本發(fā)明涉及偏振成像，尤其涉及基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、偏振測量是為了確定光與物質(zhì)相互作用時的偏振狀態(tài)，可以用四個斯托克斯參量（線性分量s0?～?s2和圓形分量）來表示。分焦平面（division?of?focal?plane，dofp）成像偏振器采用一組取向?yàn)?°、45°、90°和135°的微偏振片陣列，與探測器陣列的像素相連，通過一次快照即可獲得斯托克斯參量的前三個線性分量，但不能獲得圓形分量。該成像系統(tǒng)是所有類型偏振成像系統(tǒng)中最緊湊的一種，具有體積小、重量輕和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等不可替代性的優(yōu)勢。
2、然而，圓形分量攜帶不同于線性分量的獨(dú)特信息，為特定應(yīng)用提供必要信息，包括物體識別、水下和醫(yī)療診斷，并且還可以克服許多成像或顯示系統(tǒng)中對線性分量的依賴性。因此，實(shí)時獲取全斯托克斯參量的方法近年來受到了廣泛的關(guān)注。
3、目前，實(shí)時獲取全斯托克斯的方法主要有三種：第一種是將非偏振分束器與波片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多徑測量，然而，分束器和光學(xué)支架的存在限制了物鏡的后焦距離，并且分束器的反射導(dǎo)致多個子像重疊在主像上；第二種方法是將微緩速器陣列連接到微偏振器陣列和ccd傳感器上，但需要預(yù)先校準(zhǔn)單個微緩速器并與微偏振器對齊；最后一種是將不同偏振光通過向不同方向擴(kuò)散的超表面進(jìn)行反射衍射的超表面法，通過對衍射光的分析，可以得到完整的斯托克斯參量。面臨的挑戰(zhàn)是衍射效率，波長依賴性，高工藝要求和成本使其難以大規(guī)模生產(chǎn)。文獻(xiàn)[y.?lin,?h.?huang,?y.?wang,?et?al.,?“image-based?polarizationdetection?and?materialrecognition,”?opt.?express?30,?39234?(2022).]演示了一種單次偏振檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用4個電可調(diào)諧液晶波片、4個偏振器和4個相機(jī)模塊來獲得全斯托克斯圖像。文獻(xiàn)[p.?g.?sara,?b.?g.?maria,?g.?g.?pablo,?et?al.,?“quantitativedemonstration?of?the?superiority?of?circularly?polarized?light?in?fogenvironments,”?opt.?lett.?47,?15?(2022).]在分焦平面成像偏振器前放置了一個旋轉(zhuǎn)緩速器來獲得圓形分量，基于此，提出基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置及方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明意在提供基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置及方法，以使用分焦平面偏振成像方法實(shí)時獲取全斯托克斯參量。
2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置及方法，包括第一分焦平面成像偏振器、第二分焦平面成像偏振器、第一四分之一波片和第二四分之一波片；
4、所述第一四分之一波片固定在第一分焦平面成像偏振器的鏡頭前面，所述第一四分之一波片的快軸與第一分焦平面成像偏振器的微偏振片的角度為0°，所述第一分焦平面成像偏振器微偏振片的45°方向改為檢測右旋圓形偏振，所述第一分焦平面成像偏振器微偏振片的135°方向改為檢測左旋圓形偏振；
5、所述第二四分之一波片固定在第二分焦平面成像偏振器的鏡頭前面，所述第二四分之一波片的快軸與第二分焦平面成像偏振器的微偏振片的角度為45°，所述第二分焦平面成像偏振器微偏振片的0°方向改為檢測右旋圓形偏振，所述第二分焦平面成像偏振器微偏振片的90°方向改為檢測左旋圓形偏振。
6、進(jìn)一步的，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片為非彩色的。
7、基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，包括如下步驟：
8、s1、分別使第一分焦平面成像偏振器和第二分焦平面成像偏振器進(jìn)行偏振測量，得到偏振圖像；
9、s2、將第一分焦平面成像偏振器和第二分焦平面成像偏振器得到的偏振圖像對齊；
10、s3、計(jì)算相應(yīng)的偏振矢量圖像，進(jìn)而計(jì)算出線偏振度（dolp）、圓偏振度（docp）、偏振度（dop）、線偏振角（aolp）、圓偏振角（aocp）。
11、進(jìn)一步的，在步驟s1中，單個偏振器的測量過程可表示為：
12、
13、其中，為四個角度處的光強(qiáng)，為輸入斯托克斯矢量，為將輸入偏振轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息的分焦平面（dofp）矩陣；
14、當(dāng)分別在兩分焦平面成像偏振器的鏡頭前加四分之一波片后，得到兩個新的分焦平面（dofp）矩陣，即和：
15、
16、進(jìn)一步的，在步驟?s2中，使用特征檢測算法對圖像的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行檢測和匹配，從而進(jìn)一步計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，對齊偏振圖像。
17、進(jìn)一步的，在步驟s2中，使用harris、sift、surf和kaze中的一種特征檢測算法對圖像的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行檢測和匹配。
18、進(jìn)一步的，在步驟s3中，偏振矢量計(jì)算公式為：
19、
20、線偏振度（dolp）、圓偏振度（docp）、偏振度（dop）、線偏振角（aolp）、圓偏振角（aocp）計(jì)算公式為：
21、
22、其中dolp、docp和dop分別表示線偏振光、圓偏振光和總偏振光占總光強(qiáng)的比例。
23、本技術(shù)方案的原理及有益效果：
24、本發(fā)明使用了兩個分焦平面成像偏振光計(jì)與定角緩速器，以獲得完整的實(shí)時斯托克斯圖像。同時，針對由于偏振光計(jì)位置不同所獲得的斯托克斯圖像視場不同的問題，提出了一種解決方案。雙分焦平面成像偏振器的優(yōu)點(diǎn)是避免了太多的光路，并且使用算法求解不同的視場，避免了分束器帶來的龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。同時本發(fā)明可以快速獲得目標(biāo)在上半球空間的全斯托克斯圖像，能夠用于目標(biāo)全偏振特征分析和三維偏振重建。
1.基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置，其特征在于，包括第一分焦平面成像偏振器、第二分焦平面成像偏振器、第一四分之一波片和第二四分之一波片；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集裝置，其特征在于，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片為非彩色的。
3.基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，其特征在于，包括如下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，其特征在于，在步驟s1中，單個偏振器的測量過程可表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，其特征在于，在步驟s2中，使用特征檢測算法對圖像的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行檢測和匹配，從而進(jìn)一步計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，對齊偏振圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，其特征在于，在步驟s2中，使用harris、sift、surf和kaze中的一種特征檢測算法對圖像的相應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行檢測和匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙分焦平面偏振器的全斯托克斯圖像采集方法，其特征在于，在步驟s3中，偏振矢量計(jì)算公式為：