一种用于分焦平面偏振成像探测器的校准方法及校准装置与流程

本发明涉及一种偏振成像探测器的校准方法，尤其是涉及一种用于分焦平面偏振成像探测器的校准方法及校准装置。

背景技术：

1、偏振成像能够获取材料物质成份、纹理和反光等特性，在目标识别探测、生物医学和工业检测等方面发挥着重要应用。目前，偏振成像技术可分为三类：分振幅、分孔径和分焦平面。分振幅通过多路分光系统实现不同偏振分量幅值测量，分振幅偏振成像检测系统，能够消除系统环境稳定性带来的误差。缺点是整体结构复杂、体积大、重量重；多个探测器之间必须实现像素和强度匹配，且多个分光元件还会引入偏振测量误差。而分孔径偏振成像探测系统采用孔径分割的方法实现不同偏振分量的测量，系统设计和装调的难度，不同通道之间的透过率、孔径、放大倍率和像素匹配等因素要求严格大，并且将成像探测器分割成几个区域分别成像，牺牲了空间分辨率。与其他两类偏振成像系统相比，分焦平面偏振成像探测器集成度高，对光学系统要求不高。此外，它与普通成像探测器不同之处在于，它包含了额外的偏振滤波器，能够将光的偏振状态转化为图像上的强度信息。微/纳米制造技术的进步提高了分焦平面偏振成像探测器的质量，降低了制造成本，使其能够商业化。

2、分焦平面偏振成像探测器，如图1所示，在cmos阵列探测器基础上，每个像元上镀制0°、45°、90°和135°栅极线偏振元件，(0°、45°、90°、135°)四个栅极偏振元件像素构成一个偏振成像超像元，由多个偏振成像超像元周期性排列构成紧凑、集成化的分焦平面偏振成像探测器。然而，由于分焦平面偏振成像探测器中像元响应不均匀，存在栅极偏振元件单元蚀刻精度误差和栅极偏振元件方向误差，且各个栅极偏振元件单元的透过率存在差异，这些因素均会导致偏振成像超像元的非均匀性和测量误差，对最终的偏振成像质量造成了影响。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对分焦平面偏振成像探测器误差进行综合性校准、有效提高分焦平面偏振成像探测器的偏振成像探测精度的校准方法及校准装置。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种分焦平面偏振成像探测器的误差校准方法，将待校准的探测器对准入射光线，在入射光线的光路上设置偏振元件，旋转偏振元件元件角度，精确控制入射光的偏振方向，将所述的探测器采集的偏振光图像与入射光理论值进行比较后完成校准，具体步骤如下：

3、步骤1：在0度至180度范围内，从0度开始，以角度递增的方式旋转偏振元件，每间隔5度，所述的探测器对入射光源连续采集不低于15组的图像数据；

4、步骤2：将所述的探测器的每个偏振成像超像元进行15组数据累加积分，然后求平均进行随机噪声消除，当每个角度下的所述的探测器的所有偏振成像超像元完成随机噪声消除后，将每个角度的偏振成像超像元探测值再放回图像数组中，即得到该角度下偏振分焦平面偏振成像探测器的入射光图像；

5、步骤3：使用采集到的图像数据和入射光的理论偏振图像数据，通过拟合校准模型，计算出校准参数，进而得到每个偏振成像超像元的偏振响应校准矩阵；

6、步骤4：对于待校准的分焦平面偏振成像探测器，根据分焦平面偏振成像探测器测量获得的图像，将每个偏振成像超像元图像值乘以偏振响应校准矩阵，完成误差校准。

7、与现有技术相比，本发明的优点在于：通过自动提取图像中的关键特征点，并进行匹配，减少了人工操作的复杂性和主观性。通过对偏振成像探测器获取的图像中像素的偏振信息进行读取，求出每个像素点的平均值，有效地减弱了探测白噪声，相比于传统的人工处理方法，该自动化处理方法不仅提高了校准效率，还能保持校准的一致性和稳定性，本发明利用优化算法对校准参数进行优化，提高了校准精度和图像质量的稳定性和准确性，该校准算法对校准参数进行优化。通过对校准参数进行优化，可以提高校准精度，并增强图像质量的稳定性和准确性。优化算法能够智能地调整校准参数，以达到最佳的校准效果。优化过程在一定程度上保证了校准的准确性和一致性，本发明的校准方法引入了校准结果评估方法，通过采用评估方法对校准后的图像进行客观评价，可以得到关于校准效果的可靠数据。这些评价结果不仅可以用于校准参数的调整和优化，还可以为后续的图像处理和测量提供可靠的基础数据。这种校准结果的客观评价为后续的数据分析和决策提供了重要参考依据。

8、得到每个偏振成像超像元的偏振响应校准矩阵具体过程如下：

9、首先，从0度开始旋转偏振元件至180°结束，将每间隔5度，共37个角度下的入射偏振光理想数据采用stokes矢量描述为，s＝mp(θ)*[1000]t，其中，表示偏振元件的穆勒矩阵，θ为偏振元件的偏振角度，t为转置；

10、其次，将计算得到的每个入射光偏振角度下的s依次存储到数组sin矩阵中

11、sin＝[s(1,:)；s(2,:)；…；s(37,:)]；

12、再次，通过计算sin矩阵的转置和它与自身的逆矩阵的乘积，得到理想输入光强右逆矩阵si＝sint*(sin*sint)-1；

13、最后，将分焦平面偏振成像探测器实际探测获得的实测数据组ii与理想输入数据组sin比较，求解得到探测器每个偏振成像超像元的测量矩阵w(i,j)＝ii*si；对w(i,j)求伪逆，得到每个偏振成像超像元的偏振响应校准矩阵p(i,j)＝pinv[w(i,j)]，其中，i是分焦平面偏振成像探测器中的第i行位置，j是分焦平面偏振成像探测器中的第j列位置，pinv表示求伪逆。

14、实现上述的校准方法的校准装置，包括光源和偏振元件，所述的偏振元件设置在电动旋转平台上，所述的光源与所述的偏振元件之间设置有积分球，所述的光源发出的光线经过所述的积分球后，入射到所述的偏振元件后，将出射光射入待检测的分焦面偏振成像探测器，所述电动旋转平台旋转使所述的偏振元件产生不同偏振角度的光线入射到待检测的分焦面偏振成像探测器。

15、采用积分球将光源均匀地分布在球内表面上，通过内部的反射来实现均匀的照明。并且将来自光源的直射光扩散成各个方向上的光线，减少了光的方向性，避免了直射光带来的阴影和反光问题。采用电机对偏振元件进行旋转，提高了旋转精度，缩短了实验时间。通过旋转偏振元件和成像探测器的配合，可以获得不同偏振方向角下的图像，实现偏振成像，并进行精确的测量和分析。

16、优选地，所述的偏振元件选用消光比大于100000:1的格兰泰勒偏振分光棱镜或格兰汤普森偏振分光棱镜。

17、优选地，所述的电动旋转平台的角度定位精度小于0.01°。

技术特征：

1.一种分焦平面偏振成像探测器的误差校准方法，其特征在于：将待校准的探测器对准入射光线，在入射光线的光路上设置偏振元件，旋转偏振元件元件角度，精确控制入射光的偏振方向，将所述的探测器采集的偏振光图像与入射光理论值进行比较后完成校准，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述一种分焦平面偏振成像探测器误差校准方法，其特征在于，得到每个偏振成像超像元的偏振响应校准矩阵具体过程如下：

3.实现权利要求1所述的校准方法的校准装置，包括光源和偏振元件，其特征在于：所述的偏振元件设置在电动旋转平台上，所述的光源与所述的偏振元件之间设置有积分球，所述的光源发出的光线经过所述的积分球后，入射到所述的偏振元件后，将出射光射入待检测的分焦面偏振成像探测器，所述电动旋转平台旋转使所述的偏振元件产生不同偏振角度的光线入射到待检测的分焦面偏振成像探测器。

4.根据权利要求3所述的校准装置，其特征在于：所述的偏振元件选用消光比大于100000:1的格兰泰勒偏振分光棱镜或格兰汤普森偏振分光棱镜。

5.根据权利要求3所述的校准装置，其特征在于：所述的电动旋转平台的角度定位精度小于0.01°。

技术总结
本发明公开了一种分焦平面偏振成像探测器的误差校准方法，将待校准的探测器对准入射光线，在入射光线的光路上设置偏振元件，旋转偏振元件元件角度，精确控制入射光的振方向，将探测器采集的偏振光图像与入射光理论值进行比较后完成校准，特点是通过自动提取图像中的关键特征点，并进行匹配，对偏振成像探测器获取的图像中像素的偏振信息进行读取，求出每个像素点的平均值，有效地减弱了探测白噪声，相比于传统的人工处理方法，该自动化处理方法不仅提高了校准效率，还能保持校准的一致性和稳定性。

技术研发人员：王爽,崔志英,邱元芳,张琦,毛昊阳,崔浩鑫
受保护的技术使用者：宁波永新光学股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29