反射光偏振特性分析与物体形状的测量

基于反射光偏振特性,提出了利用图像处理技术测量透明物体三维形状的理论和方法.分析了物体表面反射光的偏振特性,表明自然光在经透明物体表面反射后,反射率随光的振动方向不同而不同,即反射光表现出部分偏振光的特性.研究了强度反射率与入射角以及光强与偏振片方向之间的函数关系,得到了光强大小与入射面方向的关系;根据偏振度概念并结合菲涅耳公式和折射定律,建立了偏振度和入射角之间的表达式,可求得物体表面法线方向,进而得到透明物体的形状.研制了光学实验平台,获得了物体反射光的偏振图像,经过图像处理,获得了被测物体的三维形状.实验结果表明,这种方法对透明物体形状测量是有效和实用的.     

正交偏振法消除生物组织表面反射光的研究

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法：透射法和反射法。其中,根据光纤测头与生物组织接触与否,反射法分为接触和非接触两种形式。接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、温度等变化会导致测量条件的变化,进而影响光谱数据的稳定性;非接触测量时, 虽然克服了接触压力、测头温度等对测量的干扰,却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头,由于表面反射光强度高且集中,将会影响检测器的动态范围。因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。首先,以不同被测物为对象,研究了表面反射光的偏振态,结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关,表面粗糙程度越小,偏振度越高,由此推断出,经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性;然后,以Intralipid-20%溶液为被测对象,对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究,实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光;最后,比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线,二者高度重合,这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力,旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响,以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。     

利用分光计测反射光的偏振特性

当光照射到物体时,由于物体表面的反射作用,我们将会得到偏振光.这种光是部分偏振光.研究偏振光的特性可以让我们认识物体的状态或鉴别某种物质,因此,研究偏振光是非常具有现实意义的.本文将介绍用分光计测反射光的偏振特性,研究其随入射角变化的关系,并粗略验证菲涅尔公式.     

光纤传感颜色识别系统的设计与实现

利用光电传感技术进行颜色识别可以克服传统识别方法的许多不足,能辨别出微小的颜色变化并大幅度提高测试精确度。通过探测物体的后向反射光,一种采用反射式数字光纤传感器设计的颜色识别系统得以实现。由于不同颜色的被测物体对光信号吸收和反射能力不同,它可以根据反射光的强弱来识别颜色。实验证明采用光纤传感器可以实现近距离范围内对被测物体任意区域的非接触式测量,测量范围宽、测试精度高,在表面探测中具有很好的应用前景。     

偏振图像的探测及处理

利用CCD探测物体反射光的偏振信息,再通过适当的图像变换,得到物体的偏振图像。通过和物体原光强图像相比,可看出物体的偏振图像具有普通成像技术所不具有的优势,在目标识别、植被探测等方面都具有广泛的应用前景。在主要进行的三组实验中,不同情况下的植被树叶被作为对象并拍摄了它们的偏振图像,并通过与树叶光强图像的对比,显示了偏振图像的优势所在。     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像，研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息; 不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性, 紫铜偏振度最高达0.69;在1.40 mg/L牛奶浑浊度的水下，偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization，DOP)信息来检测出水下目标物，瓷片的DOP仅降低0.31;此外，在水下约40 cm深度下，偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰，如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

基于DSP的长波红外偏振图像伪彩色系统研究

针对现有的红外偏振图像伪彩色技术只能对采集到的偏振图像进行标量的、非动态的显示,研究了基于P、S偏振态图像的红外伪彩色信号处理。将P、S偏振态图像信息经过处理后映射到RGB颜色空间,设计了以TMS320DM642芯片作为核心处理器的伪彩色处理系统硬件电路,完成了伪彩色信号处理系统的软件设计与调试分析。该红外偏振图像处理系统通过采集被测物体表面反射的红外偏振特性,获得更多有用信息的同时保证了对红外偏振图像的处理速度,对于红外目标识别及检测有参考意义。     

基于偏振光成像的材质分类研究

为了降低偏振光成像技术的使用要求,提出了一种环境光照明条件下研究材质分类的方法。根据菲涅耳反射定律,目标表面的反射光带有偏振成份,采用偏振成像探测偏振角得到探测器与反射面的方位角,对偏振片的4个方向强度进行补偿得到被测表面对应的水平与垂直偏振度,通过测量反射光的反射偏振度与反射率比可以分类出目标材质。对橡胶板和金属铝板两种不同材质目标的反射偏振度与反射率比进行了仿真模拟与实验研究,研究结果表明金属与非金属在一定观测角度范围内存在明显的反射率比差异,采用菲涅耳反射率比作为衡量依据可以更有效区分金属与非金属目标。     

偏振光谱BRDF建模与仿真

在偏振光条件下,物体的表面反射受到折射率、表面粗糙度、入射角等多种因素的影响。针对粗糙物体表面在不同波段光照下表现出不同的偏振反射特性,提出一种基于Kirchhof理论的偏振光谱BRDF模型。利用已知材质在不同波长下的复折射率,对其折射率和消光系数部分分别反演出的对应光谱模型,进而得到复折射率的光谱模型;同借鉴经典的表面粗糙度测量方法,结合菲涅耳反射公式,推导出表面粗糙度的光谱模型,将得到的复折射率和粗糙度光谱模型与BRDF模型相结合,推导出偏振光谱BRDF建模。模型分别在折射率随波长变化、粗糙度为常量,折射率、粗糙度均随波长变化以及原模型三种情况下进行仿真对比实验,并将所得到的数据与其他资料进行对比。其结果表明,该模型能够较为准确的反映物体表面的偏振反射特性,并且能够描述偏振度随波长变化趋势的光谱特征,能够为偏振遥感、物质分类等方面的应用提供可靠依据。     

利用表面散射光偏振差异的目标识别技术

 分析了不同物体散射场偏振特性的差异,依据消光定理的矢量微扰解方法将物体散射场分为零阶和高阶解,零阶反射光可完全保持入射光的偏振度,高阶散射则会导致偏振度的降低,因而总散射光的偏振度依赖于散射表面的粗糙程度。提出了利用斯托克斯-穆勒体系测量物体消偏特性的方法并通过实验对一些物体作了测量,实验结果表明：光滑表面可以较好地保留入射光偏振度,而粗糙表面则有很强的消偏作用,因此偏振成像方法可有效地提高目标探测和识别效率。     

Wavefront sensing with random amplitude mask and phase retrieval

A light beam with an ideal wavefront that is transmitted or reflected from an object is modified by different characteristics of the object such as shape, refractive index, density, or temperature. Wavefront sensing therefore yields valuable information about the system or the changes happening to the system. A new method for wavefront sensing using a random amplitude mask and a phase retrieval method based on the Rayleigh-Sommerfeld wave propagation equation is described. The proposed method has many potential applications ranging from phase contrast imaging and measurement of lens aberration to shape measurement of three-dimensional objects.     

Three-dimensional polarimetric integral imaging

A three-dimensional (3D) polarimetric image sensing and display technique based on integral imaging is proposed. Three-dimensional polarization distribution of reflected light from a 3D object can be measured as elemental image arrays by a rotating linear polarizer. After the measurement of the polarization of the 3D object, the 3D polarimetric object can be reconstructed optically by displaying the polarization-selected elemental images in spatial light modulators with two quarter-wave plates. Experimental demonstration of 3D polarimetric imaging of a 3D object attached to two orthogonal linear polarizers is presented. To the best of our knowledge, this is the first report on 3D polarimetric sensing imaging and 3D optical reconstruction by integral imaging.     

界面反射偏振象差分析

在光学没计中,一般认为在同一光波面上,光束具有相同的振幅和偏振状态。事实上,光束经过许多光学元件后,偏振状态会发生变化,特别是入射角和光程的不同,会导致出射光波面上偏振分布不再均匀,形成偏振象差。本文主要就轴上物点发出的光束经过界面反射后的偏振象差方面进行了分析。     

Resolution improvement of digital holographic images based on angular multiplexing with incoherent beams in orthogonal polarization states

We present a method to improve the resolution of digital holographic images based on angular multiplexing with incoherent beams from two orthogonal polarized components of natural light. Two incoherent subholograms are synchronously recorded by two pairs of incoherent object waves and reference waves with orthogonal polarization states, in which the object is illuminated by two incoherent beams from different directions. The increase in resolution is obtained through phase correction and superposition of two reconstructed object waves. Experimental results show that the resolution and quality of the reconstructed image can be effectively improved.     

Polarization imaging for 3D inspection of highly reflective metallic objects

In the field of industrial vision, the 3D inspection of highly reflective metallic objects is still a delicate task. The specular reflections prevent the use of a 3D laser scanner, whereas the phase shifting-based 3D systems are more adapted to inspect surfaces with low curvature. This paper deals with a new automated 3D inspection system based on polarization analysis. Studying the state of polarization of the reflected light is very useful for obtaining information on the normals of the surface. An extension of the shape from polarization method from dielectric to metallic surfaces is demonstrated. Then, an improved relaxation algorithm is provided in order to reconstruct the shape from the normal field given by the polarization analysis. Finally, applications to shape defect detection are discussed and the efficiency of the system in discriminating defects on highly reflective metallic objects made by stamping and polishing is presented. The text was submitted by the authors in English.     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

Experimental study on polarization holographic storage in genetic mutant BR-D96N film

The information storage is developing toward high speed access and massive stor-age capacity. Optical holographic storage has not only high speed parallel data access and high addressing speed without mechanical motion but also high storage density with multiplexed volume holographic storage[1]. In recent years, optical holographic storage is studied intensely in the field of information storage. It has been shown that the polari-zation of light could also be recorded with polarization hologra…     

部分偏振光经界面反射时的偏振度分析

定量计算了轴外点光源发出的部分偏振光束经界面反射后反射光偏振度与空间坐标及点光源坐标间关系，定量计算了特定参数的入射部分偏振光束经界面反射后的偏振度分布，给出了偏振度变化的数量级。计算表明一定偏振度的入射部分偏振光束经界面反射后，反射光束偏振度由于界面反射在反射光束截面上将产生一定分布。偏振度的变化不仅与光线入射角有关，还与点光源位置有关