[发明专利]一种单目快照式深度偏振四维成像方法和系统

说明书

本公开实施例提供的单目快照式深度偏振四维成像方法和系统，包括：构建成像系统的数值仿真模型，通过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；根据设计的结果搭建成像系统，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；利用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，根据像场畸变参数对该单幅编码图像进行矫正；根据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。本公开实施例在有效控制成本、体积、重量和能耗的前提下，能够获取高精度的四维光场信息。

技术领域

本公开可被应用于光学成像和机器视觉等领域，具体涉及一种可对二维强度、深度、偏振等四维光场实现单目快照式成像的方法和系统。

背景技术

获取场景的多维光场信息，包括探测场景的二维光强、深度、偏振、光谱信息。传统相机成像时仅获取目标场景的二维光强信息。深度信息即场景内各点到相机的距离，其在机器人、自动驾驶、智能制造、人脸识别与检测、增强现实等领域有着广泛的应用。光场的偏振和光谱信息可以揭示场景更加丰富的特征，对于目标识别与追踪、特征分析、图像增强等任务有着重要的作用。

传统多维视觉感知系统通常体积、重量与功耗庞大，并且一般会牺牲时间和空间分辨率，难以满足众多实际应用需求。例如深度信息的获取往往需要主动激光照明或采用多个镜头；偏振成像往往需要通过分振幅、分焦面或时域复用的方式；光谱探测需要大体积色散分光元件、空域复用的滤波阵列或时域复用的扫描。同时获取二维光强、深度、偏振、光谱在内的多维光场信息则更具挑战，需要进一步增加系统体积与复杂度。

近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注。通过亚波长尺度的结构设计，超构表面可以对电磁波的振幅、相位和偏振等特性进行灵活地调控。将超构表面集成于成像系统中，为通过集成化、微型化的系统获取场景的深度、偏振、光谱信息提供了新的可能性。但是已实验演示的利用超构表面探测光场信息的工作仅能获取二维光强外的一维信息，且仍需要主动激光照明，时、空域复用等。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开第一方面实施例提出一种可实现集成化、微型化对四维光场信息实时、高精度获取的单目快照式深度偏振四维成像方法，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。

本公开第一方面实施例提供的单目快照式深度偏振四维成像方法，具有以下特点及有益效果：

成像系统的在二维光电传感器上的输出图像g(x,y)是包含二维光强投影、场景深度、偏振等多维信息的系统输入光场f(x,y,z,p)与成像系统点扩展函数PSF(x,y,z,p)的卷积。传统成像方法仅考虑成像系统对二维光强的脉冲响应，即PSF(x,y)，从而丢失其它维度的信息。本公开实施例体提供的成像方法通过对成像系统对多维光场的脉冲响应PSF(x,y,z,p)以及图像解码方法进行联合设计，以实现无需激光照明的单目快照式多维光场信息获取。本公开实施例提供的成像方法具有极低的复杂度，便于成像系统的集成化与微型化，以远小于传统方法所需的成本、体积、重量、能耗等，能够获取高精度的四维光场信息。