一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114166348A(43)申请公布日2022.03.11(21)申请号202111542588.X(22)申请日2021.12.16(71)申请人中国科学院光电技术研究所地址610209四川省成都市双流350信箱(72)发明人顾乃庭肖亚维黄林海饶长辉(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人金怡(51)Int.Cl.G01J4/00(2006.01)G01N21/21(2006.01)权利要求书4页说明书7页附图2页(54)发明名称一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法(57)摘要本发明公开了一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其基于旋转偏振延迟器进行全斯托克斯矢量偏振成像探测原理，将偏振延迟器安装于中空高速电机上高速旋转，并采用高精度同轴编码器实时测量偏振延迟器瞬时角度，与角度固定的偏振片结合，实现对成像镜头收集的入射光高速、高精度椭圆偏振调制；同时，采集光强探测器对连续旋转偏振延迟器瞬态偏振调制后的强度进行时间积分，并利用集成于数据采集及信号处理模块中的数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测。本发明极大提升全斯托克斯矢量偏振成像探测精度和测量速度。CN114166348ACN114166348A权利要求书1/4页1.一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法，其特征在于：该方法包括：步骤一、构建强度‑时间积分型全斯托克斯矢量快速偏振成像装置，由成像镜头(1)、中空高速电机(2)、高精度同轴编码器(3)、偏振延迟器(8)、偏振片(4)、光强探测器(5)、同步控制模块(6)、数据采集及信号处理模块(7)组成，成像镜头(1)搜集入射光形成成像光束，经过偏振延迟器(8)和偏振片(4)偏振调制后进入光强探测器(5)的光敏面上，并由数据采集及信号处理模块(7)对光强探测器(5)探测到的强度时间积分进行采集、处理，获取入射光的全斯托克斯矢量偏振参数，其中，中空高速电机(2)由内转子和外定子组成，偏振延迟器(8)和高精度同轴编码器(3)与中空高速电机(2)内转子固定连接，并跟随中空高速电机(2)连续转动；偏振延迟器(8)在高速连续转动过程中，与角度固定偏振片(4)共同对成像光束进行连续偏振调制，形成瞬时偏振态变化的成像光束；高精度同轴编码器(3)测量偏振延迟器(8)瞬时旋转角度，并实时反馈给同步控制模块(6)；同步控制模块(6)根据测量偏振延迟器(8)瞬旋转角度形成高速触发脉冲信号，对光强探测器(5)进行同步曝光触发，对偏振延迟器(8)连续偏振调制形成的瞬时偏振态成像光束在曝光时间进行强度积分，由数据采集及信号处理模块(7)采集并处理强度‑时间积分数据；此外，同步控制模块(6)可对中空高速电机(2)转速进行控制，并控制数据采集及信号处理模块(7)同步采集强度‑积分时间数据；步骤二、利用数据反演方法和冗余复用算法反演入射光偏振参数，实现对目标场景快速、高精度全斯托克斯矢量偏振成像探测；具体的，静态情况下，光强探测器探测到的强度与偏振延迟器角度及入射光偏振态之间关系如公式(1)所示：其中，[Iin,Qin,Uin,Qin]为入射光的全斯托克斯矢量，(α,δ)分别表示偏振延迟器快轴角度和偏振延迟量，f(α,δ)、g(α,δ)、p(α,δ)分别为Qin、Uin、Qin的系数函数，表达式如下式所示：当偏振延迟器连续旋转时，光强探测器探测到的瞬时强度除了与入射光偏振态有关外，还与偏振延迟器瞬时角度和延迟量有关，因此，公式(1)可以表达为如下时变函数：其中，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度。相应地，公式(2)则写为：在曝光时间内，光强探测器探测到光强可以表示为瞬时光强的时间积分，由此，公式(3)可以进一步表达为：2CN114166348A权利要求书2/4页其中，t1和t2分别表示强度积分的起止时刻，α(t)为t时刻偏振延迟器的瞬时角度，其与中空高速电机的转动角速度ω0有关，如下式所示：α(t)＝ω0t(6)进一步推导公式(5)可以得到Qin、Uin、Qin的系数函数时间积分数学表达式：设偏振延迟器初始时刻t0时的瞬时角度为α0＝α(t0)＝ω0t0，光强探测器曝光时间△t＝t2‑t1，在曝光时间△t内偏振延迟器旋转过的曝光角△α可以表示为：Δα＝ω0Δt(10)因此，公式(7)～(9)可以进一步表达为：令：3CN114166348A权利要求书3/4页则公式(5)可以重写为：偏振延迟器高速旋转过程中，光强探测器曝光N次可以获得N个强度积分值，并构建N个线性方程，可写成矩阵形式如下：其中，[α01,α02,…,α0N]为光强探测器对应N次曝光起始时刻偏振延迟器的瞬时角度，其12N可由高