[发明专利]Mueller矩阵成像的动态范围扩展方法

摘要

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。

主权项

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。