CN105872403B - Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法 - Google Patents

Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法。Mueller矩阵测试过程中，存在HH理论上完全透光和HV理论上完全消光的情况，无法实现对不同亮度的客观准确评价。本发明装置包括光源、第一电控旋转台、第一线偏振片、第二电控旋转台、1/4波片一、第三电控旋转台、1/4波片二、第四电控旋转台、第二线偏振片、旋转台控制器、成像镜头、工业相机和电脑。本发明在获得相机不同曝光时间下辐射亮度和灰度值的对应关系基础上，针对双玻片旋转法Mueller成像所测量的16幅图像进行系数转换，进而得到高动态范围的Mueller矩阵成像结果。

Description

Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于双玻片旋转法的Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法。
背景技术
Mueller矩阵是描述介质偏振属性的光学参数，由4*4个元素构成，体现了完整的偏振参数，在微观结构信息表征、遥感成像等方面得到广泛应用。双玻片旋转法是一种测量Mueller矩阵的方法，由入射偏振态和出射偏振态两种构成，利用偏振片和波片的组合分别获得水平偏振光(H)、竖直偏振光(V)、45度偏振光(P)和右旋圆偏振光(R)四种偏振态的入射光，在经过介质反射或透射后，分别接收水平偏振光(H)、竖直偏振光(V)、45度偏振光(P)和右旋圆偏振光(R)四种偏振态的光，进而获得16幅不同偏振光组合下的偏振图像，计算出每个像素点的Mueller矩阵。
在实际成像测量过程中，由于Mueller矩阵成像需采集16幅不同偏振态组合下的图像，不同偏振态组合有不同的透过率，具有一定的动态范围。相机本身具有自身的动态响应范围，图像灰度值利用256个灰级来表示，但对于大于动态范围的光均表现为255，无法体现真实的能量。Mueller矩阵测试过程中，存在HH理论上完全透光和HV理论上完全消光的情况，需要覆盖的能量范围较广，如采用消光比为100000:1的偏振片，相机需要覆盖100000:1的范围。在一个成像条件下，如曝光时间、增益、光圈等参数确定前提下，无法实现对不同亮度的客观准确评价。但可以采用调节成像参数的方法，以使暗环境和亮环境均能在相机255的响应范围以内。一般而言，曝光时间可以采用软件编程的方法控制感光芯片的光照积分时间，在成像过程中通过设定不同的曝光时间，采集Mueller矩阵测量所需的16幅图，但需要标定到一个亮度范围内。
发明内容
本发明提供了一种用于双玻片旋转法的Mueller矩阵成像***的动态范围扩展方法，包括辐射亮度-灰度对应关系的标定及Mueller矩阵动态范围扩展成像两个过程。
本发明采用的Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，包括光源、第一电控旋转台、固定在第一电控旋转台上的第一线偏振片、第二电控旋转台、固定在第二电控旋转台上的1/4波片一、第三电控旋转台、固定在第三电控旋转台上的1/4波片二、第四电控旋转台、固定在第四电控旋转台上的第二线偏振片、旋转台控制器、成像镜头、工业相机和电脑；所述的第一电控旋转台设置在光源和第二电控旋转台之间，第二线偏振片设置在1/4波片二的光输出端；第二线偏振片的光输出端经成像镜头收集后由输入工业相机探测；第一电控旋转台、第二电控旋转台、第三电控旋转台和第四电控旋转台均由旋转台控制器控制旋转，旋转台控制器和工业相机连接至电脑。其中，移除第二电控旋转台、1/4波片一、第三电控旋转台和1/4波片二后，光源、第一电控旋转台、第一线偏振片、第四电控旋转台、第二线偏振片、旋转台控制器、成像镜头、工业相机和电脑构成辐射亮度与图像灰度值标定装置。
本发明Mueller矩阵动态范围扩展方法，包括辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定和Mueller矩阵动态范围扩展成像两个过程，具体如下：
辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定过程如下：
构建辐射亮度与图像灰度值标定装置，光源作为辐射源发出光，入射到第一线偏振片，透过后经过第二线偏振片，由成像镜头收集并由工业相机探测。第一线偏振片和第二线偏振片的透光轴方向一致。第一电控旋转台保持不动，通过电脑实现第四电控旋转台相对第一电控旋转台在0-90°内沿同一转向顺序旋转，每次旋转0.2度，并由工业相机获得各位置处图像灰度值大小，得到第一线偏振片和第二线偏振片在不同夹角情况下图像灰度值的大小分布。再根据马吕斯定律I＝I0cos2θ将第一线偏振片和第二线偏振片的角度θ转换为辐射亮度值I，进而建立辐射亮度值和图像灰度值之间的关系，其中，I0为第四电控旋转台相对第一电控旋转台的转角为0°时的辐射亮度值。工业相机实现不同曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的对应关系。
构建Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，光源所发出的入射光，经第一线偏振片和1/4波片一偏振态调制后，入射到待测物体，散射光经过1/4波片二和第二线偏振片后，最终由成像镜头收集并由工业相机探测。电脑经旋转控制器控制第一电控旋转台和第二电控旋转台相对旋转，进而将光源所发出的光分别调制为水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R入射到待测物体上；旋转控制器控制第三电控旋转台带动1/4波片二、第四电控旋转台带动第二线偏振片旋转，1/4波片二和第二线偏振片相互旋转可分别提取散射光中的水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R成分，由成像镜头接收散射光，对待测样本表面成像并由工业相机接收，获得的图像传输至电脑。
Mueller矩阵动态范围扩展成像的过程具体如下：
电脑获得的十六幅偏振图像如下：入射光和散射光均为竖直偏振光时的图像VV，入射光为竖直偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像VR，入射光为竖直偏振光且散射光为水平偏振光时的图像VH，入射光为竖直偏振光且散射光为45度偏振光时的图像VP；入射光为右旋圆偏振光且散射光为45度偏振光时的图像RP，入射光和散射光均为右旋圆偏振光时的图像RR，入射光为右旋圆偏振光且散射光为水平偏振光时的图像RH，入射光为右旋圆偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像RV；入射光为水平偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像HV，入射光为水平偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像HR，入射光和散射光均为水平偏振光时的图像HH，入射光为水平偏振光且散射光为45度偏振光时的图像HP；入射光和散射光均为45度偏振光时的图像PP，入射光为45度偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像PR，入射光为45度偏振光且散射光为水平偏振光时的图像PH，入射光为45度偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像PV。不同偏振态组合下透过率不同，为了保证图像灰度值在0-255之间，根据图像灰度分布情况设定不同的曝光时间：VV、RR、PP和HH的透过率较高，曝光时间设置为小于其它偏振态组合的曝光时间。
为了将不同曝光时间下的图像灰度值映射到同一个标准中，每一个图像灰度值查询对应曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的关系数据，均通过插值矫正到在实际成像过程中设置的曝光时间t下的辐射亮度值与图像灰度值关系，辐射亮度值插值公式为R1为曝光时间t1时的辐射亮度值，R2为曝光时间t2时的辐射亮度值。将各个偏振组合情况下获得的所有像素点图像灰度值均矫正到曝光时间t下的辐射亮度值，进而计算出每一个像素点的Mueller矩阵如下：
其中，HH表示水平偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
HV表示水平偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
HR表示水平偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
HP表示水平偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
VV表示垂直偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
VH表示垂直偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
VP表示垂直偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
VR表示垂直偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PH表示45度线偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
PV表示45度线偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
PR表示45度线偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PP表示45度线偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
RH表示右旋圆偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
RV表示右旋圆偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
RP表示右旋圆偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
RR表示右旋圆偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
M11为HH+HV+VH+VV的值；
M12为HH+HV-VH-VV的值；
M21为HH-HV+VH-VV的值；
M31为2(HP+VP)-M11的值；
M41为2(HR+VR)-M11的值。
本发明的有益效果：
本发明在获得相机不同曝光时间下辐射亮度和灰度值的对应关系基础上，针对双玻片旋转法Mueller成像所测量的16幅图像进行系数转换，进而得到高动态范围的Mueller矩阵成像结果。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明中辐射亮度与图像灰度值标定装置的结构示意图；
图3为辐射亮度与图像灰度值标定装置标定的不同曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的对应关系图；
图4为插值法计算实际曝光时间下图像灰度值对应的辐射亮度值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，包括光源1、第一电控旋转台2、固定在第一电控旋转台2上的第一线偏振片3、第二电控旋转台4、固定在第二电控旋转台4上的1/4波片一5、第三电控旋转台7、固定在第三电控旋转台7上的1/4波片二8、第四电控旋转台9、固定在第四电控旋转台9上的第二线偏振片10、旋转台控制器11、成像镜头12、工业相机13和电脑14；第一电控旋转台2设置在光源1和第二电控旋转台4之间，待测样本6放置在1/4波片一5和1/4波片二8之间，第二线偏振片10设置在1/4波片二8的光输出端；第二线偏振片10的光输出端经成像镜头12收集后由输入工业相机13探测；第一电控旋转台2、第二电控旋转台4、第三电控旋转台7和第四电控旋转台9均由旋转台控制器11控制旋转，旋转台控制器11和工业相机13连接至电脑14。其中，移除第二电控旋转台4、1/4波片一5、第三电控旋转台7和1/4波片二8后，光源1、第一电控旋转台2、第一线偏振片3、第四电控旋转台9、第二线偏振片10、旋转台控制器11、成像镜头12、工业相机13和电脑14构成辐射亮度与图像灰度值标定装置，如图2所示。
Mueller矩阵动态范围扩展方法，包括辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定和Mueller矩阵动态范围扩展成像两个过程，具体如下：
辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定过程如下：
构建辐射亮度与图像灰度值标定装置，光源1作为辐射源发出光，入射到第一线偏振片3，透过后经过第二线偏振片10，由成像镜头12收集并由工业相机13探测。第一线偏振片3和第二线偏振片10的透光轴方向一致。第一电控旋转台2保持不动，通过电脑14实现第四电控旋转台9相对第一电控旋转台2在0-90°内沿同一转向顺序旋转，每次旋转0.2度，并由工业相机13获得各位置处图像灰度值大小，得到第一线偏振片3和第二线偏振片10在不同夹角情况下图像灰度值的大小分布。再根据马吕斯定律I＝I0cos2θ将第一线偏振片3和第二线偏振片10的角度θ转换为辐射亮度值I，进而建立辐射亮度值和图像灰度值之间的关系，其中，I0为第四电控旋转台9相对第一电控旋转台2的转角为0°时的辐射亮度值。工业相机13实现不同曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的对应关系，曝光时间分别为20、30、40、60、100、140μs时图像灰度值与辐射亮度值之间的对应关系如图3所示。
构建Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，光源1所发出的入射光，经第一线偏振片3和1/4波片一5偏振态调制后，入射到待测物体6，散射光经过1/4波片二8和第二线偏振片10后，最终由成像镜头12收集并由工业相机13探测。电脑14经旋转控制器11控制第一电控旋转台2和第二电控旋转台4相对旋转，进而将光源1所发出的光分别调制为水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R入射到待测物体6上；旋转控制器11控制第三电控旋转台7带动1/4波片二8、第四电控旋转台9带动第二线偏振片10旋转，1/4波片二8和第二线偏振片10相互旋转可分别提取散射光中的水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R成分，由成像镜头12接收散射光，对待测样本6表面成像并由工业相机13接收，获得的图像传输至电脑14。
Mueller矩阵动态范围扩展成像的过程具体如下：
电脑获得的十六幅偏振图像如下：入射光和散射光均为竖直偏振光时的图像VV，入射光为竖直偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像VR，入射光为竖直偏振光且散射光为水平偏振光时的图像VH，入射光为竖直偏振光且散射光为45度偏振光时的图像VP；入射光为右旋圆偏振光且散射光为45度偏振光时的图像RP，入射光和散射光均为右旋圆偏振光时的图像RR，入射光为右旋圆偏振光且散射光为水平偏振光时的图像RH，入射光为右旋圆偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像RV；入射光为水平偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像HV，入射光为水平偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像HR，入射光和散射光均为水平偏振光时的图像HH，入射光为水平偏振光且散射光为45度偏振光时的图像HP；入射光和散射光均为45度偏振光时的图像PP，入射光为45度偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像PR，入射光为45度偏振光且散射光为水平偏振光时的图像PH，入射光为45度偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像PV。不同偏振态组合下透过率不同，为了保证图像灰度值在0-255之间，根据图像灰度分布情况设定不同的曝光时间：VV、RR、PP和HH的透过率较高，曝光时间设置为小于其它偏振态组合的曝光时间。
为了将不同曝光时间下的图像灰度值映射到同一个标准中，每一个图像灰度值查询对应曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的关系数据，均通过插值矫正到在实际成像过程中设置的曝光时间t下的辐射亮度值与图像灰度值关系，如图4所示，图像灰度值为G时插值确定的辐射亮度值R1为曝光时间t1时的辐射亮度值，R2为曝光时间t2时的辐射亮度值。将各个偏振组合情况下获得的所有像素点图像灰度值均矫正到曝光时间t下的辐射亮度值，进而计算出每一个像素点的Mueller矩阵如下：
其中，HH表示水平偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
HV表示水平偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
HR表示水平偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
HP表示水平偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
VV表示垂直偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
VH表示垂直偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
VP表示垂直偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
VR表示垂直偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PH表示45度线偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
PV表示45度线偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
PR表示45度线偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PP表示45度线偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
RH表示右旋圆偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
RV表示右旋圆偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
RP表示右旋圆偏振光入射，45度线偏振光接收的能量大小；
RR表示右旋圆偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
M11为HH+HV+VH+VV的值；
M12为HH+HV-VH-VV的值；
M21为HH-HV+VH-VV的值；
M31为2(HP+VP)-M11的值；
M41为2(HR+VR)-M11的值。

Claims (1)

1.Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法，采用的Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，包括光源、第一电控旋转台、固定在第一电控旋转台上的第一线偏振片、第二电控旋转台、固定在第二电控旋转台上的1/4波片一、第三电控旋转台、固定在第三电控旋转台上的1/4波片二、第四电控旋转台、固定在第四电控旋转台上的第二线偏振片、旋转台控制器、成像镜头、工业相机和电脑；所述的第一电控旋转台设置在光源和第二电控旋转台之间，第二线偏振片设置在1/4波片二的光输出端；第二线偏振片的光输出端经成像镜头收集后由工业相机探测；第一电控旋转台、第二电控旋转台、第三电控旋转台和第四电控旋转台均由旋转台控制器控制旋转，旋转台控制器和工业相机连接至电脑；其中，移除第二电控旋转台、1/4波片一、第三电控旋转台和1/4波片二后，光源、第一电控旋转台、第一线偏振片、第四电控旋转台、第二线偏振片、旋转台控制器、成像镜头、工业相机和电脑构成辐射亮度与图像灰度值标定装置；其特征在于：
该方法包括辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定和Mueller矩阵动态范围扩展成像两个过程，具体如下：
辐射亮度与图像灰度值对应关系的标定过程如下：
构建辐射亮度与图像灰度值标定装置，光源作为辐射源发出光，入射到第一线偏振片，透过后经过第二线偏振片，由成像镜头收集并由工业相机探测；第一线偏振片和第二线偏振片的透光轴方向一致；第一电控旋转台保持不动，通过电脑实现第四电控旋转台相对第一电控旋转台在0-90°内沿同一转向顺序旋转，每次旋转0.2度，并由工业相机获得各位置处图像灰度值大小，得到第一线偏振片和第二线偏振片在不同夹角情况下图像灰度值的大小分布；再根据马吕斯定律I＝I0cos2θ将第一线偏振片和第二线偏振片的角度θ转换为辐射亮度值I，进而建立辐射亮度值和图像灰度值之间的关系，其中，I0为第四电控旋转台相对第一电控旋转台的转角为0°时的辐射亮度值；工业相机实现不同曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的对应关系；
构建Mueller矩阵成像的动态范围扩展装置，光源所发出的入射光，经第一线偏振片和1/4波片一偏振态调制后，入射到待测物体，散射光经过1/4波片二和第二线偏振片后，最终由成像镜头收集并由工业相机探测；电脑经旋转控制器控制第一电控旋转台和第二电控旋转台相对旋转，进而将光源所发出的光分别调制为水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R入射到待测物体上；旋转控制器控制第三电控旋转台带动1/4波片二、第四电控旋转台带动第二线偏振片旋转，1/4波片二和第二线偏振片相互旋转可分别提取散射光中的水平偏振光H、竖直偏振光V、45度偏振光P、右旋圆偏振光R成分，由成像镜头接收散射光，对待测物体表面成像并由工业相机接收，获得的图像传输至电脑；
Mueller矩阵动态范围扩展成像的过程具体如下：
电脑获得的十六幅偏振图像如下：入射光和散射光均为竖直偏振光时的图像VV，入射光为竖直偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像VR，入射光为竖直偏振光且散射光为水平偏振光时的图像VH，入射光为竖直偏振光且散射光为45度偏振光时的图像VP；入射光为右旋圆偏振光且散射光为45度偏振光时的图像RP，入射光和散射光均为右旋圆偏振光时的图像RR，入射光为右旋圆偏振光且散射光为水平偏振光时的图像RH，入射光为右旋圆偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像RV；入射光为水平偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像HV，入射光为水平偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像HR，入射光和散射光均为水平偏振光时的图像HH，入射光为水平偏振光且散射光为45度偏振光时的图像HP；入射光和散射光均为45度偏振光时的图像PP，入射光为45度偏振光且散射光为右旋圆偏振光时的图像PR，入射光为45度偏振光且散射光为水平偏振光时的图像PH，入射光为45度偏振光且散射光为竖直偏振光时的图像PV；不同偏振态组合下透过率不同，为了保证图像灰度值在0-255之间，根据图像灰度分布情况设定不同的曝光时间：VV、RR、PP和HH的透过率较高，曝光时间设置为小于其它偏振态组合的曝光时间；
为了将不同曝光时间下的图像灰度值映射到同一个标准中，每一个图像灰度值查询对应曝光时间下的辐射亮度值和图像灰度值之间的关系数据，均通过插值矫正到在实际成像过程中设置的曝光时间t下的辐射亮度值与图像灰度值关系，辐射亮度值插值公式为R1为曝光时间t1时的辐射亮度值，R2为曝光时间t2时的辐射亮度值；将各个偏振组合情况下获得的所有像素点图像灰度值均矫正到曝光时间t下的辐射亮度值，进而计算出每一个像素点的Mueller矩阵如下：
其中，HH表示水平偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
HV表示水平偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
HR表示水平偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
HP表示水平偏振光入射，45度偏振光接收的能量大小；
VV表示垂直偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
VH表示垂直偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
VP表示垂直偏振光入射，45度偏振光接收的能量大小；
VR表示垂直偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PH表示45度偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
PV表示45度偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
PR表示45度偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
PP表示45度偏振光入射，45度偏振光接收的能量大小；
RH表示右旋圆偏振光入射，水平偏振光接收的能量大小；
RV表示右旋圆偏振光入射，垂直偏振光接收的能量大小；
RP表示右旋圆偏振光入射，45度偏振光接收的能量大小；
RR表示右旋圆偏振光入射，右旋圆偏振光接收的能量大小；
M11为HH+HV+VH+VV的值；
M12为HH+HV-VH-VV的值；
M21为HH-HV+VH-VV的值；
M31为2(HP+VP)-M11的值；
M41为2(HR+VR)-M11的值。
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