[发明专利]一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法

说明书

本发明提出一种快照式光场‑偏振成像仪及成像方法，其结构为：沿光线方向依次设置的物镜、视场光阑、准直镜、微透镜阵列一、波片阵列、偏振片阵列、微透镜阵列二以及光电探测器及信号处理部件；目标物的光线经过物镜汇聚到视场光阑上，经过准直镜准直达到微透镜阵列一；再经过波片阵列和偏振片阵列并在微透镜阵列一的后焦面上生成一系列子图像；所述子图像经过微透镜阵列二成像到光电探测器及信号处理部件上。在成像方法上，在不同波长的子区域内分别做目标物的图像以及深度重建，并计算其偏振；本发明可以在探测器一次积分时间内获取目标物的图像、偏振以及深度四维信息；同时，通过平均所有波段的目标物深度，可以大幅提高目标物深度的精度。

技术领域

本发明涉及快照式多维成像技术领域，特别涉及一种快照式光场-偏振成像仪及成像方法。

背景技术

自然界中的光携带九维信息，包括空间信息(x，y，z)、传播角度波长(λ)、偏振角度以及椭圆率(ψ，χ)，而传统的成像系统只捕捉了光的空间二维信息(x，y)。多维成像技术是一种不仅可以获得目标物的空间二维信息，还可以得到另外一维或多维信息的成像技术，在农业、天文、生物检测、环境监测等领域有着广泛的应用。为了获取目标物的多维信息，目前大多数的系统采用扫描的方式。但这种方式并不适用于探测动态目标。为了解决这个问题，学者们提出了使用二维探测器并行获取高维信息的方法，这种技术又被称为快照式多维成像技术。

快照式偏振成像技术是一种在探测器一次积分时间内获取目标物图像和偏振信息的成像技术。光线的偏振态可以由角度ψ和椭圆率χ来表示，在实际应用中，人们更多的使用斯托克斯矢量来表示光线的偏振态：

S0＝I

S1＝Ip cos2ψcos2χ

S2＝Ip sin2ψcos2χ

S3＝Ip sin2χ

式中[S0，S1，S2，S3]T为光线的斯托克斯矢量；I为光强；p为偏振度。为并行获取目标物的图像和偏振信息，Viktor Gruev等人于2010年提出一种基于纳米线滤波器的偏振成像探测器，该探测器是在传统CCD上覆盖了一层纳米线滤波器阵列，每个子滤波器相当于一片偏振片，并与CCD的单个像素相对应。滤波器阵列中有四种不同的子滤波器，偏振方向分别为0°、45°、90°和135°。该探测器结构紧凑，但是该技术仅获得了来自目标物光线的部分偏振信息，即斯托克斯矢量中的[S0，S1，S3]T。类似的技术还有Oliva提出的基于双渥拉斯顿棱镜的快照式偏振成像仪，BrentD.Bartlett等人提出的基于光场相机的快照式偏振成像仪等等。与上述技术不同，Kazuhiko Oka于2003年提出了一种使用一系列双折射棱镜获取目标物的图像以及全部偏振信息的成像技术，但该技术受制于色散对双折射棱镜的影响。2012年，Michael W.Kudenov等人在Kazuhiko Oka的基础上将双折射棱镜替换为一对偏振光栅，消除了色散对系统的影响。