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1、-范文最新推荐-1 / 14偏振光成像技术研究+文献综述摘要光波所含的信息量非常丰富，如强度，波长，相干性与偏振态等。传统的成像方法一般测量光波的光强辐射值与光谱特性，从而获得组成物体的材料的信息。而偏振成像方法测量光波的偏振状态和光场的矢量信息，因此可以获得物体的表面特征、形状以及粗糙度等信息。首先介绍了偏振成像的原理，随后对一些典型偏振成像方法的特点与应用条件进行了分析并介绍了近年来的一些新进展。最后讨论了偏振图像的后期处理问题，使用信号处理方法实现了对场景的复原。论文通过理论和实验论证了偏振成像的优越性，并展示了其在生活与生产中的一些应用。关键词偏振成像斯托克斯矢量计算摄影学图像处理11
2、767毕业设计说明书（论文）外文摘要 TitleTechnical Research of Polarization ImagingAbstractLight contains abundant information，including intensity，wavelength，coherence and polarization. Conventional imaging methods commonly measure the intensity radiation and spectral information of the light to obtain information a
3、bout the distribution of material components of the object， while polarimetry seeks to measure the polarization information of the light and information about the vector nature of the optical field. So it can tell us about surface features, shape and roughness of the object. In this paper, first the
4、 basic theory of polarimetry is introduced. Then the characteristics and situations for practice of some typical polarimetry methods are analyzed. Some new developments are introduced at the same time. At last the paper discusses process of the polarization images, and uses signal-processing methods
5、 to achieve inversion of the scene. Polarimetric Imaging is proved to be superior to conventional ones through theory and experiments. Some applications in everyday life and -范文最新推荐-3 / 14production are shown as well. 1.2 研究现状与存在问题对偏振光学的研究可以追溯到 G.G.Stokes 于 1852年提出的 Stokes 参量组 1，但是对于偏振成像的研究还是近几十年来的事
6、情。1981 年 Walraven 率先展示了可见光区域内的偏振成像，同年美国政府率先将偏振光成像应用在了光谱资源采样实验遥感卫星上2,3，三十多年来，人们对偏振光成像做了多方面的研究。1991 年， S. G. Demos 与 R. R. Alfano 曾设计出一个经典的主动偏振成像系统4，通过对拍摄目标在一对正交方向上的偏振像来分别得到物体表面与内部的成像。而在被动偏振成像中，使用斯托克斯矢量表示目标物的信息最为方便5，Stenflo 和 Povel 曾使用双重的压敏调制器来获得斯托克斯矢量中的所有变量6。目前，偏振光被动成像，尤其是基于斯托克斯矢量的成像方法成为了研究的热点，人们对分振幅
7、法，分孔径法与分焦平面阵列法等成像方法都做了更深入的研究。虽然偏振光成像有着广阔的应用前景，但目前对于成像技术的研究仍然存在着一些问题，这些问题主要集中在实际应用上与后期图像处理上。想要得到高品质的偏振成像常常需要尺寸庞大的仪器，如果将成像范围扩展到某些波段还需要冷却系统，如何进一步优化系统配置，提高成像质量仍待研究。另外获得的图像也需要经过后期处理以得到预期的结果，这也是需要进一步探讨的。偏振成像原理概述偏振成像机理是偏振成像的理论基础，因此首先让我们从菲涅尔公式，瑞利散射和斯托克斯矢量方面来逐一讨论偏振成像的原理。2.1 从菲涅尔公式出发探讨光的偏振特性根据能量定理，在介质不吸收能量时，光
8、入射到两种介质的分界面时其能量只在反射光与透射光间重新-范文最新推荐-5 / 14分配，而总能量保持不变。如图 2.1 所示： 目标和背景的偏振对比度（Contrast of degree of polarization）的定义是：式中， 与 分别为目标与背景的偏振度。经过计算对比可知当入射角在布儒斯特角附近时偏振对比度大于光强对比度，因而偏振成像的对比度大，能有效的分辨物体的轮廓，因此能够明显提高成像的对比度，进而提高成像系统的性能。2.1.2 入射角对偏振特性的影响由计算可知，随着入射角的增大，反射光偏振特性的反差先变大，后变小。严格的说，物体表面是一个曲面，总有以布儒斯特角入射的光线，此
9、时平行分量的反射率为零，反射光的偏振对比度最大。对于轴上和轴外成像的光线来说，偏振对比度略有不同。目标物体轮廓部分的法线和成像仪器光轴的夹角属于突变区域，此区域反射光的偏振对比度也属于突变区域，因此偏振成像能够显著提高成像仪器的图像分辨能力，突显物体的轮廓。2.2 瑞利散射对偏振态的影响瑞利散射又称为分子散射，是光在通过纯净的气体或液体时由分子的密度涨落或偶极距涨落形成光学不均匀性所产生的一种光散射。当到达观测仪器（或观测者）的辐射主要是由于单次散射所产生的时偏振度一般很大。当到达观测仪器（或观测者）的辐射主要是由于多次散射所产生的时偏振度一般很小，这是因为偏振的方向被扰乱了。通过理论分析和国
10、外相关的实验室模拟实验8和外场实验9可证实在观察仪器的光轴方向，背景与目标物的偏振对比度具有较强的穿透散射介质（如烟雾，沙尘，水等）的能力，这保证了在散射介质中仪器能够继续正常工作10。2.3 通过 Stokes 方程组描述光的偏振特性-范文最新推荐-7 / 142.3.1Stokes 矢量表示法1852 年斯托克斯（Stokes ）提出用四个参量（斯托克斯参量）来描述光波的强度与偏振态11。与普通的琼斯矢量不同的是被描述的光可以是完全偏振光，部分偏振光和完全非偏振光；可以是单色光也可以是非单色光。这四个斯托克斯参量全部都是光强的时间平均值（时间间隔长到可以测量） ，组成一个四维的数学矢量，其
11、定义如下： 我们首先介绍两种典型的偏振光调制法：第一种为傅里叶（Fourier）分析法。测量原理图见图 2.2。图 2.2 傅里叶分析法的测量原理图如图 2.2 所示，待检测的单色光波经准直透镜 后变成平行光，随后相继通过波片 和偏振棱镜 ，再由聚光透镜 把待检测的光波聚在光探测器 上。测量时以入射光为轴转动波片 或偏振器 ，则透射光的强度与斯托克斯参量的关系式为：式中， 为 的透光轴与 轴的夹角； 为波片 的快轴和 轴的夹角；这里的光学系统使用 坐标系。因为光电探测器的光敏面一般都具有某种程度的偏振选择性，因此实际实验时最好旋转波片而固定偏振棱镜。此时，透射光强的表达式为：(2.18)式中，
12、 ； 为波片 旋转的角速度，设波片旋转一周有 N 个调制点，则波片的旋转步进角 此时式（2.18 ）可展开成傅里叶级数形式：式中， ； ； 为在各调制点上测得的光强值； 为 的函数，且：, ,(2.21)式（2.20）是以斯托克斯参量为变量采用最小二乘法确定的，在式（2.18）中用 代替 ，参照式（2.19） ，-范文最新推荐-9 / 14得到斯托克斯参量为：接下来我们介绍一种使用带调制器的偏振光计来测量斯托克斯参量的方法。绝大多数的偏振光计均由一个光调制器和一个检偏器组成，调制器的作用是改变待测光波（即调制器的透射光）两正交平偏振分量间的相位差，常用方法有电光调制，声光调制，磁光调制法等。图
13、 2.3 是电光晶体构成的偏振光计的原理图，其光路图与图（2.2 ）类似，差别只是用两块电光晶体 代替波片代替波片 ，设 为纵向调制的电光晶体， 的感应主轴和检偏器 的透光主轴平行， 的透光主轴则成 夹角。 3 偏振光成像的技术实现与应用分析偏振成像是偏振测定方法中的一种，偏振成像有着广泛的用途：机器视觉，远程遥感，生物医学和天体研究等领域都从中受益匪浅。不同的研究领域往往对成像结果有着不同的要求。如机器视觉方面会希望能够获取除光谱和光强之外的更多性征，远程遥感方面会希望目标成像清晰且去除周围环境的干扰，生物医学方面经常希望能在不破坏表面组织的情况下看到生物体内部的结构，而天体研究方面则会希望
14、通过偏振成像的方法使探测器在白天，各项干扰都比较强的情况下也能正常工作以获得更多的资料等。总之，不同的行业特性决定了不同的需求，从而在光路的选择上也有所区别，在本章中我们将讨论几个典型的偏振成像技术实现方案，并结合前人著作对实验的结果做出分析，推广到相应的应用场合。偏振光成像的实验设置很多，但大体可以分为两类，一类是以激光做光源，使用安装偏振片的探测器接收从物体上反射回的反射光并成像，这种成像方式被称为主动偏振成像（Active Polarimetric Imaging） ，这种成像方式可以穿透物体的表面，探测到物体内部的信息，这种成像方式在医学上有着丰富的应用。另一类是使用自然光做光源，安装偏振片的探测器直接接收从物体表面反射回的自然光的反射光并成像，这种成-范文最新推荐-
