基于彩色CCD的三波長Stokes矢量偏振測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及偏振測量領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于光強(qiáng)測量積分時(shí)間優(yōu)化的偏振測 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 偏振信息作為光波的基本物理信息之一，可W提供其它光波信息所不能提供的被 測物信息，因此基于偏振信息的測量在許多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。Stokes矢量描述了 光波的偏振態(tài)，包含了最基本的偏振信息。Stokes矢量的測量也由此成為偏振測量領(lǐng)域的 主要方向之一，因此提高Stokes矢量的測量精度對(duì)于提高偏振測量技術(shù)的水平具有重要意 義。測量數(shù)據(jù)的方差是影響測量精度的關(guān)鍵因素。通常的Stokes矢量測量是通過光強(qiáng)的測 量來實(shí)現(xiàn)的：首先測量偏振分析器(PSA)四個(gè)不同狀態(tài)下的透射光強(qiáng)信息，其中PSA四個(gè)不 同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的四次光強(qiáng)測量的積分時(shí)間相同；然后根據(jù)PSA測量矩陣和光強(qiáng)的測量值計(jì) 算Stokes矢量。之前的均分光強(qiáng)積分時(shí)間的方案并沒有考慮光強(qiáng)積分時(shí)間對(duì)于Stokes矢量 測量方差的影響，因此在某些情況下，不能實(shí)現(xiàn)最小化的Stokes矢量測量方差和最優(yōu)化的 測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于彩色CCD的Ξ波長Stokes 矢量偏振測量系統(tǒng)及方法，利用彩色CCD相機(jī)RGB模式Ξ通道下光強(qiáng)串?dāng)_的直接影響，并通 過測量RGBS通道中共十二個(gè)維度下的光強(qiáng)信息，得到被測物體在不同波長光照射下分別 的偏振信息，進(jìn)而得到物體在多波長光照射下各自的Stokes矢量的測量值。
[0004] 本發(fā)明提出了一種基于彩色CCD的Ξ波長Stokes矢量偏振測量系統(tǒng)，用于同步測 量Ξ個(gè)波長下Stokes矢量的值，該系統(tǒng)包括Ξ波長激光光源組1、反射鏡2、半透半反鏡組3、 擴(kuò)束裝置組4、反射板5、四分之一波片6、偏振片7、彩色CCD相機(jī)8;Ξ波長激光光源組1發(fā)出 的光分別經(jīng)過反射鏡2和半透半反鏡組3入射到擴(kuò)束裝置4上，經(jīng)反射板5反射后形成固定的 待測Stokes矢量，再經(jīng)過由四分之一波片6和偏振片7組成的偏振態(tài)分析器后進(jìn)入彩色CCD 相機(jī)8;所述反射板5表面貼有被測物體;通過調(diào)節(jié)四分之一波片6和偏振片7的角度可W實(shí) 現(xiàn)測量矩陣W中的各個(gè)偏振狀態(tài)。
[0005] 本發(fā)明還提出了一種基于光強(qiáng)測量積分時(shí)間優(yōu)化的Stokes矢量測量方法，用于同 步測量Ξ個(gè)波長下Stokes矢量的值，該方法包括W下步驟：
[0006] 步驟一、由偏振片和四分之一波片構(gòu)成的偏振分析器，其Mueller矩陣Μ表示為：
[0007] M=MpMr
[000引
[0009]
[0010] 式中，Mp為與水平相夾角度為θρ的偏振片的Mueller矩陣;Mr為相位延遲量為α、其 快軸方向與水平相夾角度為扣的波片的Mueller矩陣;取其第一行行矩陣并設(shè)其為戶，當(dāng)偏 振片與四分之一波片處于四種不同狀態(tài)時(shí)，獲得四個(gè)不同的行矩陣。1^21，了31^41;求出； 個(gè)波長下相應(yīng)的測量矩陣W:
[0011]
(12)
[0012] 利用彩色CCD相機(jī)采集偏振分析器四個(gè)不同狀態(tài)下的下的四幅RGBS維彩色圖像；
[0013] 步驟二、將采集得到的彩色圖像的光強(qiáng)信息進(jìn)行圖像分解和處理，獲得彩色光強(qiáng) 信息在R、G、BS個(gè)獨(dú)立色彩空間下各自的單色光光強(qiáng)；
[0014] 步驟Ξ、利用已知的彩色CCD相機(jī)RGBS通道下的量子轉(zhuǎn)換效率光譜曲線對(duì)
[0015] 單色光光強(qiáng)進(jìn)行修正，光強(qiáng)修正系數(shù)矩陣K為：
[0019] 進(jìn)而得到CCD相機(jī)入射光在Ξ個(gè)不同波長下的真實(shí)光強(qiáng);實(shí)際入射光對(duì)應(yīng)的光強(qiáng) 矩陣I:
[0020] 1=化
[0021] Is為彩色CCD相機(jī)在PSA處于四種不同偏振狀態(tài)下直接獲得的光強(qiáng)矩陣；
[0022] 步驟四、根據(jù)修正后單色光光強(qiáng)矩陣及每個(gè)波長下的測量矩陣W，分別測得Ξ 波長光照射下，物體對(duì)應(yīng)于每一波長下的Stokes參量，具體包括W下計(jì)算：
[0023] 求解矩陣I，并分離其行矩陣即可將獲得在每一波長下的光強(qiáng)矩陣
[0024]
[0025] 11，i2，i3，i4為偏振分析器四種不同偏振狀態(tài)下的光強(qiáng)；
[00%] 每一波長下的Stokes矢量Sa表不為；
[0027]
[002引其中人=45011111，53211111，63311111，胖1-1其為每一波長下的測量矩陣胖的轉(zhuǎn)置矩陣。
[0029] 其中所述步驟二的對(duì)彩色圖像的光強(qiáng)信息進(jìn)行圖像分解和處理的方法是:將彩色 圖像的光強(qiáng)信息分解為RGB空間下Ξ色單色光光強(qiáng)信息，并將其W同一維度圖像的單色光 強(qiáng)按R、G、BS色順序排成一列的規(guī)律制成一 3X4的光強(qiáng)矩陣。
[0030] 其中所述步驟Ξ的對(duì)單色光光強(qiáng)信息進(jìn)行修正的方法是:將已知CCD相機(jī)的RGB串 擾曲線在入射光對(duì)應(yīng)波長下的RGB串?dāng)_系數(shù)編制成一 3X3矩陣，將該矩陣作為系數(shù)矩陣與 光強(qiáng)矩陣相乘，所獲得的新的3X4矩陣即為原光強(qiáng)矩陣的修正矩陣。
[0031] 本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)在于：
[0032] 1、本發(fā)明方法利用彩色CCDS通道同步光強(qiáng)測量的特點(diǎn)，將Stokes矢量測量方法 推廣至多光譜領(lǐng)域，并且不增加光強(qiáng)測量次數(shù)。測量多波長條件下下的Stokes矢量對(duì)彩色 偏振成像研究具有重要意義。
[0033] 2、本發(fā)明方法只需使用CCD相機(jī)采集4次圖像即可得到Ξ個(gè)波長下共12個(gè)維度的 物體偏振信息，大大增加了獲取的偏振信息量。
【附圖說明】
[0034] 圖1為基于彩色CCD的Ξ波長Stokes矢量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2為本實(shí)驗(yàn)室采用的彩色CCD相機(jī)波長與RGBS個(gè)通道對(duì)于不同波長的轉(zhuǎn)換效率 曲線。
[0036] 圖3為實(shí)驗(yàn)過程中采集的彩色圖像在RGB空間分解得到的Ξ色灰度(光強(qiáng)）圖像；
[0037] 圖4為圖3中經(jīng)消串?dāng)_處理后得到的RGB各個(gè)通道歸一化真實(shí)光強(qiáng)圖像；
[0038] 圖5為最終處理得到的Ξ波長下Stokes參量各分量圖像信息。
[0039] 附圖標(biāo)記：1、450加1、53化m、63化m激光光源組(Ξ波長激光光源組），2、反射鏡，3、 半透半反鏡組，4、擴(kuò)束裝置組，5、反射板(表面貼有被測物體），6、四分之一波片，7、偏振片， 8、彩色CCD相機(jī)（Stingray F-033C型）。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 如圖1所示，450nm、532nm、633nm激光光源組1發(fā)出的光分別經(jīng)過反射鏡2和半透半 反鏡組3入射到擴(kuò)束裝置4上，經(jīng)反射板5反射后形成固定的待測Stokes矢量，再經(jīng)過由四分 之一波片6和偏振片7組成的偏振態(tài)分析器(PSA)后進(jìn)入彩色CCD相機(jī)8。通過調(diào)節(jié)四分之一 波片6和偏振片7的角度可W實(shí)現(xiàn)測量矩陣W中的各個(gè)偏振狀態(tài)。本系統(tǒng)所選用的光強(qiáng)探測 器件是St ingray F-033C型彩色CCD相機(jī)。
[0041 ] 基于彩色CCD的Ξ波長Stokes矢量測量方法具體步驟如下：
[0042] 對(duì)于一個(gè)任意波片，設(shè)其相位延遲量為α，其快軸方向與水平相夾角度為0R。則其 Mueller矩陣為：
[0043]
[0044] 而對(duì)于一個(gè)與水平相夾角度為θρ的線偏振片而言，其Mueller矩陣為：
[0045]
[0046] 本發(fā)明中的PSA是由一個(gè)線偏振片和一個(gè)四分之一波片構(gòu)成的。此時(shí)其Mueller矩 陣Μ可W表示為：
[0047] M=MpMr (11)
[004引取其第一行行矩陣并設(shè)其為Τ?。當(dāng)偏振片與波片處于四種不同狀態(tài)時(shí)，可獲得四 個(gè)不同的行矩陣，Τ2Ι，Τ3Ι，Τ4Ι;則此時(shí)W矩陣為：
[0049]
(12)
[0050] 需要說明的是，波片的相位延遲量為α是隨波長變化的。通過獲得實(shí)驗(yàn)中所用波片 在不同波長的下的相位延遲量，并將偏振片和波片的角度一同代入公式（12)中的W矩陣即 可得到矩陣W在不同波長下的具體參數(shù)。
[0051] 在本實(shí)施例中，PSA四個(gè)狀態(tài)下偏振片和波片在的角度分別為（θρ，θκ) = (〇°，〇°); (90°，0°); (45°，45°); (45°，0°)。WPSA偏振器件組在450nm、532nm、633nm波長下的測量矩 陣的逆矩陣W品，W品，W品為例，該Ξ個(gè)波長對(duì)應(yīng)的測量矩陣分另ijW為：
[0055] 本實(shí)施案例所用的Stingray F-033C型彩色CCD相機(jī)RGBS個(gè)通道在不同波長下的 轉(zhuǎn)換效率如圖2所示。根據(jù)圖2，R通道在450nm、532nm、633nm波長下的轉(zhuǎn)換效率分別為 0.0061，0.0142，0.2678 ;G通道在450nm、53^im、63：3nm波長下的轉(zhuǎn)換效率分別為0.0497， 0.3010,0.0081 ;B 通道在 450nm、532nm、633nm 波長下的轉(zhuǎn)換效率分別為 0.2330,0.0477，0。 則其光強(qiáng)修正系數(shù)矩陣κ為：
[0059] 首先記錄在PSA(0P，目R) = (0。，0。）；（90。，0。）；（45。，45。）；（45。，0。）四個(gè)狀態(tài)下對(duì) 應(yīng)的四副彩色CCD圖像。根據(jù)記錄得到的彩色圖像，可W獲得RGBS個(gè)通道對(duì)應(yīng)的灰度圖像， 如圖3所示。
[0060] 隨