[发明专利]一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及偏振成像技术领域，特别涉及一种基于全斯托克斯矢量的快速偏振成像方法。

背景技术

偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。因此，偏振成像技术展现出了巨大的发展潜力，也成为国内外关注的研究和应用热点之一，广泛应用于天文观测，生物组织检测和医学诊断，大气环境和海洋监测，遥感成像，航天飞行器发动机结构缺陷检测，军事目标探测等重要领域。

目前比较常见的偏振成像技术主要包括分时型、分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种。传统分时型偏振成像探测方法主要通过旋转偏振延迟器或波片的方法，并与角度固定的偏振片结合，获取对同一目标场景在不同时刻的全斯托克斯矢量偏振态图像，其具有装置结构简单、成本低、偏振成像精度高等优点，但由于需要采集多个静止位置偏振态，因此只能用于静态目标全斯托克斯矢量偏振成像；发明专利“一种全斯托克斯单光子压缩偏振成像装置”(专利申请号：201910988812.4)、“一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像方法”(专利申请号：201510377163.6)、“全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪”(专利申请号：201510377162.1)、“基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法”(专利申请号：201310723574.7)等均采用新的原理提出了全斯托克斯矢量偏振成像方法，但上述方法均需要在多个静态偏振调制状态下开展测量，仍然没有改变智能对静态目标全斯托克斯矢量偏振成像的结果。分振幅型、分孔径型、以及分焦平面型四种偏振成像方法均能够同时获取不同偏振调制下的全斯托克斯矢量偏振成像数据，实时性好，但存在功能和性能上的显著不足。如分振幅型全斯托克斯矢量偏振成像装置系统复杂、体积大、重量重、一致性和稳定性差，分孔径型全斯托克斯矢量偏振成像装置空间分辨率低、图像配准困难、系统稳定性不高，分焦平面型偏振成像装置一般只能获取目标成像线偏振态，无法获取全斯托克斯矢量。虽然发明专利“基于表面等离子基元的全斯托克斯矢量偏振器”(专利申请号：201620748008.0)、“全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法”(专利申请号：201810620205.8)、“二维全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法”(专利申请号：202110097901.7)均提出了新的能够同时获取全斯托克斯矢量的偏振成像方法，但单元器件制作难度大、偏振调制消光比低、均匀性差、存在视场混淆误差等因素限制了此类全斯托克斯矢量偏振成像技术性能及其发展。

鉴于上述偏振成像装置的性能和速度不足，研究人员提出了基于连续旋转偏振片的快速偏振成像装置和方法，如发明专利“一种基于分时法的快速偏振成像装置和方法”(专利申请号：202110202881)，虽然一定程度上提升了偏振成像速度，但只能对线偏振分量进行探测，且未考虑偏振片连续旋转带来的偏振调制非均匀性，偏振成像精度和速度均受到限制。发明专利“基于旋转偏振片的红外偏振成像测量装置”(专利申请号：201910141102.8)采用旋转轮对三片角度不同的偏振片进行旋转切换偏振成像，但只能对线偏振分量进行探测，且在旋转轮连续旋转过程中仍将偏振片作单一偏振调制状态处理，降低偏振成像精度，测量速度受限。

发明内容