[发明专利]一种单目快照式深度偏振四维成像方法和系统

权利要求书

1.一种单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，包括：

步骤S1、构建成像系统的数值仿真模型，通过优化成像系统的入瞳平面的相位分布，设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数并设计实现所述相位分布的镜头参数；

步骤S2、根据步骤S1的设计结果搭建成像系统，对该成像系统的点扩展函数进行标定；获取像场的畸变参数；

步骤S3、利用步骤S2搭建的成像系统对目标场景进行单次拍摄，得到含有目标场景四维光场信息的单幅编码图像，根据步骤S2中获取的像场畸变参数对该单幅编码图像进行矫正；

步骤S4、根据步骤S2标定后的点扩展函数将目标场景的四维光场信息从单幅编码图像中解码，得到目标场景的强度图、偏振对比图和深度图。

2.根据权利要求1所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S1中，所述镜头选用超构表面镜头，所述超构表面镜头包括以阵列形式布设的若干光学天线，所述步骤S1包括以下步骤：

步骤S101、根据在目标波段的损耗和折射率选取所述超构表面镜头的材料和所述光学天线的几何结构；

步骤S102、通过仿真计算确定实现独立调控一对正交线偏振光或分别独立调控多对正交偏振光的透射相位的光学天线的可选几何参数；

步骤S103、选取物理模型，初步设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数所需的透射相位；

步骤S104、以最大化单螺旋点扩展函数的焦点光能量为目标对初步设计的透射相位进行迭代优化；

步骤S105、根据步骤S104得到的透射相位设计，并结合步骤S102确定的光学天线的几何参数中选取超构表面镜头在(x,y)坐标处的光学天线的几何参数。

3.根据权利要求2所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S103中，所述点扩展函数采用单螺旋点扩展函数；一对所述正交线偏振光为X偏振光和Y偏振光；多对所述正交偏振光包括X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45°的一对正交线偏振光，X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45°的一对左旋圆偏振光，以及X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45°的一对右旋圆偏振光中的任意两对或三对偏振光。

4.根据权利要求3所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S103中，将超构表面镜头的透射相位初步设计为产生单螺旋点扩展函数的附加相位项加上标准透镜聚焦项与偏振分光项，其中选取一对正交线偏振光时：

设对X偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ_xf，设对Y偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ_yf，表达式分别为：

式中，f为超构表面镜头的焦距，θ为偏振分光的离轴角，x,y为入瞳平面沿x轴和y轴的二维坐标；

设对X偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为设对Y偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为均通过菲涅耳区方法设计得到，和的表达式分别为：

式中，u为入瞳平面的归一化径向坐标，为入瞳平面的方位角，[L,ε]是可调的设计参数，L用于调节单螺旋点扩展函数随深度的旋转速率，ε用于调节单螺旋点扩展函数紧凑程度与形状不变性之间的取舍。

5.根据权利要求3所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S104包括：

从相位分布的初步设计置于入瞳平面开始，以角谱法计算若干位于不同深度的轴上点光源在成像平面上对应的但螺旋点扩展函数的复振幅，将该复振幅与优化函数相乘，所述优化函数为满足二维高斯分布的复振幅，以该复振幅的振幅峰值为中心，用于迭代地增加限制在单螺旋的点扩展函数焦点主瓣内的光能的比例，将优化后的点扩展函数的复振幅反向传播到入瞳平面，并将对应不同深度点光源的复振幅加权平均，权重之和为1，加权平均后的入瞳平面复振幅中的振幅随后被设置为1，相位保留作为下一次迭代的输入；不断重复迭代过程，直至点扩展函数焦点主瓣内的光能的比例趋于稳定，迭代优化结束，得到透射相位设计。