任何透镜系统均会有像差存在，导致图像质量退化。全息术是理想的无像差成像技术，然而由于相干全息术均采用激光，故以往的相干偏振全息术大多以Jones矩阵表示，而非 Stokes矩阵，故无法替代透镜在非相干偏振成像的应用。
目前基于相干全息术的无透镜成像技术，不能替代基于透镜的非相干偏振成像系统，也无法实现无像差的非相干偏振成像系统。为实现无像差的非相干偏振成像，本发明提出了一种基于多通道无干涉编码孔径相关全息术(Multi-Channel InterferencelessCoded Aperture Correlation Holography,MCI-COACH)的偏振成像方法及装置。
发明内容
本发明提供了一种基于MCI-COACH的偏振成像方法及装置。
为方便表示，定义常见光学元件的缩写：发光二极管—Light Emitted Diode，缩写LED； l/4波片—Quarter Wave Plate，缩写QWP；l/2波片—Half Wave Plate，缩写HWP；分光棱镜—Beam Splitter，缩写BS；偏振分光棱镜—Polarization Beam Splitter，缩写PBS；相位型空间光调制器—Phase Spatial Light Modulator，缩写PSLM。
为方便表示，定义平行于说明书附图1的方向为水平方向，且水平方向为0°，逆时针方向为正方向。
所述一种基于MCI-COACH的偏振成像装置，其包括：LED(1)、第一透镜(2)、光阑(3)、第二透镜(4)、第一偏振片(5)、QWP(6)、目标物(7)、第一NPBS(8)、第三隔离板(9)、第一反射镜(10)、第三柱透镜(11)、半反半透镜(12)、第二偏振片(13)、第二NPBS(14)、第三透镜(15)、第三HWP(16)、第三偏振片(17)、第四透镜(18)、第二BS(19)、PSLM(20)、图像传感器(21)、 PBS(22)、第一隔离板(23)、第四反射镜(24)、第二HWP(25)、第一柱透镜(26)、第一BS(27)、第二反射镜(28)、第二隔离板(29)、第三反射镜(30)、第一HWP(31)、第二柱透镜(32)。所述一种基于MCI-COACH的偏振成像装置包含四个子光路，分别是子光路1、子光路2、子光路3和子光路4。其中，LED(1)提供单色照明，PSLM(20)可以采取任意一种相位型空间光调制器。本发明中采取基于向列相液晶的PSLM(20)，其仅能调制单一角度的线偏振光，所述单一角度的线偏振光的角度为PSLM(20)的调制偏振角。
所述子光路1包括：PBS(22)、第一隔离板(23)、第四反射镜(24)、第二HWP(25)、第一柱透镜(26)、第一BS(27)；其中，由PBS(22)至子光路1的透射光偏振角度为0°，并经由第二HWP(25)旋转偏振态至45°。
所述子光路2包括：PBS(22)、第二隔离板(29)、第三反射镜(30)、第一HWP(31)、第二柱透镜(32)、第一BS(27)；其中，由PBS(22)至子光路2的反射光偏振角度为90°，并经由第一HWP(31)旋转偏振态至45°。
所述子光路3包括：第一NPBS(8)、第三隔离板(9)、第一反射镜(10)、第三柱透镜(11)、半反半透镜(12)、第二偏振片(13)、第二NPBS(14)，其中第二偏振片(13)的偏振角度为45°。
所述子光路4包括：第二NPBS(14)、第三透镜(15)、第三HWP(16)、第三偏振片(17)、第四透镜(18)、第二BS(19)、PSLM(20)、图像传感器(21)。
所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3的光入射至所述子光路4后，均为45°的线偏振光。所述子光路4中，第三HWP(16)将入射至所述子光路4的光旋转至PSLM(20)的调制偏振角。
第三透镜(15)与第四透镜(18)构成4f系统，PSLM(20)位于所述4f系统的后焦平面，第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)位于所述4f系统的前焦平面；故而第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)、第四透镜(18)被成像在图像传感器(21)上。
第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)的复振幅可表示为：
其中，f
进入所述一种基于MCI-COACH的偏振成像装置中的光线，在第一NPBS(8)开始分束，分别进入所述第一子光路、所述第二子光路、所述第三子光路，并在第二NPBS(14)合束；从第一NPBS(8)分束至第二NPBS(14)合束过程中，各个光束的光程一致。
本发明提供了一种基于MCI-COACH的偏振成像方法。
采取任意一种方法，生成多幅编码相位掩膜(Coded Phase Mask,CPM)，比如Gerchberg-Saxton(GS)算法，并将其显示在PSLM(20)上。第n个CPM表示为CPM
PSF
所述子光路m的点扩散全息图(Point Spread Hologram,PSH)可写为：
所述子光路m的全息图表示为H
按照下式可重建所述子光路m的图像R
其中，n
式(5)计算出偏振成像的所需参数。
附图说明
图1一种基于MCI-COACH的偏振成像装置,1-LED，2-第一透镜，3-光阑，4-第二透镜，5-第一偏振片，6-QWP，7-目标物，8-第一NPBS，9-第三隔离板，10-第一反射镜，11- 第三柱透镜，12-半反半透镜，13-第二偏振片，14-第二NPBS，15-第三透镜，16-第三HWP， 17-第三偏振片，18-第四透镜，19-第二BS，20-PSLM，21-图像传感器，22-PBS，23-第一隔离板，24-第四反射镜，25-第二HWP，26-第一柱透镜，27-第一BS，28-第二反射镜，28-第二反射镜，29-第二隔离板，30-第三反射镜，31-第一HWP，32-第二柱透镜。
图2MCI-COACH偏振成像实验结果。
图3线偏振角AOLP测量值与理论值。
图4线偏振度DOLP测量值与理论值。
具体实施方式
实施例1：结合图1所示装置，图2实验结果，以及所述一种基于MCI-COACH的偏振成像方法，进一步阐述，如何利用所述一种基于MCI-COACH的偏振成像方法及装置，获取被拍照物体的重建图像和斯托克斯参数。
图1一种基于MCI-COACH的偏振成像装置，其包括：LED(1)、第一透镜(2)、光阑(3)、第二透镜(4)、第一偏振片(5)、QWP(6)、目标物(7)、第一NPBS(8)、第三隔离板(9)、第一反射镜(10)、第三柱透镜(11)、半反半透镜(12)、第二偏振片(13)、第二NPBS(14)、第三透镜(15)、第三HWP(16)、第三偏振片(17)、第四透镜(18)、第二BS(19)、PSLM(20)、图像传感器(21)、 PBS(22)、第一隔离板(23)、第四反射镜(24)、第二HWP(25)、第一柱透镜(26)、第一BS(27)、第二反射镜(28)、第二隔离板(29)、第三反射镜(30)、第一HWP(31)、第二柱透镜(32)。其中第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)的焦距均为200mm。
第二偏振片(13)的角度为45°。图1所示装置用于拍摄目标物(7)时，将图1中的第一偏振片(5)和QWP(6)移除。由LED(1)发出的全偏光经由第一NPBS(8)、PBS(22)分束后，分为三束光，分别位于所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3。位于所述子光路1的光束从PBS(22) 出射后，偏振角度为0，经由第二HWP(25)调整后，其偏振角度为-45°，经由第一BS(27)反射后，进入所述光路4，偏振角度为45°。位于所述子光路2的光束从PBS(22)出射后偏振角为90°，经由第一HWP(31)调整后，偏振角度为45°，并入射至所述子光路4。所述子光路3的光束经过偏振角度为-45°的第二偏振片(13)调整后，被第二NPBS(14)反射，偏振角度变为 45°，并汇入所述子光路4。所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3中的第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)的相位不同，所以其PSF也各不相同。从所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3汇入所述子光路4的光束，偏振角度均为45°，经由第三HWP(16) 调整后，调整为0°，与第三偏振片(17)角度相同。PSLM(20)的调制偏振角度同样为0°。半反半透镜(12)用于衰减所述子光路3的光强，使得全偏光入射所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3的光强相似。第三透镜(15)和第四透镜(18)焦距为150mm，并组成4f系统。所述 4f系统的后焦平面位于PSLM(20)屏幕上，其前焦平面分别位于第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)所在平面。通过所述4f系统将第一柱透镜(26)、第二柱透镜(32)、第三柱透镜(11)投射至PSLM(20)。
在记录所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3的PSF过程中，移除第一偏振片(5)、QWP(6)。首先将所述子光路1中的第一隔离板(23)移除，激活所述子光路1。并记录所述子光路1的两幅PSF，如图2e)和h)所示。激活所述子光路2则是将第二隔离板(29)移走，第一隔离板(23)与第三隔离板(9)放置在图1中所示位置，并记录其PSF，如图2f)和i)所示。记录所述子光路3的PSF时，移走第三隔离板(9)，第一隔离板(23)、第二隔离板(29)放置图1 所示位置，并记录所述子光路3的PSF，图2g)和j)所示。上述记录PSF过程可采用针孔记录，也可采用波前调制方法代替。最后记录物体的强度响应，第一隔离板(23)、第二隔离板(29)、第三隔离板(9)均移除，并且第一偏振片(5)放回原处。第一偏振片(5)的偏振角度设置为135°，物体如图2a)所示。物体经由所述子光路1、所述子光路2、所述子光路3的光会一同入射到图像传感器(21)中，形成如图2h)与k)所示的强度图。通过式(5)，采用图2o)所示的全息图分别与图2l)、m)、n)所示的PSH重建，分别得到图2b)、c)、d)所示结果。可见在单幅全息图中，可以得到三幅不同的偏振图像。
实施例2：结合图1所示装置，图3、图4的实验结果，以及所述一种基于MCI-COACH的偏振成像方法，进一步阐述，如何利用所述一种基于MCI-COACH的偏振成像方法及装置，测量被拍照物体的线偏振度(Degree Of Linear Polarization,DOLP)和线偏振角(AngleOf Linear Polarization,AOLP)。
如图1所示装置中，移除QWP(6)，旋转第一偏振片调整入射光的偏振度，以10°为间隔，旋至180°；并依据实施例1重建不同偏振图像；并根据式(6)，获取物体的斯托克斯参数。获取斯托克斯参数后，可依据下式，得到AOLP，可表示为：
图3展示AOLP的理论值、实际值。图3所示误差棒是整个图像的AOLP相对于其 AOLP均值的标准差。因为理论上图像物体部分AOLP相同，故误差棒可用于表示AOLP测量过程中的不确定度。图3所示误差最大为5.39°，且测量结果标准差最大值为3.27°。与理论AOLP吻合度较好。
图1所示装置中，将QWP(6)与第一偏振片放回，并且QWP(6)的快轴或慢轴与第一偏振片重合。旋转QWP(6)的过程中，偏振光会退线偏振度。从0°开始，以10°为步长，将QWP(6)旋到180°1；并依据实施例1重建不同偏振图像；并根据式(6)，获取物体的斯托克斯参数。获取斯托克斯参数后，可依据下式，得到DOLP，可表示为：
记录各个步长的DOLP数值。DOLP理论值与实际值曲线如图4所示。图4所示误差棒是整个图像的DOLP相对于其DOLP均值的标准差。因为理论上图像物体部分DOLP相同，故可用于表示DOLP测量过程中的不确定度。误差最大值约为0.25。且测量结果标准差最大值为0.11。DOLP的误差较大，是噪声项导致的，即式(5)中的噪声项n
具体实施方式中的实施例仅代表本发明的某些种实施方式，不能代表本发明的保护范围。凡在本发明所解释的原理之内的修改、替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。
机译： 该装置系统可以用于成像，以及一种方法，光谱编码外差干涉测量法
机译： 基于具有编码错误和进化阶数的相关投影的多通道自适应滤波的紧凑且可配置的方法和装置。
机译： 一种图像编码方法和装置或图像解码方法和装置，用于基于与块相关联地确定的至少一个样本值和至少一个模式来执行帧内预测
