偏振成像研究综述

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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

的影响,在遥感尤其是军事目标识别方面有着广泛的应用前景。

偏振是各种矢量波的一种基本性质,是指用一矢量波来描述空间某一固定点所观测到的矢量波随时间变化的特征。在偏振遥感中,我们常用stokes矢量法表示光的偏振态。光学偏振遥感探测在获取目标光辐射参数的基础上,能够得到目标stokes参数I,Q,U,V,它们既可以作为独立的信息,又可以计算得到目标的偏振信息,比如偏振度、偏振角以及偏振率等。为偏振成像解译提供更多维的数据源。并且由于偏振态是偏振辐射分量经过计算后的比值,因此在保证测量时刻相对精度的情况下,可以得到较高的偏振解析精度。对于偏振定标而言,只需要保证定标测量时刻的相对稳定源。偏振定标精度能够达到较高的水平。另外,偏振信息及其变化具有角度敏感性,将有助于目标状态特征的反演。光学偏振成像的这些独特之处,使其成为光学遥感技术的有限补充,在大气探测,对地遥感和天文学观测领域得到重要应用。

在我们生活中的科学探测试验中,传统的光强成像技术已经不能够满足我们的需求,随着偏振成像技术在最近一二十年的快速发展。偏振成像技术已经从可见光偏振成像技术向短波红外,中波红外到长波红外偏振成像技术的方向不断发展。同时,为了克服现有发展的各种偏振成像技术存在的问题,人们慢慢的研究探索着各种改进方法。例如像同时偏振成像技术,多光谱偏振成像技术,超光谱偏振成像技术等。比如说同时偏振成像技术就是通过一次曝光来获取同一景物的多幅不同偏振方向的偏振图像,它从根本上解决了一般偏振成像技术探测精度不高的问题;还比如说由于光强成像技术的不足,它在探测隐蔽或伪装的目标,实现对小温差目标的探测和识别,水下目标的探测和识别,在烟雾环境条件下的导航等等方面的严重不足,偏振成像技术就能很好的探测。像红外偏振成像技术能很好的探测隐蔽或伪装的目标,热红外偏振成像技术能实现对小温差目标的探测和识别,用偏振图像去雾算法就能很好的解决烟雾环境条件下的各种成像问题……

多年来,人们广泛开展了偏振探测系统技术,偏振机理及实验,偏振信息建模和解译等工作,应用于地面偏振测量,航空偏振探测和卫星偏振遥感的成像/非成像光学偏振仪器系统技术日趋成熟,各项偏振信息应用基础研究工作也逐步走向系统化、专业化方向发展。

实际上,偏振光的应用可谓历史悠久,比如,偏振测量在天文学上的应用,至今已经有一百多年的历史。除了遥感探测之外,偏振光在其他方面的应用也是非常广泛的:摄影、立体电影、汽车车灯、偏振太阳镜和望远镜、激光器谐振腔、偏振显微镜、糖度计等。椭圆偏振测量术已经应用于材料光学性质测定,半导体、电化学、生物学和医学等。近年来,又产生了利用偏振光读出光盘记录信息的技术。此外,还在固体的辐射损伤探测中得到应用。人们还从多方面开展了光学偏振遥感研究。从探测平台及探测装置看,国内外已经发展了地面、机载偏振成像探测试验装置,国外已研制成功星载偏振成像装置……所有这些,人们已经积累了大量经验成果。

2 偏振成像基本机理

光波是横波,其电矢量振动面与传播方向相互垂直,电场振动方向相对于传播方向的不对称性称为偏振,光的偏振程度可以用偏振度P来定义:

定义偏振度,Imin 和Imax 分别是一束光在两个垂直偏振方向上的最小和最大光强。显然,该定义在表示圆偏振光或者椭圆偏振光的偏振度时有局限性,不能将它们与部分偏振光和自然光有效地区分开来。

在光学偏振遥感领域,通常用stokes矢量法表示出光的偏振态:

偏振度为

偏振方位角为

式中,I为非偏振光强,Q、U分别代表两个方向上的线偏振光强,V代表圆偏振

光强, ,,,,,分别表示置放在光传播路径上一理想偏振片在00、900、+450、-450方向上的线偏振光以及左旋(Z)和右旋(r)圆偏振光强。

当光束与物质相互作用时,出射光束的4个Stokes参数分别与入射光束的4个Stokes参数成线性函数关系,写成矩阵形式就是

M即称作米勒矩阵,是一个4×4阶矩阵,它表示这种物质的特性及取向。米勒矩阵是一种描述光学器件对光束改变(包括光强的衰减和退偏等)的理想方法。如果入射光的偏振信息完全已知,即已知地物的二向性反射的Stoke8矢量,那么通过米勒矩阵对其进行变换,就可得到光束经过偏振器之后的输出stokes矢量。通过米勒矩阵的换算,可以计算出光束经过偏振器后不同偏振方位角的光强变化,从而建立模型,实现二向性反射与多角度偏振反射之间的互相转化。

考虑到stokes参数为四元矢量,即最少需要四个方程才能解出一个目标待测点的完整的Stokes参数。当入射光通过一理想起偏器时,与参考方向成p角的理想起偏器的米勒矩阵为

则出射光的Stokes参数Sout为

可得出透射光的强度表达式为

这样就可以在00、450、900方向上得到三个独立的方程,就可以推演出待测目标的完整的偏振信息。

光的偏振态分为非偏振、圆偏振、线偏振、部分偏振、椭圆偏振五种.要用二向反射反演多角度偏振反射,只要得出这五种偏振态通过偏振片后的偏振态及光强即可。根据马吕斯定律,强度为而的线偏振光,通过检偏器后,透射光的强度(在不考虑吸收的情况下)为

其中,а为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。一束光通过偏振片后的光强,非偏振光、圆偏振光变为原来的一半,而线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光是一个关于а的函数,а参数是已知的,也就是说将二向性反射分布函数(BRDF)模型乘以一个关于а参数的关系式,即可以反演二向性偏振分布函数(BPDF)。

3 偏振成像的应用

地球和其他行星表面和大气中的任何目标,在反射、散射、透射、吸收和发射电磁波的过程中,会产生由其自身的特性所决定的特殊偏振信息,某些物体的特性差异明显。因此,提取,分析地球和大气的辐射偏振信息,对于地球自身和其他行星的遥感探测有着重要的意义;同时在水下成像、医学诊断、军事等方面偏振成像也有重要应用和意义。偏振成像技术的应用大概可以分为以下几类方面:

3.1 探测云和大气溶胶的偏振辐射信息

应用偏振信息在研究确定大气气溶胶粒子尺度,化学组成以及总量方面有明显的作用。当我们使用辐射(光强)测量手段能探测云的相态,估计云顶的高度,确定云和大气气溶胶的光学厚度。我们使用偏振手段更能有效地分析云层内部的

物理状态,确定是否存在卷云,冰晶粒子的优势方向及大气分布等能对大气的影响的微物理特性参数。这些应用不仅针对气象等用户,也极有可能发展成为一种大气污染的有效监控方法。同时,偏振信息能区分冰云和水云,有助于研究高空运载火箭的飞行影响及气象因素。因此偏振测量云物理和大气的辐射传输对大气科学的发展有重要的意义。

3.2 探测地面的偏振辐射信息

美国的某些科学家在20世纪80年代末期就已使用航天飞机作偏振观测的平台,使用偏振摄像手段遥感地球以取得地球的表面偏振照片,对不同的植被、矿物进行地面偏振度的测量等基础工作。这些研究表明:不同矿物会表现出不同的偏振特性,不同性质土壤的偏振特性也不同,不同植物相对于不同角度具有特定的偏振特性。对其进行研究,将为矿物勘探、土壤分析以及植物长势调查提供更新,更有效的手段,这对于研究水旱环境、土壤墒情侵蚀等有着广阔的应用前景,也可以用于研究植被生长、病虫害、农作物的估产等。

3.3 军事方面的应用

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以有不同的偏振度,使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检测出有用的信息,以成像的方式显示隐蔽的军事目标。

金属、炭粒和植物表面可以在特定的方向带有很强的圆偏振、全偏振的测量对推动水下潜艇搜索、探测、跟踪技术的发展具有重大的意义。

其次对于导弹的安全飞行和制导,由于利用星载扫描偏振计能迅速了解卷云和其他云层的分布情况和探测大气溶胶的能力,所以它能保障导弹的安全飞行和准确制导。

最后,使用偏振手段可以非常有效地在各种地物背景条件下显示出分散在地面上的各种地雷。

3.4水下成像的应用

混浊介质中物体的成像目前仍然是科学与工程界较难解决的问题之一,根据介质散射和目标反射光的不同偏振特性可利用偏振技术排除粒子散射光的干扰从而提高水下图像的清晰度。数年的研究表明,限制水下成像的距离主要有以下原因:吸收和散射作用造成光在水中的衰减;而光的后向散射造成目标图像的不清晰;目标与探测器之间的光散射使图像模糊并降低图像的对比度。在水下激光探测的研究中,大多都是利用光强度成像,还有的采用距离选通技术。因此,绝大多数系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的,而较少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用,而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。在水下成像应用中,根据悬浮粒子(水、雾、雨)后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理,采用线偏振光或圆偏振光作照明光源,并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器。以及利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异,来减小悬浮微粒后向光散

射光影响,从而可以提高水下物体的图像对比度。

3.5探测海洋表面的偏振辐射信息

海洋表面反射的某些波段的太阳辐射具有明显的偏振特性,从中可以反映出海水是否被污染(如油漏) 海面有无云雾,云雾的分布,海浪的高低和海面风速的大小。用空间偏振遥感能在全球范围内获得与此有关的大量信息,对海洋的开发和利用具有一定的科学和实用价值。在世界范围对海洋的遥感观测已经成为相当重要的环境考虑因素,海洋颜色对污染和生物圈有着极其重要的意义。

3.6 在空间探测方面的应用

空间的偏振测量在行星探测方面的应用比在地球和地球大气探测方面的应用早了20年左右。它对金星、火星、土星和天王星的云和气溶胶的化学成分和光学厚度或表面偏振特性进行了有效的探测并为地球的探测积累了宝贵的经验。

3.7 成像偏振在生物医学上的应用

运用偏振手段可对生物组织病变前后的偏振参数进行测量、对比、分析,从而给医疗诊断提供了一种新的信息分析手段。另外,对于动物或人的微循环,可以使用偏振成像技术对其进行观测,比如说在临床中,对生物样品的观测一般采用的方法有核磁共振、计算机断层扫描、正电子发射断层成像等。这些方法的空间分辨率量级为毫米,而微血管作为微循环的通路,其直径不超过100um,所以无法观测,而利用光学偏振成像技术能获得微循环较高的分辨率的图像。

4 偏振成像技术发展趋势

研究表明,由于地球大气、地物目标等的偏振角度敏感性,使得偏振成像技术在目标识别和信息提取方面有着传统手段所不具备的优势,使得光学偏振成像技术的应用前景令人乐观。但是,也对光学偏振成像技术的发展提出了更高的要求。为了准确解译大气和地物性质状态信息,客观上要求偏振成像具有多角度、多光谱偏振成像/非成像信息获取能力,并且能够保证偏振测量数据的高精度。

目前,我们的研究方向主要集中在:(1)研究更高分辨率,更高精度,更高信噪比且工作稳定的偏振仪器;(2)在更广泛的测试条件下研究不同目标的偏振特性,对其进行分析并最终了解偏振特性随不同影响因素的变化规律;(3)研究保证同一目标偏振探测的光谱,空间,时间等要素具有高度的同一性。但是由于目标偏振特性和二向散射分布的复杂性,使得目标散射光偏振特性的研究工作量将会非常巨大,在实验研究的同时,还需要在理论模拟上有所突破。像stokes

矢量方程中的I,Q,U,V这些来自目标自身的最本证的辐射信息,到目前为止,尚未充分的应用……

所以在探索克服这些问题的基础上,为了更好地得到物体的成像信息,已经研究出了像同时偏振成像技术,多光谱、多角度偏振成像技术,以及偏振定标系统的投入使用,将为光学偏振成像系统提供几何信息、辐射信息和偏振定标,确保高精度定量化的多角度、多光谱偏振遥感数据的取得。

5 结束语

综上所述,国内外都在从事光学偏振成像理论,技术,实验和基础应用研究工作,从偏振成像仪器研制情况来看,为了满足基于光谱偏振信息解译研究需求,人们研制了可见/近红外至短波红外,中波红外和长波红外光谱偏振探测系统。这些系统已经在大气探测、地物遥感、天文学研究、医学诊断等相关领域得到应用。

从多角度、多光谱偏振信息应用研究进展来看,研究人员探索了可见/近红外至短波红外的反射辐射偏振机理以及中波红外反射和发射辐射的偏振机理,还有长波红外发射辐射的偏振特性,以及热辐射经过目标反射辐射的偏振问题,并开展了大量的光学偏振探测试验,偏振定标,偏振信息建模的解译等研究工作,对于大气气溶胶和云、自然地物(水体、植被、土壤、岩石等)、人工目标等的偏振特性分析也在系统深入进行。可以预见,随着偏振探测仪器能力的提高、偏振成像定量模型的发展,光学偏振探测将为作为新型成像技术得到越来越重要的应用。

参考文献

[1] 张朝阳,程海峰,陈朝辉等。偏振遥感的研究现状及发展趋势。激光与红外,

2007.37(12):1238—1240

[2] 王峰,洪津,杨伟峰等。复合线阵推扫偏振成像技术研究及方案设计。半导体光学,

2006.27(4):482—488

[3] 张绪国,江月松,赵一鸣。偏振成像在目标探测中的应用。光学工程,2008.35(12):60

—62

[4] S.Dost,A.Eckart,T.ott.Near-infrared polarization images of the orion proplyds.Aseronomy&

Astrophysics mannscript.2-10(2008)

[5] Nathan J.puse,JOSEH.A.Digital all-sky polarization imaging of partly cloudy skies.Applied

Optics,vol,47,190-198(2008)

[6] 李双,裘帧炜,杨长久。同时偏振成像探测技术初探。大气与环境光学学报,2010.5(3):199

—202

[7] 曹念文,刘文清,张玉均。偏振成像清晰度与成像距离关系的讨论。光学学报,

2010.20(8):1146—1147

[8] 汪震,洪津,乔延利等。热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究。光学技术,

2007.33(2):196—201

[9] 施志华。成像偏振测量技术及其应用。《红外》月刊,2002.4:1—5

[10] kate Y.L.su,Bruce J.Hrivnak,Sun kwok.Hign-resolution near-infrared imaging and polarimetry

of four proto-pianetary nebular.2003

[11] 王霞,陈伟力,陈振跃等。大气对红外偏振成像系统的影响。红外与激光工程,

2012.4(2):305—308

[12] 杨明,王宝荣,李颖杰。大气散射光偏振特性分析。光电技术应用,2009.24(2):2—5

[13] 刘勇,邢彦文,杨雄。大数值孔径下的偏振成像分析。光电工程,2011.38(12):36—40

[14] 乔延利,杨世植,王乐意等。对地遥感中的光谱偏振探测方法研究。高技术通讯,

2001.7:36—36

[15] J.markJ.mccanghrean,Marcia ricke,Erick young.High-resolution near-infrared imagine of the

orion 114-426 silhouette dish.Astrophysical Journal,2-11(1998)

[16] Stephen A.burus,anne.elsner,rutbanne B.simmous.Improved contrast of subretinal structures

using polarization analgsis.IVOS,vol.44,no.9,4061-4068(2003)

[17] Ding hai-bing,Pang wen-ning,Liu yi-bao.measurement of integrated stokes parameters for He

state excited by spin-polarized electrous.CHIN.PHYS.LETT,vol.22,no.9:2252-2254(2005) [18] 朱一旺,李小明,张磊等。多光谱偏振成像侦察系统设计实现。现代电子技术,

2012.35(13):40—52

[19] 何红星,赵劲松,潘顺臣。共口径中波/短波偏振红外成像光学系统。光学学

报,2009.29(4):933—936

[20] 刘琦,高凯强,张建亮等。光偏振态几种描述方式内在联系的直观处理。光学学报,

2010.45(4):36—38

[21] 徐参军,赵劲松,潘顺臣等。红外偏振成像的几种技术方案。红外技术,2009.31(5):262

—266

[22] 王军,于娜,李建军等。红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究。应用光

学,2012.33(3):442—445

[23] 彭文竹。基于大气散射模型的偏振图像去雾算法。电子测量技术,2011.34(7):43—45

[24] 秦琳,陈名松。基于距离选通的水下偏振光成像系统的研究。电子设计工程,

2011.19(7):184—185

[25] Daniel Flamm,oliver A SCHMIDE,Thomas Kaiser.measuring the spatial polarization

distribution of multimode beams emerging from passive step-index laege-mode area

fibers.optics.letters,vol.35,no.20:3429-3431(2010)

[26] 王新,王学勤。基于偏振成像和图像融合的目标识别技术。激光与红红外,2007.37(7):677

—678

[27] 陶海鹏,陈强,王志明。解偏振度的测量及偏振成像探测识别。激光与红外,

2011.41(2):133—135

[28] 叶松,张晓兵,洪津。基于偏振信息的遥感图像大气散射校正。光学学报,2007.27(6):1000

—1003

[29] 冯斌,史泽林,艾锐等。近水平观测条件下大气背景光偏振度的计算模式。红外与激

光工程,2012.41(3):705—712

[30] J.D.Romney,M.J.Reid.multi-frequency polarization imaging of blazars with cyclic

activity.Author&co-author.1-3(2003)

[31] A.S.Hales,T.M.Gledaill,M.J.Barlow.Near-infrared imaging polarization of dusty young

stars.2-13(2008)

[32] Ryo kandori,motonide tamura,chie nagashima.Near-infrared imaging polarization of the star

forming region NGC2024.Astronomical society of japan,2-27(2008)

[33] Yang chang-Jiu,li shuang,Qiu zhen-wen,et al.Detection technology of simultalleous imaging

polarization.proc.of spie,vol.8194-81943M(2011)

[34] 汤伟平,洪津,汪元均等。航空多角度偏振成像仪及其光学系统设计。大气与环境光

学学报,2008.3(3):212—216

[35] 汪霞,洪津,王峰等。利用热红外偏振成像技术识别伪装目标。红外与激光工程,

2007.36(8):854—856

[36] 唐坤,姜涛,余大斌等。目标与背景的红外偏振特性研究。红外与激光工程,

2007.36(5):612—614

[37] 刘晓,张磊,王峰等。偏振成像探测系统非一致性校正方法。计算机工程,2009.35(8):209

—210

[38] Hong Wang,Janguo Cui,Yangyang Liu.orthogonal polarization spectral imaging in

microcirculation.Materrials Research,vol.216(2011)pp327-331

[39] Joseph A.shaw,Nathanl.seldomridge,Dustin.L.Dunkle.Dolarization lidar measurements of

honey bees in flighe for locating land mines.optic express,vol.13,no.15:5853-5863(2005)

[40] 李小川,廖云。偏振激光的应用。光学学报,2006.4:189—192

[41] 相云,李宇波,陈伟等。偏振遥感研究进展。大气与环境光学学报,2010.5(3):163—169

[42] 林跃春,郭金海,雷阳。浅析偏振光遥感的应用。测绘与空间地理信息,2011.34(2):148

—151

[43] 李娟,杜丽丽。一种偏振成像探测系统的测量精度检测。大气与环境光学学报,

2010.5(3):216—219

[44] M.P.Rowe,E.N.pugh.polarization-difference imaging:a biologically inspived technique for

observation through scattering media.optic express,vol.13,no.6:609-610(1995)

[45] whitehead victor S.A.Summary of observations performed and the preliminary findings in

the space shuttle polarization experiment.SPIE,1992(1747):104-108

[46] Israel steven A.characterization of terrestrial.Features using space-shuttle-based

polarimetry.IEEE.1992:1547-1549

[47] 徐参军,赵劲松,潘顺臣等。长波红外偏振图像及其误偏振信息分析。红外技术,

2012.34(2):103—107

[48] 许谦,雷俊峰,曾立波。正交偏振多光谱成像技术应用于活体微循环观察研究。光谱

学与光谱分析,2010.30(7):1887—1888

[49] 余国斌,姚汉民,罗先刚等。超微细光刻中偏振光成像研究。光电工程,2003.30(5):2

—3

[50] 武清华,王桂英,徐至展。入射光的偏振特性对反射或近场光学显微镜成像结果的影

响。光学学报,2003.23(5):514—516

[51] Roger J.C,Santer R,Herman M.et al.potentidities in remote sensing of the polarization of the

reffated solar light as illustrated from the U.S.space shuttle

measurements.spie,1992(1747):109-112

[52] 孙伟,刘政凯。利用偏振技术识别人造目标。光学技术,2004.30(3):267—269

[53] 杨之文,高盛刚,王培刚。几种地物反射光的偏振特性。光学学报,2005.25(2):241—245

[54] 孙华波,晏磊,苟志阳等。无人机偏振遥感载荷系统的设计与实现。计算机工

程,2009.35(20):10—15

[55] 孙晓兵,洪津,乔延利。一种基于偏振角参数图像的特征提取方法研究。遥感技术与

应用,2005.20(2):256—260

[56] Goloub P,Hemean M,and parol F.polarization of clouds spie,1995(2582):21-31

[57] Travis Larry D.Remote sensing of Aerosols with the Earth observing scanning

polarimeter.spie,1992(1747):154-164

[58] 周冠华,刘志刚。水色遥感中偏振信息的研究进展。遥感学报,2008.12(2):322—330

[59] 张朝阳,程海峰,陈朝辉等。偏振遥感识别低反射率伪装网研究。红外与毫米波学

报,2009.28(2):137—140

[60] 张颖,赵慧法,程宣等。偏振测试技术及其在遥感中的应用分析。电子测量技

术,2009.32(4):1—4

【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

偏振光的观察与分析

偏振光的观察与分析 【实验内容及数据处理要求】 1)将半导体激光器、功率计探头与激光功率计后面板上的相应插座相连。 2)在光学导轨一端分别安装半导体激光器和功率计探头,开启功率计,选择直径为6.0 mm 的圆孔作为功率计 探头的入射光阑。 3)调整激光器、功率计探头在支架上的固定高度及激光器的二维调节螺旋,使激光束同轴等高地平行射入功率计探头的Φ6.0光阑孔中。 4)验证马吕斯定律 ① 在靠近激光器的一侧加入一个偏振片并调整其高度与激光器、功率计探头同轴等高。旋转偏振片使功率计的示数为极大值(功率计应选恰当档位,如2 mW )。 ② 对功率计清零:先用白屏紧贴半导体激光器遮住激光,调节功率计的“调零”旋钮使其示数为0,然后拿走白屏。 ③ 在靠近功率计探头的一侧加入另一个偏振片(作检偏器),并调整其高度与之前安装的光学元件同轴等高,并对功率计清零。 ④ 转动检偏器直至功率计的示数恰好为零,记录下检偏器上的角度θ0和功率计示数;接着以此角度为基准,沿同一方向转动检偏器,每转15°就记录下检偏器上的角度θ和相应的功率计示数。 数据处理要求:以加入检偏器后功率计的最大示数作为I 0,先由马吕斯定律计算出各相对角度α所对应的理论功率,然后在同一坐标纸上绘出马吕斯定律的理论曲线和实测值拟合曲线,计算各α对应功率值的百分偏差,并根据结果得出是否验证的结论。 注意:相对角度α(090θθ=-?-)是因为功率计示数为0时,检偏器与起偏器的透振方向夹角为90°。实验中每加入一个光学元件,就需要对功率计进行清零,以消除由该元件折射、反射进入功率计探头的杂散光对实验结果的影响。 5)产生和鉴别(椭)圆偏振光 ① 紧接4)的第④步,转动检偏器重新使功率计示数为零(系统处于消光状态)此时检偏器的角度记为初始位置0θ。 ② 在起偏器和检偏器之间插入1/4波片,旋转1/4波片角度使功率计示数有极大值,然后调整1/4波片使与之前安装的光学元件同轴等高,并对功率计清零。 ③旋转1/4波片使系统重新进入消光状态(1/4波片的光轴与起偏器的透振方向平行或垂直),此时1/4波片的角度记为φ0。 缓慢旋转检偏器一周,记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 ④ 以φ0为基准沿同一方向旋转1/4波片,每旋转15°,先记录检偏器在初始位置θ0时功率计的示数,然后缓慢旋转检偏器一周,记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 数据处理:分析得出1/4波片转动0°、30°、45°、60°、90°等时出射光的偏振状态,并讨论1/4波片对线偏振入射光偏振态的影响。

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。

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

实验七偏振现象的观测与分析

实验七 偏振现象的观测与分析 一、实验目的 1 观察光的偏振现象,加深对偏振光的了解; 2 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 二、实验仪器 氦氖激光器、偏振片(2片)、半波片、光屏、凸透镜 三、实验原理 1 能使自然光变成偏振光的装置或器件,称起偏器;用来检验偏振光的装置或器件, 称检偏器。按光的振动状态不同,可分为自然光,线偏振光,部分偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光。沿同一方向传播的两列频率相同的线偏振光,如果他们的振动方向垂直且具有固定的相位差ΔΦ,当ΔΦ=k π (k =0,±1,…)合成光矢量末端的轨迹是一条直线,称为线偏振光,当ΔΦ=(2k +1)π/2 ,且振幅相等时,合成光矢量末端的轨迹是圆,称为圆偏振光,其它情况当 ΔΦ≠k π和ΔΦ≠(2k +1)π/2 时则为椭圆偏振光。如图1所示。 (其中点表示垂直于纸面振动的光,直线为平行于纸面振动的光) 2 偏振片:对某一方向的光有强烈的吸收,而对与之垂直的光振动则吸收很少,这样的波 片称偏振片。因此偏振片基本上只允许某一特定方向的光振动通过,这一方向称之为偏振片的偏振方向。 3 由晶体双折射产生偏振 一束光照射到晶体上会产生双折射现象,出来两束光线,一束o 光,一束e 光。 O 光遵从折射定律,e 光不遵从折射定律。 光轴:晶体内存在一个特殊方向,光沿该方向传播时不产生双折射现象。 主平面:由光线和光轴组成的平面。O 光的光振动垂直与主平面,e 光的光振动在主平 面内。 4 半波片的原理 如图(2)所示,当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行光轴的双折射晶片时,若振动方向与晶片光轴的夹角为α,则在晶片表面上o 光和e 光的振动分别为Asin α 和Acos α,它们的相位相同,进入晶片后,o 光和e 光虽然沿同一方向传播,但具有 不同的速度,因此,经过厚度为d 的晶片后,o 光和e 光之间将产生相差δ。而且有: 自然光: 部分偏振光: 线偏振光: 图1

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

偏振现象的观察与分析研究

偏振现象的观察与分析研究 摘要:本课题研究的是光学实验中常用到的偏振光实验仪以及光的偏振性质,并对其中的旋光实验内容进行了扩充。内容主要包括以下几个部分:第一部分为光学的基础知识(尤其是偏振光)的介绍,包括光的分类、偏振光的获得、波晶片、半波片、四分之一波片;第二部分为对WZP-1偏振光实验仪结构和原理的简要介绍;第三部分为偏振光实验仪的调节与使用,包括仪器的调节、实验原理、实验步骤、实验结果及其分析和处理、实验注意事项。 关键词:偏振光马吕斯定律布儒斯特角波片旋光现象 Observation and Analysis of Polarization i

贵州民族学院毕业论文 Abstract: The study of the subject is commonly used in optical experiments to the experimental apparatus and the polarized nature of light polarization, and optical rotation experiment in which the content was expanded. Mainly includes the following sections: The first part of the experimental apparatus WZP-1 polarized light a brief description of the structure and principles; second part is the basics of optics (particularly polarized light) is introduced, including the classification of light, polarized light access to, wave chip, half slide, slide a quarter; third part is the regulation of polarized light and use of experimental apparatus, including instruments of regulation, experimental theory, experimental procedure, experimental results and analysis and processing, experimental Note. Keywords: Polarized-light Malus-law Brewster-angle Slide Optical-phenomena 目录 绪论 (1) 第1章光波的偏振态及其分析方法 (1) ii

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

偏振光现象的观察和分析

偏振光现象的观察和分析 引言: 光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性,加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。 本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象,并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用,加深对光偏振性质的认识。 实验原理 1、 偏振光的种类。 光可按光适量的不同振动状态分为五类: (1)线偏振光 (2)自然光 (3)部分偏振光 (4)园偏振光 (5)椭圆偏振光 使自然光变成偏振光的装置称为起偏器,用来检验偏振光的装置称为检偏器。 2、 线偏振光的产生。 (1)反射和折射产生偏振 自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时,反射光 为线偏振光。以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光,透射出来后也为线偏振光。 (2)偏振片。 利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。 (3)双折射产生偏振。 自然光入射到双折射晶体后,出射的o 光和e 光都为线偏振光。 3、 波晶片 4、 线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。 在光波的波面中取一直角坐标系,将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ,他们频率相同都为ω,设E y 相对E X 的相位差为?φ,即有 E X =A x cos ωt (2) E y =A y cos(ωt +?φ) (3) 由(2)、(3)两式得,对于一般情况,两垂直振动的合成为: e 轴 O 轴 θ 光 轴 图 1

大学物理实验报告系列之偏振光的分析

【实验名称】偏振光的分析【实验目的】 1.观察光的偏振现象,巩固理论知识,加深对光的偏振现象的认识。 2.学习直线偏振光的产生与检验方法,了解圆偏振光和正椭圆偏振光的产生和定性检验方法。 【实验仪器】 He-Ne激光器、光具座、偏振片(两块)、的1/4波片(两块)、玻璃平板及刻度盘、白屏等。 【实验原理】 1.光的偏振状态 偏振是指振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。它是横波的重要特性。光在传播过程中,若电矢量的振动只局限在某一确定平面内,这种光称为直线偏振光,又叫平面偏振光(因其电矢量的振动在同一平面内);若光波电矢量的振动随时间作有规律的改变,即电矢量的末端在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是圆或椭圆,这样的光称为圆偏振光和椭圆偏振光;若光波电矢量的振动只在某一确定的方向上占优势,而在和它正交的方向上最弱,各方向的振动无固定的位相关系,这种光称为部分偏振光。 2.直线光,圆偏光,椭圆偏振光的产生。直线偏振光垂直通过波片的偏振状态

3. 鉴别各种偏振光的方法和步骤

【实验内容】 1.测定玻璃对激光波长的折射率 2.产生并检验圆偏振光 3.产生并检验椭圆偏振光 【数据表格与数据记录】 波长为时玻璃对于空气的相对折射率为。现象:两次最亮,两次消光。结论:圆偏振光 如果使检偏器的透振方向与暗方向平行,1/4波片与检偏器透振方向垂直或平行。现象:两次亮光,两次消光结论:椭圆偏振光 现象:两最亮,两次消光结论:线偏振光 【小结与讨论】 1.实验测的了时玻璃对空气的折射率为。 2.单色自然光经过起偏器和检偏器,旋转 检偏器一周,发现光电流相应出现两次消光现象,是分析其原因。 答:当检偏器的偏振化的方向和检偏器的偏振化的方向为 2 π 和 3 π 时,根据马吕斯定律 θ2 cos I I=可知,出现两次光强为零的情况,即光电流出现了2次消光现象。 3.自己设计实验进行了几种偏振光的检验的工作,搞清了几种偏振光的区别,以及怎样得到他们。

光的偏振态分析MATLAB分析

光的偏振态的仿真 一、课程设计目的 通过对两相互垂直偏振态的合成 1.掌握圆偏振、椭圆偏振及线偏振的概念及基本特性; 2.掌握偏振态的分析方法。 二、任务与要求 对两相互垂直偏振态的合成进行计算,绘出电场的轨迹。要求计算在?=0、 ?=π/4、?=π/2、?=3π/4、?=π、?=5π/4、?=3π/2、?=7π/4时,在E x =E y 及E x =2E y 情况下的偏振态曲线并总结规律。 三、课程设计原理 平面光波是横电磁波,其光场矢量的振动方向与光波传播方向垂直。一般情况下,在垂直平面光波传播方向的平面内,光场振动方向相对光传播方向是不对称的,光波性质随光场振动方向的不同而发生变化。将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质,称为光波的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。 1) 光波的偏振态 根据空间任一点光电场E 的矢量末端在不同时刻的轨迹不同,其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。 设光波沿z 方向传播,电场矢量为 )cos(00?ω+-=kz t E E 为表征该光波的偏振特性,可将其表示为沿x 、y 方向振动的两个独立分量的线性组合,即 y x jE iE E += 其中 ) cos() cos(00y y y x x x kz t E E kz t E E ?ω?ω+-=+-= 将上二式中的变量t 消去,经过运算可得 ??2002020sin cos 2=??? ? ?????? ??-???? ??+???? ??y y x x y y x x E E E E E E E E 式中,φ=φy -φx 。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆,如图1-1所示。

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

偏振现象的观察与分析

偏振现象的观察与分析 【实验目的】 1.通过观察光的偏振现象,加深对光波传播规律的认识。 2.掌握产生与检验偏振光的原理和方法。 【实验仪器】偏振实验箱 【实验原理】 一.偏振光的概念 光的波动的形式在空间传播是一种 电磁波,它的电矢量E与磁矢量H相互垂 直。矢量E和矢量H均垂直于光的传播 方向Z,属于横波。 实验证明光效应主要由电场引起的, 所以电场矢量E的方向定为光的振动方 向。 自然光源(如日光,各种照明灯等等) 发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波合成的。这些分子或原子的热运动和辐射是随机的, 它们所发射的光振动,出现在各个方向的几率相等, 所以这样的光源发射的光对外不显现偏振 性质,称之为自然光。 自然光经过媒质的反射,折射或者吸收 以后,在某一方向上振动加强成为部分偏振 光。如果光在传播过程中,振动始终被限制 在某一确定的平面内,称为平面偏振光, 也称线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢 量E的端点在垂直于传播方向的平面内运 动轨迹是一圆周的称为圆偏振光,是一椭 圆的则称为椭圆偏振光。 二.获得线偏振光的方法

自然光变成偏振光称作起偏,可以起偏的器件分为透射式和反射式两种。(1)透射式起偏 如上图,设光强为I 0的自然光照在一偏振片(起偏器)上,则自然光中振动方向与偏振片透振方向相同的电矢量以及其它方向的电矢量在这个方向的分 量才能通过,成为线偏振光,因此光强变为2 1 I 0。然后再照射在第二块偏振片 (检偏器)上,该偏振片的透振方向与起偏器的透振方向夹角为,则出射光光强为: 20cos 2 1I I 这就是马吕斯定律 (2)反射式起偏 自然光在两种媒质的界面处, 如玻璃和空气的界面处反射和折射,当入射角为某一特定值时,反射光可以成为线偏振光 ,振动方向 垂直于入射面, 与界平面平行,折射光为部分偏振光,这种现象由布儒斯特(Brewster) 首先发现,因 此称为布儒斯特角,即起偏角。根据折射定律可得: 1 22 1010 1010 sin sin cos sin n n i i i i tgi 此式就是布儒斯特定律。 如果自然光的投射在多层的玻璃堆上 , 经过多次反射最后透射出的光也接

实验十一-偏振现象的观察与分析

实验十一偏振现象的观察与分析 光波是电磁波,其电矢量的振动方向垂直于传播方向,是横波.由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性,光波电矢量的分布(方向和大小)对传播方向来说是对称的,反应不出横波特点,这种光称为自然光.如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时,这种光称为偏振光.对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位,光的偏振使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射)规律有了更透彻的认识,本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究. ·实验目的 1.观察光的偏振现象,掌握产生和检验偏振光的原理和方法,学会确定偏振片的透振方向,验证马吕斯定律; 2.用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角,求得玻璃的折射率; 3.了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用(任选其中部分内容); ·实验仪器 光具座,He—Ne激光器,光点检流计,光电转换装置,GPS-Ⅱ型偏振光实验仪(包括偏振片×2,λ/4波片×2,λ/2波片×2,背面涂黑的玻璃片及刻度支架,小孔光阑,白屏). 图1 实验仪器(重拍) 偏振片及刻度旋转装置:由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向. 波片及刻度旋转装置:由直径为2cm的波片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置.

·实验原理 从自然光获得偏振光的办法有3种,即利用二向色性的材料制作的偏振片;利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜;利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射.本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的. 一、起偏、检偏与马吕斯定律 将自然光变成偏振光的过程称为起偏,检查偏振光的装置称为检偏.按照马吕斯定律,强度为I 0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为: 20cos I I θ= (12-1) 式中I 0为入射线偏光的光强,θ为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角.显然,当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I 将发生周期性变化.当 θ=00时,透射光强度最大;当θ=090时,透射光强度最小(消光状态);当00<θ<090时,透射光强度介于最大值和最小之间.因此,根据透射光强度变化的情况,可以区别光的不同偏振状态. 实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片,旋转检偏器,读出不同θ角下出射光的强度,验证马吕斯定律. 二、布儒斯特定律和反射光的偏振 当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n 的透明介质表面时,若反射线与折射线垂直,则其反射光为完全的线偏振光,振动方向垂直于入射面;而透射光为部分偏振光.此规律称为布儒斯特定律,入射角称为布儒斯特角,如图11-2所示. arctgn i b = (12-2) 实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射,再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角,求出玻璃材料的折射率n. 图11-2 布儒斯特定律示意图

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。

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