成像式偏振测量的关键问题研究

论文摘要

偏振作为光的基本属性之一,其中蕴含着被测物的众多特征信息,因此在光学测量领域,偏振检测是一种不可忽视的基本测量手段,在目标识别、生物医学、地物遥感以及天文、机器视觉、军事等领域都有重要应用。由于人眼无法直接感知光的偏振信息,如何建立快速、高精度的偏振测量装置,是国内外的研究热点之一。本文主要研究了成像式的偏振测量系统中,在装置建立和测量结果分析及应用等方面的关键问题。在理论上,根据所采用的液晶和双CCD的测量结构,经推导和计算,提出了四次调制的全Stokes矢量测量方案,该方案所需的计算复杂度低,利于程序编写和处理。在测量装置建立中,研制了一个具有像素级匹配精度的双CCD模块,在此模块基础上,搭建了以DSP处理器为控制核心的全Stokes矢量测量装置,以及应用于显微镜的Mueller矩阵图像测量系统。在对偏振测量结果的分析中,重点讨论了由Stokes参数计算得到的各种偏振相关图像,如偏振度、偏振角、椭圆率角等参数,研究了偏振信息在被测物识别和测量中的意义。文章还对偏振测量系统进行了定标测试和误差来源分析,并在此基础上对测量结果进行修正,实现了较高的测量精度。本文研究的内容为偏振测量方法的实用化提出了可靠的技术方案。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于矩阵的偏振光描述方式
• 1.3 成像式偏振测量的应用及研究现状
• 1.3.1 目标检测
• 1.3.2 生物医学
• 1.3.3 地物遥感
• 1.3.4 大气和天文研究
• 1.3.5 材料学、介质性质和表面性质研究
• 1.3.6 计算机视觉
• 1.3.7 军事应用
• 1.3.8 偏振成像测量的发展趋势
• 1.4 论文的主要内容与结构安排
• 2 成像式偏振测量方案
• 2.1 基于单液晶和双CCD的全Stokes矢量成像测量
• 2.1.1 液晶特性与装置结构
• 2.1.2 调制方法的理论推导
• 2.1.3 棱镜与双CCD的封装方法
• 2.1.4 DSP软件流程及优化
• 2.2 基于分立偏振元件的Stokes图像测量
• 2.3 基于单液晶和双CCD的Mueller矩阵图像测量
• 2.4 小结
• 3 偏振图像测量结果与应用分析
• 3.1 偏振度图像
• 3.2 偏振角图像
• 3.3 椭圆率角图像
• 3.4 去偏振图像
• 3.5 偏振参数的非线性映射
• 3.6 小结
• 4 成像式偏振测量装置定标和误差分析
• 4.1 成像式偏振测量装置定标方法
• 4.2 对线偏振光的定量测量
• 4.3 对圆偏振光的定量测量
• 4.4 测量误差来源分析
• 4.4.1 系统封装固定时角度误差
• 4.4.2 液晶调制器的相位调制误差
• 4.4.3 偏振元件的非理想性
• 4.4.4 CCD响应的线性度
• 4.5 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果