红外偏振成像技术研究

南京理工大学

硕士学位论文

红外偏振成像技术研究

姓名：韩宁

申请学位级别：硕士专业：光学工程

指导教师：陈钱

20080601

【CN109839191A】一种偏振成像方法及其装置、偏振成像系统【专利】

(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 (43)申请公布日 (21)申请号 201910253142.1 (22)申请日 2019.03.29 (71)申请人 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 地址 518055 广东省深圳市南山区学苑大 道1001号南山智园 (72)发明人 马辉　何宏辉　孟若愚　 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 孟金喆 (51)Int.Cl. G01J 3/447(2006.01) (54)发明名称 一种偏振成像方法及其装置、偏振成像系统 (57)摘要 本发明实施例公开了一种偏振成像方法及 其装置、偏振成像系统，该偏振成像方法通过变 化光阑通光孔的位置，以使经收集透镜后的不同 角度范围和/或不同方向的偏振透射光束透过光 阑的光阑通光孔，以获得标准样品的多个第一偏 振属性和待测样品的多个第二偏振属性，并由标 准样品的多个第一偏振属性与标准样品的标准 属性得到多个偏振属性误差，从而能够在获得待 测样品的不同角度的多个第二偏振属性后，由偏 振属性误差对不同角度的多个第二偏振属性进 行校准，以在降低所获得的多个第二偏振属性的 偏振属性误差的前提下，提高待测样品偏振图像 的分辨率，获得待测样品的各向异性信息，并且 偏振成像方法简单， 成本低。权利要求书2页 说明书10页 附图5页CN 109839191 A 2019.06.04 C N 109839191 A

权　利　要　求　书1/2页CN 109839191 A 1.一种偏振成像方法，其特征在于，包括： 控制经标准样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔，以获取标准样品的多个第一偏振属性； 根据所述多个第一偏振属性以及所述标准样品的标准偏振属性获取所述标准样品的多个偏振属性误差； 控制经待测样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔，以获取待测样品的多个第二偏振属性； 根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像包括： 根据所述多个偏振属性误差对应校准所述多个第二偏振属性，获取多个校准偏振属性； 根据所述多个校准偏振属性，获取多个校准偏振图像； 合并所述多个校准偏振图像，以获取所述待测样品的偏振图像。 3.根据权利要求1～2任一项所述方法，其特征在于，所述第一偏振属性、所述第二偏振属性均包括穆勒矩阵。 4.一种偏振成像装置，其特征在于，包括： 第一偏振属性获取单元，用于控制经标准样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔，以获取标准样品的多个第一偏振属性； 偏振属性误差获取单元，用于根据所述多个第一偏振属性以及所述标准样品的标准偏振属性获取所述标准样品的多个偏振属性误差； 第二偏振属性获取单元，用于控制经待测样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔，以获取待测样品的多个第二偏振属性； 偏振图像获取单元，用于根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像。 5.一种偏振成像系统，其特征在于，包括：焦平面滤波装置和权利要求4所述的偏振成像装置； 所述焦平面滤波装置包括沿光路依次设置的光束出射单元、收集透镜、光阑和光束接收单元；待测样品或标准样品放置于所述光束出射单元和所述收集透镜之间； 所述光束出射单元用于提供偏振入射光束，并投射至待测样品或标准样品上； 所述收集透镜用于将透过所述待测样品或所述标准样品的偏振透射光束会聚于所述收集透镜的焦平面上； 所述光阑位于所述收集透镜的焦平面上，所述光阑用于控制会聚于所述焦平面上的预设角度的所述偏振透射光束透过所述焦平面；所述光阑包括光阑通光孔； 所述光束接收单元用于接收透过所述焦平面的所述偏振透射光束。 6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述焦平面滤波装置还包括：检偏单元； 所述检偏单元位于所述光束出射单元与所述光束接收单元之间的光路中；所述待测样品或所述标准样品放置于所述光束出射单元和所述检偏单元之间；所述检偏单元用于调制 2

红外偏振成像探测技术综述

第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月
红 外 技 术 Infrared Technology
Vol.28 No.2 Feb. 2006
〈综述与评论〉
红外偏振成像探测技术综述
聂劲松[1]，汪 震[2]
（1.电子工程学院 503 室，安徽 合肥 230037；2.中科院安徽光机所，安徽 合肥 230031）
摘要：论文对红外偏振成像技术进行了全面系统的综述，在论述红外偏振特性物理本质的基础上，指 出了红外偏振成像技术比较传统的红外成像技术具有的优势；给出了国内外该技术的研究概况；分析 了国外研究红外偏振成像技术得到的主要结论；最后，指出红外偏振成像技术不仅是红外侦察技术的 一次革命性进步，而且对传统的红外伪装技术提出了严峻的挑战，需要引起我们高度的重视。 关键词：偏振；红外；成像；探测技术 中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2006)02-0063-05
Summarize of Infrared Polarization Imaging Detection Technology
NIE Jing-song[1]，WANG Zhen[2]
（1.503 office, Institute of Electronic Engineering, Anhui Hefei, 230037, China; 2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Anhui Hefei, 230031, China）
Abstract：The technology of infrared polarization imaging detect was discussed. The advantages of infrared polarization imaging detect to traditional infrared imaging detect were given, and the main conclusion of overseas on infrared polarization imaging detect was analyzed. In the end, the significance of infrared polarization imaging detection technology and the challenge of this technology to traditional detect technology were pointed out. Key words：polarization；infrared；imaging；detection technology 式显示隐蔽的军事目标。 红外偏振成像技术作为比较传统的红外成像技术 具有以下几点优势： 1） 偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相 当高的精度，这是由于偏振度是辐射值之比。而在传 统的红外辐射量测量中红外测量系统的定标对于红外 系统的测量准确度至关重要。红外器件的老化，光电 转换设备的老化，电子线路的噪声，甚至环境温度、 湿度的变化都会影响到红外系统。如果红外系统的状 态已经改变，但是系统又没有及时定标，那么所测得 的红外辐射亮度和温度必然不能反映被测物的真实辐 射温度和亮度。 2） 根据调研国外公开发表的文献的数据说明， 目 标和背景差别较大，其中自然环境中地物背景的红外
收稿日期：2005-07-05；修改日期：2005-11-08 作者简介：聂劲松（1970－），男，博士，现在解放军电子工 程学院从事军用光学工程专业教学和科研工作，主 要研究方向是激光技术和光电子技术。
引言
由菲涅耳反射定律可知当非偏振光束从光滑介质 表面反射时，会产生部分偏振光。另外根据基尔霍夫 理论，热辐射也表现出偏振效应。所以地球表面和大 气中的任何目标，在反射和发射电磁辐射的过程中都 会产生由他们自身性质和光学基本定律决定的偏振特 性。不同物体或同一物体的不同状态（例如粗糙度、 含水量、构成材料的理化特征等）会产生不同的偏振 状态，且与波长有密切关系，形成偏振光谱。由于偏 振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同 辐射的被测物体可能有不同的偏振度，使用偏振手段 可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号，以成像方
偏振度非常小（＜1.5%） ，只有水体体现出较强的偏 振特性， 其偏振度一般在 8%～10%。 而金属材料目标 的红外偏振度相对较大，达到了 2%～7%，因此以金 63

偏振-成像-光谱整理

一、偏振探测原理 在介质中传输的光，与介质发生相互作用后，其偏振状态的斯托克斯参数或琼斯矩阵会发生变化，改变的程度与介质的物理特性（如其介质特性、结构特征、粗糙度、水分含量、观察角、辐照度等条件）密切相关。 利用光（主要为偏振光）来照射被测物质，经被测物与偏振光的相互作用后偏振光的偏振信息将按规律产生相应的变化，通过检测这种偏振信息的变化来实现测量该被测物的属性，是偏振探测的物理基础。 偏振光的检测是偏振光的应用和偏振探测的一个重要问题，偏振光的检测主要包括偏振光的强度、相位、和取向三个参量的定性分析和定量测量，其基本方法是把上述三个参量的测量转化为光强的测量。 二、偏振探测与雷达探测的对比 在目标识别应用上,与主动雷达扫描方式不同,偏振成像设备体积小、功耗低,探测对象是物体主动发射或反射的电磁波中的偏振部分,便于自身隐蔽。 三、偏振探测与传统成像的对比 在传统的图像处理、分析过程中所使用的技术都是基于光的强度特征和波长特征所提供的信息,这使现有的图像处理、分析以及理解算法很复杂,并且只能对图像中目标的轮廓、类别等做一些初步的分析和理解[5];而偏振图像有其自己统一简单的算法[6],其结果在图像

目视效果方面明显。偏振探测的特点（相对于普通成像技术）： ①偏振探测有助于辨别具有不同质地的目标; ②偏振图像与光强度图像相比,对比度提高; ③偏振图像对置于在背景之上物体的边缘增强效果明显; ④偏振图像与波段有依赖关系; ⑤偏振度与物体表面粗糙度、观测角等依赖关系较 四、多光谱技术 物质的化学组成或结构的不同,导致它们的能带结构以及转动、振动能级不同,其结果使它们的发射光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱也会不同。因此,可通过探测空间光谱分布来探测物质及其在空间上的分布特性。这种技术称为多光谱技术,它建立在能带理论基础之上,其技术基础是光谱分辨和光谱探测技术。 目前多光谱技术有两种不同的含义[1]:一是利用物体的发光或反射光特性,通过光谱分辨技术获取物体的特征光谱信息,来识别物体;二是利用光与物质的相互作用使光发生某种变化,并探测光的变化来获取物质的有关特征信息。后一种多光谱技术所探测的光的变化可能是光谱的变化,或是光强度、偏振等参量的变化。

偏振成像研究综述

偏振成像研究综述 西安工业大学光电工程学院 学生：刘彬彬指导老师：高明 摘要：偏振成像技术是光学领域得一项新技术，国内外十分重视对该技术及其应用的研究。地球表面和大气中的目标在反射、散射、透射及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振。由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性，又由于偏振特性与物体的表面状态和固有属性密切相关，加上不同种类的目标具有不同的偏振特性，使得偏振成像逐步发展成地基、航空和卫星观测的新技术手段。在全球气候变迁研究，对地遥感探测和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标，从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振成像技术的研究进展，并结合国内外相关领域偏振成像实验研究结果，描述了偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域的应用基础研究情况，最后总结和展望了偏振成像技术的问题和发展趋势。 关键字：偏振成像技术；特征偏振：遥感探测。 1 引言 光波的信息量是非常丰富的。依据光波的电磁理论，光波包含的信息主要有：振幅（对应于光强），波长（频率），相位，偏振态。通常的光辐射成像是获取目标的光谱，辐射强度及空间状态等信息，用于反演目标性质参数。但是，从电磁波的横波性质来看，偏振或称极化也是电磁波的重要特征之一。偏振特性与物质性质密切相关，是遥感需要获取的主要信息参数。在光学波段，无论是可见还是红外谱段，不同目标都具有各自一定的偏振特性。偏振参数能够很好的表征被探测目标的性质特征。因此，人们将光学遥感与偏振测量技术相结合，促进了偏振成像技术的发展。 传统的遥感方法获取的信息主要是电磁强度特征和几何特征,而偏振特性取 决于其表面的固有属性，如其介质特征，结构特征，粗糙度，水分含量等，还与观察角度和辐照条件有关，正是由于偏振测量同非偏振测量（通常为光强测量）相比能获得与物质自身特性相关的偏振信息，所以，通过解析目标的偏振信息可以更加容易的识别目标，同时由于偏振测量所具有的上述优点，它在云和大气气溶胶的探测、地质勘探、海洋开发、农牧业发展和军事等相关领域都具有重要的应用价值。同时，传统偏振成像一般采用被动工作方式，具有隐蔽性好的优点，但成像效果和距离均受到气象条件、目标温度对比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技术克服了被动成像的缺点，在远距离暗目标探测和水下探测方面有着重要的应用。相对于被动成像而言，主动成像不依赖目标自身辐射(热成像)和目标对太阳或月亮等次光源的反射(可见光或近红外成像)，而是依靠仪器自身(激光雷达)发出激光作为照明光源，由被探测目标反射或散射光子来提取目标的信息。所以激光照明偏振成像技术不受气象条件、目标温度及背景照度

偏振成像及偏振图像融合技术与方法模板

编号 偏振成像与偏振图像融合技术与方法 Technology and Method of Polarization Imaging and Polarization Image Fusion 学生姓名 专业 学号 学院 2014年06月

摘要：偏振成像技术能在杂乱背景下提高目标的识别率，对于人造假目标和伪装具有独特的辨别能力，同时能提高图像的对比度和清晰度。在过去的十几年中，成像偏振技术获得了迅速的发展，应用的范围也在不断地扩大，己经成为信息获取领域中的一个研究热点。本文主要论述了偏振成像技术的发展现状及应用前景，对偏振光的基本理论进行了研究。通过用数学表达式和矩阵对多源图像融合技术进行了详细的理论描述。 关键词：偏振成像图像融合斯托克斯参量琼斯矩阵

Abstract Polarization imaging has the ability to identify false targets and enhance images taken in poor visibility and even restore clear-day visibility of scene. In the past several years, polarization imaging has been developed rapidly, the scope of application in continually expanding, already became in the field of information for a research hotspot. This article mainly discusses the technology development status and the application prospect of polarized light and studies the basic theory of polarized light technology. By using mathematical expression and the matrix of the source image fusion technology detailed description of the theory. Keywords：Polarization Imaging; Polarization Image Fusion; Stokes parameter; Jones matrix

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究 光谱偏振成像技术是一种将光谱测量技术和偏振成像技术融为一体的新型 光学探测技术,它不仅可以获得被测目标物体的光谱信息,还可以获得被测目标 物体的图像信息和偏振信息,为目标物体的全方位准确识别提供了有力地保障。目前光谱偏振成像技术广泛应用于生物医学诊断、目标探测与识别、空间遥感、环境监测等领域。 为了能够准确理解光谱偏振成像技术的工作原理以及研究新型的光谱偏振 成像系统,本文依托于中波红外微型光谱测量系统、中波红外分孔径同时偏振成像系统对光谱偏振成像技术的光谱测量技术和偏振成像技术进行了研究。在此基础上,构建了中波红外光谱偏振成像系统。 中波红外光谱偏振成像系统是在传统的迈克尔逊系统的基础上,通过引入偏振调制模块和多级阶梯微反射镜,实现了偏振信息的测量和干涉系统的静态化。与传统的傅里叶变换型成像光谱系统相比,此系统除了具有光通量大、多通道的优点外,还具有信息量大的优点。 本论文的主要工作有以下三个部分:一、光谱测量技术研究:提出一种轻型的基于微光学元件的傅里叶变换光谱测量系统,并对系统进行了设计。改进了传统折衍混合单透镜光焦度的分配,得到了可应用于光谱测量系统的单片式准直系统。 基于波像差理论和Sellmeier色散公式,分析了前置准直系统残存的像差以及折衍混合单透镜的衍射面的衍射效率对光谱复原的影响。分析了微光学元件的衍射对光谱复原的影响。 与此同时,分析了微透镜阵列的像面和中继系统的物面的轴向装配误差对光谱复原的影响。最后借助光学分析软件ASAP对空间调制型的傅里叶变换红外光

谱测量系统进行了建模。 二、偏振成像技术研究:结合孔径分割技术和偏振探测技术,提出并设计了一种静态的中波红外分孔径同时偏振成像系统。采用等权重方差的优化方法对系统各通道线偏振片的偏振轴方向以及波片的快轴方向进行了优化,并通过仿真论证了优化方法的正确性。 基于分时偏振成像系统的傅里叶分析法和偏振测量结构的特点,提出一种误差标定和校准的新方法,并对标定理论进行了推导。对中波红外分孔径全偏振成像系统进行了装调、原理样机的集成和校准,并利用校准后的系统进行了偏振成像实验,观察到了明显的偏振现象。 最后对获得的偏振图像进行了图像融合,融合后的图像相较于普通光强图像,图像的细节更加清晰,图像的信息量更大,为目标景物的准确识别提供了有力的保障。三、光谱偏振成像技术研究:提出了一种基于微型静态干涉系统的中波红外傅里变换型线偏振干涉成像系,完成了系统的参数计算。 根据近轴光学理论,采用物镜像方远心和中继系统物方远心的设计方案,使物镜和中继系统很好的匹配,降低了能量损失。当入射光为非偏振光和线偏振光两种极端情况下,对系统的透过率进行了分析,进而对系统获取信息的能力进行评估。 采用邦加球螺旋线的采样方式,分析了旋转偏振的旋转误差,入射光的偏振度、偏振态对偏振信息准确测量的影响,并给出了旋转公差容限,为实际的装配提供指导。

多通道型偏振成像仪的偏振定标

第25卷一第5期2017年5月一一一一一一一一一一一一光学精密工程一O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g 一一一一一一V o l .25一N o .5一一M a y 2 017一一收稿日期:2016-06-16;修订日期:2016-09-02.一一基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(N o .2011A A 12A 103);国家自然科学基金青年基金资助项目(N o .61505199)文章编号一1004-924X (2017)05-1126-09 多通道型偏振成像仪的偏振定标 杨一斌1,2,颜昌翔1,张军强1?,鞠学平1, 2(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033; 2.中国科学院大学,北京100049) 摘要:为了解决多通道型偏振成像仪的偏振定标问题,提出了一种基于积分球无偏光源的偏振定标方法三通过研究偏振光束与光学器件的相互作用,推导出多通道型偏振成像仪的矢量辐射传输模型,确定了需要标定的参数三运用无偏光源标定系统的偏振效应,基于矢量辐射传输模型对中心视场绝对辐射定标系数二光学镜头起偏度和系统低频相对透过率等关键参数进行了标定,通过分析标定结果求解了系统全视场的穆勒矩阵三最后,使用可调偏振度光源验证了仪器典型视场的偏振定标精度三研究结果表明,基于无偏光源的偏振定标方法可以有效提高多通道型偏振成像仪的偏振定标效率;经偏振定标后仪器在目标偏振度低于20%时的偏振测量误差小于1%,满足大气气溶胶测量精度的要求三关一键一词:偏振定标;偏振成像仪;多通道;穆勒矩阵;偏振效应 中图分类号:P 415.34;T P 706一一文献标识码:A一一d o i :10.3788/O P E .20172505.1126P o l a r i m e t r i c c a l i b r a t i o no fm u l t i -c h a n n e l p o l a r i m e t r i c i m a g e r Y A N GB i n 1,2,Y A N C h a n g -x i a n g 1,Z H A N GJ u n -q i a n g 1?,J U X u e -p i n g 1, 2(1.C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f O p t i c s ,F i n eM e c h a n i c s a n dP h y s i c s ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,C h a n g c h u n 130033,C h i n a ;2.U n i v e r s i t y o f C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 100049,C h i n a )?C o r r e s p o n d i n g a u t h o r ,E -m a i l :z j q 1981_81@163.c o m A b s t r a c t :A p o l a r i m e t r i c c a l i b r a t i o nm e t h o db a s e d o nn o n -p o l a r i z e d l i g h t s o u r c ew a s p r o p o s e d t o s o l v e t h e p r o b l e mo f p o l a r i m e t r i c c a l i b r a t i o n o f t h em u l t i -c h a n n e l p o l a r i m e t r i c i m a g e r .T h r o u g h t h e s t u d y o f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n p o l a r i z e d b e a ma n d o p t i c s ,t h e v e c t o r r a d i a t i v e t r a n s f e rm o d e l o fm u l t i -c h a n n e l p o l a r i m e t r i c i m a g e rw a s d e d u c e d a n d t h e c a l i b r a t e d p a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e d .T h ek e yp a r a m e t e r s s u c ha sa b s o l u t er a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n t so fc e n t e rv i e w i n g f i e l d ,p o l a r i z a t i o nd e g r e eo f o p t i c a l l e n s e s a n d r e l a t i v e t r a n s m i t t a n c ew i t h s y s t e ml o wf r e q u e n c y w e r e c a l i b r a t e d b a s e d o n t h e v e c t o r r a d i a t i v e t r a n s f e rm o d e lb y a p p l i c a t i o no f p o l a r i m e t r i ce f f e c t so f t h es y s t e m w i t hn o n -p o l a r i z e dl i g h t s o u r c e .B y a n a l y z i n g t h ec a l i b r a t i o nr e s u l t ,t h e M u e l l e r m a t r i xo ff u l lf i e l do fv i e w w a ss o l v e d .F u r t h e r m o r e ,t h e a c c u r a c y o f p o l a r i m e t r i c c a l i b r a t i o no n t y p i c a l f i e l do f v i e w w a s v e r i f i e dw i t h a l i g h t s o u r c ew i t hv a r i a b l e p o l a r i z a t i o nd e g r e e s .T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e p o l a r i m e t r i cc a l i b r a t i o n m e t h o d b a s e do nn o n -p o l a r i z e dl i g h ts o u r c ec a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h e p o l a r i z a t i o nc a l i b r a t i o ne f f i c i e n c y o f 万方数据