基于s-波片的天空偏振模式探測(cè)方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的應(yīng)用屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用S-波片和手持式光場(chǎng)相機(jī) 探測(cè)天空偏振模式的方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用天空光的偏振分布信息可以進(jìn)行導(dǎo)航，它具有抗干擾能力強(qiáng)、成本較低等特 點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)精確的天空偏振光導(dǎo)航，需要準(zhǔn)確探測(cè)天空在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)的偏振度和偏振 化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起稱為偏振模式。目前用于大視場(chǎng)天 空偏振模式探測(cè)的方法主要有兩種，分別是基于光電二極管的方法和相機(jī)成像的方法?；?于光電二極管的方法需要很多個(gè)光電二極管指向不同的天區(qū)測(cè)量，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí) 現(xiàn)也較為困難。相機(jī)成像的方法借助于廣角鏡頭可對(duì)大視場(chǎng)的天空區(qū)域直接成像，但是為 了測(cè)量偏振模式需要獲得多幅不同偏振方向下的天空?qǐng)D像，這往往需要通過(guò)一個(gè)相機(jī)多次 拍攝或者多個(gè)相機(jī)同時(shí)拍攝兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，前一實(shí)現(xiàn)途徑實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，后一實(shí)現(xiàn)途徑會(huì) 導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0003] 總之，在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)天空偏振模式探測(cè)時(shí)，現(xiàn)有的方法要么實(shí)時(shí)性差，要么系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜。手持式光場(chǎng)相機(jī)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一次成像即可測(cè)量大視場(chǎng)天空偏振模式提供了 可能。手持式光場(chǎng)相機(jī)是一種在普通相機(jī)的光敏感元件前安裝有微透鏡陣列的新型成像器 件，它由華裔科學(xué)家RenNg于2005年發(fā)明。由于微透鏡陣列的存在，手持式光場(chǎng)相機(jī)在對(duì) 天空拍攝時(shí)每個(gè)微透鏡都將某個(gè)特定視點(diǎn)下的天區(qū)成像為彌散光斑。將該彌散光斑按照不 同區(qū)域分割利用，實(shí)現(xiàn)天空同一視點(diǎn)不同偏振方向下圖像的獲取，則可達(dá)到一次成像即完 成大視場(chǎng)天空偏振模式探測(cè)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：本發(fā)明基于一種天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)，提供一種天 空偏振模式探測(cè)方法。本發(fā)明通過(guò)單個(gè)手持式光場(chǎng)相機(jī)對(duì)大視場(chǎng)天空的一次成像，即實(shí)現(xiàn) 了天空偏振模式的探測(cè)，用于解決現(xiàn)有方法在天空偏振模式探測(cè)時(shí)要么因需要多次測(cè)量而 使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，要么因需要多套測(cè)量單元而導(dǎo)致的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案一是：
[0006] -種天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)，包括S-波片，偏振片，手持式光場(chǎng)相機(jī)，鏡頭。其特 征在于，S-波片和偏振片位于鏡頭的光圈所在平面，面對(duì)鏡頭從鏡頭的正前方的方向觀察， s-波片位于偏振片的前方。偏振片在s-波片的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的消光比和透過(guò)率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案二是：
[0008] -種天空偏振模式探測(cè)方法，利用技術(shù)方案一提供的天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)，具 體包括下述步驟：
[0009] 第一步，利用天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)拍攝一幅天空?qǐng)D像，并將天空?qǐng)D像的灰度值 轉(zhuǎn)化為目標(biāo)福射的光強(qiáng)值。
[0010] 第二步，獲得天空偏振度和偏振化方向角。
[0011] 設(shè)天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)中手持式光場(chǎng)相機(jī)的微透鏡陣列包括M行、N列微透鏡； 任意微透鏡Lervn對(duì)應(yīng)的成像圓斑中心的像素在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（X%n，Y& n)，成像圓 斑半徑為D個(gè)像素，其中D彡5,1 <m<M，1 <n<N。成像圓斑中心像素坐標(biāo)中第一個(gè)坐 標(biāo)元素表示像素在圖像中的行序號(hào)，第二個(gè)坐標(biāo)元素表示像素在圖像中的列序號(hào)。圖像坐 標(biāo)系約定如下：圖像左上角為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，圖像中豎直向下的方向?yàn)榈谝粋€(gè)坐標(biāo)元素的 正向，圖像中水平向右的方向?yàn)榈诙€(gè)坐標(biāo)元素的正向。本發(fā)明中所有微透鏡的焦距相同， 尺寸相同，成像圓斑半徑也相同。
[0012] 獲得天空?qǐng)D像平面上所有與像素點(diǎn)（X^^Y^)的距離小于等于D個(gè)像素的圖像區(qū) 域，該圖像區(qū)域?yàn)閳A形，令其為Gmin。對(duì)圓形圖像區(qū)域Gmin進(jìn)行Radon變換，選擇Radon變換 的投影角度范圍為〇度到180度，令Radon變換的投影角度步長(zhǎng)為S(S的數(shù)值的選擇應(yīng)滿 足S可整除90的要求），則共有個(gè)投影角度，記它們所組成的投影角度序列為C，C= tJ 180 {0,S，2S，. . .kXS，. . .，180}，針對(duì)該投影角度序列C中的任意一個(gè)投影角度kXS，則存在一個(gè)該投影角度的Radon變換結(jié)果，它是由2D+1個(gè)數(shù)值組成的序列，記為Rk， 所有投影角度的Radon變換結(jié)果序列記為Ra，
查找 IQA Ra中任一序列晃(〇^:5；+}中的極大值，記為RmaXk。則針對(duì)所有投影角度得到的所有極 大值序列
生MaxR中查找極大值，結(jié)果記為 180 MaxMaxR，對(duì)應(yīng)該極大值在MaxR中的元素序號(hào)記為NmaxR, 〇 5/Vmax/?S^，則有序號(hào)為 NmaxR的元素是在投影角度為NmaxRXS的Radon變換結(jié)果中得到的，最終有微透鏡Lenmin 對(duì)應(yīng)的偏振化方向角Qn =NmaxRXS。 ISO
[0013] 在Radon變換結(jié)果序列Ra中選取序號(hào)為K的元素RK，〇 ^ &S+，K的值的確定 o 應(yīng)判斷投影角度9 _的值是否大于90度來(lái)定，若大于90度則
穿小 于90度則
^在馬的子序列
中查找極小值，記為 MinMinR，其中，□表示四舍五入取整數(shù)。微透鏡LerVn對(duì)應(yīng)的天區(qū)偏振度可計(jì)算如下：
[0014]
[0015] 對(duì)所有的微透鏡Len^ . . .Lenm,n. . .，LenMj$照上述方法進(jìn)行計(jì)算，從而得到 所有微透鏡對(duì)應(yīng)視角的天區(qū)偏振度矩陣P(Plil，...Pniin，...PMiN)和偏振化方向角矩陣 0 (0U1，...0^，...0M1N)。偏振度矩陣P和偏振化方向角矩陣0即為需要的天空偏振模 式測(cè)量結(jié)果。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：利用手持式光場(chǎng)相機(jī)和在光圈位置加入s-波片和偏振片 的廣角鏡頭，通過(guò)對(duì)大視場(chǎng)天空的一次拍攝即得到一幅在任意視角下均包含多個(gè)偏振方向 的天空?qǐng)D像，進(jìn)而通過(guò)對(duì)獲取圖像的Radon變換得到天空任意視角的偏振度和偏振化方向 角信息。因此，本發(fā)明通過(guò)單個(gè)相機(jī)對(duì)大視場(chǎng)天空的一次成像即實(shí)現(xiàn)了天空偏振模式的探 測(cè)，解決了現(xiàn)有方法在天空偏振模式探測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)性差和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)原理示意圖；
[0018] 圖2為具體實(shí)施流程圖；
[0019] 圖3為s-波片實(shí)物圖；
[0020] 圖4為在鏡頭光圈處插入s-波片和偏振片的魚眼鏡頭實(shí)物圖；
[0021] 圖5為天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖；
[0022] 圖6為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖；
[0023] 圖7為天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)在對(duì)液晶顯示器一次拍攝時(shí)獲取的圖像；
[0024] 圖8為圖7局部放大的結(jié)果；
[0025] 圖9為一個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)成像圓斑的Radon變換結(jié)果
[0026] 圖10為液晶顯示器的偏振化方向角分布的測(cè)量結(jié)果；
[0027]圖11為液晶顯示器的偏振度分布的測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]圖1為本發(fā)明提供的天空偏振模式探測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）原理示意圖。如圖 所示，系統(tǒng)包括鏡頭1，s-波片3,偏振片4,手持式光場(chǎng)相機(jī)7。為了盡可能的獲得較大的 對(duì)天空成像范圍，鏡頭1在本實(shí)施實(shí)例中建議選用視場(chǎng)角達(dá)到180度的魚眼鏡頭。s-波片 3和偏振片4位于鏡頭1的光圈2所在平面。在本實(shí)施實(shí)例中s-波片3為圓形，從面對(duì)鏡 頭正前方的方向觀察，s-波片位于偏振片的前方。偏振片在s-波片的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)有 較高的消光比和透過(guò)率。s-波片3是由南安普頓大學(xué)教授PeterG.Kazansky發(fā)明，共有 兩類分別是徑向型和角向型，它們?cè)诒景l(fā)明中都可以使用，效果并無(wú)區(qū)別。關(guān)于s-波片3 的詳細(xì)介紹可參考文南犬Polarizationsensitiveelementsfabricatedbyfemtosecond lasernanostructuringofglass，0PTICALMATERIALSEXPRESS，2011， 1(4):783-795。微 透鏡陣列5位于鏡頭1和相機(jī)的感光面6之間，微透鏡陣列5由許多焦距相同，尺寸相同的 微透鏡排列而成，見(jiàn)微透鏡陣列細(xì)節(jié)放大圖8。微透鏡陣列細(xì)節(jié)放大圖8是微透鏡按照正 方形排布的結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以設(shè)計(jì)為按照六邊形蜂窩狀排布以更高效的利用相機(jī)的 感光面6的空間。微透鏡陣列5和相機(jī)的感光面6組合在一起構(gòu)成了手持式光場(chǎng)相機(jī)7。 關(guān)于手持式光場(chǎng)相機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹參見(jiàn)RenNg的博士學(xué)位論文《Digitallightfield photography》。為了方便地使用系統(tǒng)，將系統(tǒng)獲得的天空?qǐng)D像進(jìn)行后續(xù)處理，可以給系統(tǒng)再 連接計(jì)算機(jī)9。計(jì)算機(jī)9負(fù)責(zé)相機(jī)控制、圖像采集存儲(chǔ)、圖像處理和數(shù)據(jù)解算的工作。計(jì)算 機(jī)9可以給手持式光場(chǎng)相機(jī)7發(fā)送控制信號(hào)10,控制信號(hào)10的箭頭指示信號(hào)流向，手持式 光場(chǎng)相機(jī)7也可以打包向計(jì)算機(jī)9發(fā)送圖像數(shù)據(jù)包11